周春雷,紀(jì)洪廣,王 軍

(1.總參謀部管理保障部工程建設(shè)指揮部，北京 100088；2.北京科技大學(xué)，北京 100082；3.山東理工大學(xué) 山東 淄博 255049)

由于受到開采成本限制，許多露天礦在進(jìn)入深部開采以后，由露天開采轉(zhuǎn)為露天與地下聯(lián)合開采。在地下與露天聯(lián)合采動(dòng)影響下，由于兩種采動(dòng)影響域中的一部分相互包含，致使它們之間應(yīng)力場(chǎng)變化過(guò)程與動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程之間相互擾動(dòng)、相互疊加，邊坡巖體在空間不同位置上的原巖應(yīng)力發(fā)生了根本性變化[1]。而邊坡巖體應(yīng)力場(chǎng)的變化，正是這兩種采動(dòng)影響因素綜合疊加的結(jié)果，如果忽略某一影響因素，最終結(jié)果將與實(shí)際情況存在一定差異，從而影響到理論評(píng)價(jià)的真實(shí)性。因此，本文以撫順西露天煤礦北幫為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究側(cè)壓系數(shù)、工程尺寸兩類因素協(xié)同變化對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

撫順西露天煤礦位于遼寧省撫順市區(qū)南部，1996年進(jìn)行露天與地下聯(lián)合開采。礦坑長(zhǎng)6.6 km，寬2.2km，礦坑總面積為14.52km2，最大開采深度400m。工作面巷道位于西露天礦坑下西北部，石油一廠保護(hù)煤柱以外，-297.5m標(biāo)高以上。經(jīng)距E100m～W1000m(礦區(qū)坐標(biāo))，東西走向長(zhǎng)約1100m，緯距N500m～N700m，最大南北寬200m，開采面積約531000m2。東部以E100m為界與西露天礦現(xiàn)采區(qū)相鄰，西部到煤層走向拐點(diǎn)W1000m為止，南部到露采到界線，北部是煤層頂板[2]。工作面上部W900m～W1000m之間、-210m標(biāo)高以上被深部井用水砂充填采煤法開采完畢，W900m以東為露采到界剩余角煤部分。E100m以西、-305m標(biāo)高以下由原勝利礦和深部井用水砂充填采煤法開采完畢，見圖1。

2 計(jì)算模型選取

本次模擬計(jì)算以油母頁(yè)巖為研究對(duì)象，考慮其容重、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度五個(gè)參數(shù)，巖石的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 工作面巷道地質(zhì)剖面圖

表1 巷道圍巖巖層物理力學(xué)參數(shù)

將西露天礦北幫邊坡W1000剖面簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題。選取其中水平方向N570到N810，垂直方向-300m到-150m為研究對(duì)象，其中巷道高度為25m。因?yàn)樵撎幐鲙r層多為水平或微傾，因此忽略傾角對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，巖層取為水平狀態(tài)[3]。模型幾何范圍為240m×150m，模型上方施加均布荷載模擬上方巖層壓力作用，兩側(cè)邊界施加水平地應(yīng)力，下部邊界固定。力學(xué)模型見圖2。

圖2 選取的計(jì)算模型

所用軟件為FLAC2D3.3[4]，開挖體高度一定，跨度分別取高度的倍數(shù)為1、1.5、2.0、2.5、3.0。在上邊作用豎向均布應(yīng)力10MPa，左右兩邊分別作用水平均布應(yīng)力2.5MPa、5MPa、7.5MPa、10MPa。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模型最大主應(yīng)力場(chǎng)

模型最大主應(yīng)力場(chǎng)如圖3至圖5所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

在開挖硐室圍巖中，存在著一個(gè)拱形應(yīng)力升高區(qū)，稱其為“自平衡拱”?！白云胶夤啊钡奶卣鳛樵搮^(qū)域的應(yīng)力高于拱內(nèi)外其他區(qū)域，即巖體在受到開采擾動(dòng)后，工程圍巖體中產(chǎn)生了一種自平衡拱結(jié)構(gòu)。圍巖通過(guò)應(yīng)力重分布所形成的這種自平衡結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)上部荷載，自平衡結(jié)構(gòu)體內(nèi)巖體的破壞不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。其內(nèi)部的垮落體可以作為墊層充填采空區(qū)。

“自平衡拱”的形狀，受應(yīng)力環(huán)境和巷道斷面尺寸影響。當(dāng)水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力相等即λ=1時(shí)，所形成的“自平衡拱”與巷道的形狀有關(guān)。當(dāng)β=1巷道為正方形時(shí)，“自平衡拱”的形狀大體為圓形，當