李昌儒，吳擁政，褚曉威，石 垚，謝 俊

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.山西潞安環(huán)能股份有限公司 五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046205)

煤礦井下硐室群普遍具有以下特點(diǎn)：斷面尺寸大、長(zhǎng)度短、間距小、服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)、巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜等[1]。隨著礦井開(kāi)采深度不斷加深，硐室群所處位置的原巖應(yīng)力水平也不斷提高，應(yīng)力水平高和軟弱圍巖的矛盾日益突出，當(dāng)硐室群處于陷落柱、斷層帶等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，圍巖更易發(fā)生破壞，產(chǎn)生大規(guī)模變形，使其有效支護(hù)變得更加困難[2-5]。因此，合理有效地控制圍巖變形與破壞，保持硐室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定，成為礦井建設(shè)與安全生產(chǎn)的一大難題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于硐室群穩(wěn)定性方面做了大量的研究工作，康紅普等[6-7]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)潞安集團(tuán)屯留礦松軟破碎井筒、車場(chǎng)硐室群圍巖應(yīng)力分布及破壞機(jī)理進(jìn)行分析，提出了井下高壓深孔注漿配合強(qiáng)力錨桿、錨索進(jìn)行支護(hù)的綜合加固技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用，保證了圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。王兆坤等[8]通過(guò)ANSYS軟件分析了在高應(yīng)力水平、構(gòu)造應(yīng)力、硐室群疊加應(yīng)力共同作用下，硐室群開(kāi)挖后的應(yīng)力集中分布情況，為支護(hù)方案的調(diào)整與優(yōu)化提供了理論與科學(xué)依據(jù)，并在井下取得了良好的支護(hù)效果。姜鵬飛等[9]利用FLAC3D模擬軟件研究了工作面強(qiáng)采動(dòng)影響下，近距離密集硐室群的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，并提出了注漿錨索加固技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)能顯著提高淺部圍巖的承載力，有效控制強(qiáng)采動(dòng)影響下密集硐室群的圍巖變形與破壞。何滿潮等[10]以興安礦四水平泵房吸水井硐室群為背景，采用FLAC3D軟件分析了不同開(kāi)挖順序條件下，深部軟巖立體交叉硐室群圍巖應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)響應(yīng)及變形特性，綜合比較得出立體交叉硐室群最優(yōu)施工方案是先施工斷面較小的支巷，再施工斷面較大的主巷，對(duì)硐室群的穩(wěn)定性影響最小。林惠立等[11]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面硐室圍巖的破壞原因和相應(yīng)的控制對(duì)策進(jìn)行研究，運(yùn)用FLAC3D軟件模擬了耦合支護(hù)后交叉硐室群的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及破壞特征，并對(duì)現(xiàn)有支護(hù)方案做出評(píng)價(jià)。王其洲等[12]以裴溝煤礦某采區(qū)泵房硐室群為背景，采用FLAC軟件分析了水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)圍巖塑性破壞區(qū)域分布的影響，以及硐室群結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其自身穩(wěn)定性的影響，得出了復(fù)雜構(gòu)造區(qū)內(nèi)硐室群圍巖的穩(wěn)定性特征，并提出了棚索協(xié)同支護(hù)技術(shù)和錨網(wǎng)索控底技術(shù)，且井下應(yīng)用效果良好。

本文以潞安集團(tuán)李村煤礦為研究背景，在地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)井底車場(chǎng)及硐室群的開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析在高應(yīng)力條件下，不同煤巖體強(qiáng)度硐室群開(kāi)挖對(duì)周圍巖層應(yīng)力分布及變形破壞的影響。

1 工程地質(zhì)概況

李村煤礦井田面積95.3km2，設(shè)計(jì)總規(guī)模5.00Mt/a，礦井埋深510～840m，是潞安礦區(qū)埋深較大的礦井之一，其中井底車場(chǎng)及附近硐室群埋深在550～600m之間。礦井主采3號(hào)煤層，位于山西組下部，厚度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，存在陷落柱、褶曲、斷層、沖刷帶等構(gòu)造，其余煤層不穩(wěn)定，均不可采。

由于3號(hào)煤層強(qiáng)度較低、頂?shù)装鍘r性差、易風(fēng)化，造成井底車場(chǎng)部分巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，在巷道巖性較差地段、巷道轉(zhuǎn)角區(qū)域圍巖變形量大，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，部分巷道頂板和兩幫出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)噴層剝落等現(xiàn)象。

李村煤礦井底車場(chǎng)及硐室群布置如圖1所示。

圖1 井底車場(chǎng)及硐室群布置平面

2 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析

2.1 地應(yīng)力測(cè)量

采用應(yīng)力解除法和小孔徑水壓致裂法對(duì)李村礦井11個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。表中：H為測(cè)點(diǎn)埋深；σV為垂直主應(yīng)力；σH為最大水平主應(yīng)力；σh為最小水平主應(yīng)力；Ψ為最大水平主應(yīng)力方向。

表1 李村礦井地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

以上11個(gè)測(cè)點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有10個(gè)，垂直主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)有1個(gè)；最大水平主應(yīng)力小于18MPa的測(cè)點(diǎn)有4個(gè)，大于18MPa小于30MPa的測(cè)點(diǎn)有7個(gè)，且大多位于井底車場(chǎng)附近。由此判定，李村煤礦地應(yīng)力總體上以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，礦井整體上屬于高應(yīng)力值礦井[13]，井底車場(chǎng)、硐室及大巷附近屬于典型的高應(yīng)力區(qū)。

2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

采用煤炭科學(xué)研究總院自主研發(fā)的WQCZ-56型小孔徑圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)頂板以上10m范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行原位強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明：3號(hào)煤層強(qiáng)度大部分集中在6～10MPa之間，平均強(qiáng)度為9MPa，強(qiáng)度波動(dòng)范圍較大；煤層直接頂為細(xì)砂巖，平均強(qiáng)度為65.6MPa，細(xì)砂巖以上為泥質(zhì)砂巖，平均強(qiáng)度為54.6MPa；煤層底板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，強(qiáng)度較低，平均強(qiáng)度為30.2MPa。

2.3 圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)

采用數(shù)字全景窺視儀對(duì)6～11號(hào)地應(yīng)力測(cè)試鉆孔的煤巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了窺視，分析圍巖結(jié)構(gòu)圖得出：李村煤礦煤巖體原生弱面，包括節(jié)理、裂隙、空洞等較為發(fā)育，煤體較為破碎，完整性較差，這與煤系地層經(jīng)歷較多的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)?？梢?jiàn)，李村礦井不但原巖應(yīng)力高，且煤巖體強(qiáng)度中等偏下，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，是典型的高應(yīng)力軟弱圍巖。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

李村煤礦井底車場(chǎng)及硐室群布置區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，存在陷落柱、褶曲和斷層等。高應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造共同作用，導(dǎo)致該區(qū)域不但應(yīng)力高，甚至局部應(yīng)力集中，而且圍巖結(jié)構(gòu)破碎，完整性較差。選取井底車場(chǎng)及硐室群進(jìn)行開(kāi)挖模擬，分析不同煤巖體強(qiáng)度下開(kāi)挖導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力分布及變形破壞情況。

3.1 模型建立及參數(shù)選取

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立李村煤礦井底車場(chǎng)及硐室群模型，如圖2所示。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型[13]。

圖2 李村煤礦井底車場(chǎng)及硐室群模型

通過(guò)對(duì)井底車場(chǎng)及大巷附近地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出模型所施加的3個(gè)應(yīng)力水平如表2所示，其中最大水平主應(yīng)力沿模型X軸方向施加，最小水平主應(yīng)力沿模型Y軸方向施加，垂直主應(yīng)力沿模型Z軸方向施加，2種煤巖體物理力學(xué)參數(shù)分別如表3、表4所示。

表2 應(yīng)力水平 MPa

表3 初始煤巖物理力學(xué)參數(shù)

表4 提高后煤巖物理力學(xué)參數(shù)(提高約50%)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選取模型各截面的塑性區(qū)分布圖、圍巖應(yīng)力分布等值線圖和三維應(yīng)力分布圖來(lái)分析井底車場(chǎng)及硐室群開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力分布和變形破壞的影響。截面的選取由截面的法線方向和截面通過(guò)的一點(diǎn)來(lái)標(biāo)定。例如，為分析巷道兩幫圍巖應(yīng)力分布，選取的截面法線方向與Z軸一致且通過(guò)巷道中部軸線位置，即過(guò)點(diǎn)(0，0，14)，則此截面的標(biāo)定為“Z=14m”。

圖3為Z=14m截面塑性破壞圖(水倉(cāng)有一定坡度，未完全剖出)，可以看出在硐室群開(kāi)挖后，巷道兩幫出現(xiàn)一定范圍的塑性破壞區(qū)，總破壞范圍一般超過(guò)巷道的跨度，在巷道拐角及硐室密集處，塑性破壞范圍更大。在這些區(qū)域，圍巖應(yīng)力達(dá)到塑性屈服條件，巷道兩幫發(fā)生塑性流動(dòng)，出現(xiàn)剪切屈服和拉伸屈服區(qū)域，其中拉伸屈服主要處于巷道交叉點(diǎn)，特別是跨度較大的硐室如馬頭門、變電所、水泵房等處最為集中。

圖3 Z=14m截面塑性破壞模擬結(jié)果

圖4、圖5分別為Z=14m截面垂直應(yīng)力分布等值線圖和垂直應(yīng)力分布三維圖。可以看出，硐室群開(kāi)挖后，原巖應(yīng)力重新分布，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力變化區(qū)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)域沿巷道軸線分布，寬度約兩倍的巷寬。在巷道拐角和交叉處，應(yīng)力集中出現(xiàn)二次疊加，拐角內(nèi)側(cè)相比于外側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)更高，集中范圍更大。

圖4 Z=14m截面垂直應(yīng)力分布等值線

圖5 Z=14m截面垂直應(yīng)力分布三維圖

通過(guò)對(duì)比可以看出，在煤巖體強(qiáng)度較低時(shí)，硐室群開(kāi)挖后，兩幫形成的應(yīng)力集中區(qū)域范圍較大，向兩幫延深到2倍的巷道寬度處，應(yīng)力集中系數(shù)較小，說(shuō)明圍巖的承載能力較差；煤巖體強(qiáng)度提高后，兩幫形成的應(yīng)力集中范圍減小，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸變大，說(shuō)明圍巖的承載能力逐漸加強(qiáng)，巷道幫部圍巖即可承受較大的支撐壓力，不再向深部轉(zhuǎn)移。

圖6為井底車場(chǎng)各硐室頂板上Z=22m截面水平應(yīng)力等值線圖，可以看出，車場(chǎng)硐室群開(kāi)挖后，在開(kāi)挖區(qū)域上部巖層中產(chǎn)生4個(gè)長(zhǎng)條形的應(yīng)力集中區(qū)域，最大水平應(yīng)力達(dá)到34MPa，為初始應(yīng)力的1.36倍。

圖6 Z=22m截面水平應(yīng)力分布等值線

從應(yīng)力分布等值線圖看出，煤巖體強(qiáng)度較低時(shí)，硐室群開(kāi)挖后應(yīng)力集中范圍大，各硐室應(yīng)力集中區(qū)域相互疊加，造成更大范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)也較單個(gè)硐室開(kāi)挖的應(yīng)力集中系數(shù)大。煤巖體強(qiáng)度提高后，開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中范圍減小，相鄰硐室的應(yīng)力集中疊加區(qū)域也減小。

圖7、圖8分別為井底車場(chǎng)各硐室群上部巖層Y=42m截面上的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布，可以看出，硐室之間的巖柱存在垂直應(yīng)力集中，在開(kāi)挖空間的上部巖層存在水平應(yīng)力集中。其中，最大垂直應(yīng)力超過(guò)30MPa；最大水平應(yīng)力超過(guò)45MPa，均接近原巖應(yīng)力的2倍。

對(duì)比看出，煤巖體強(qiáng)度相對(duì)提高后，密集開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中程度有所降低，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力峰值都有所降低，應(yīng)力分布更加均勻，開(kāi)挖導(dǎo)致的煤巖體破壞范圍也大大降低。由此可見(jiàn)，提高煤巖體強(qiáng)度可顯著提高單個(gè)硐室的圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減小或避免硐室之間的相互影響，這對(duì)維護(hù)硐室群的穩(wěn)定性極為有利。

圖7 Y=42m截面垂直應(yīng)力分布

圖8 Y=42m截面水平應(yīng)力分布

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與驗(yàn)證

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件與數(shù)值模擬結(jié)果，提出了巷道全斷面注漿加固與強(qiáng)力錨桿(索)支護(hù)相結(jié)合的控制技術(shù)，對(duì)于部分圍巖變形不是很嚴(yán)重的區(qū)域，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)即可控制圍巖變形。

通過(guò)對(duì)井底車場(chǎng)硐室一個(gè)月內(nèi)的巷道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂板下沉量約20mm，兩幫最大移近量約150mm，結(jié)果表明巷道頂板幾乎沒(méi)有下沉，兩幫變形量也不是很大，采用強(qiáng)力錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)有效地控制了巷道圍巖的變形與破壞，保持了圍巖的穩(wěn)定。

5 主要結(jié)論與建議

(1)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明李村煤礦地應(yīng)力大小總體為σH>σV>σh，以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，礦井整體上屬于高應(yīng)力值礦井，且井底車場(chǎng)附近是典型的高應(yīng)力區(qū)。

(2)高應(yīng)力環(huán)境和煤巖體強(qiáng)度較低是造成圍巖變形的客觀因素，巷道硐室群的開(kāi)挖及相互擾動(dòng)進(jìn)一步加劇了圍巖應(yīng)力的集中和圍巖性質(zhì)的劣化，最終使得圍巖發(fā)生大變形，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)煤巖體強(qiáng)度提高后，硐室圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到明顯改善，減小或避免各硐室開(kāi)挖的交互影響，對(duì)于井下硐室群的穩(wěn)定有很大作用。

(4)對(duì)于已掘變形巷道，可通過(guò)注漿等手段提高圍巖強(qiáng)度和整體性來(lái)改善圍巖狀態(tài)[14-15]；對(duì)于未掘區(qū)域，在地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用合理的支護(hù)形式，盡可能減小掘進(jìn)后圍巖強(qiáng)度的降低和破壞范圍的擴(kuò)展，以保持圍巖處于平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)本次模擬結(jié)果是在所有巷道硐室同時(shí)開(kāi)挖的情況下得出的，并未考慮硐室先后開(kāi)挖而造成的相互擾動(dòng)影響。如果考慮不同時(shí)開(kāi)挖，圍巖變形破壞范圍會(huì)更大。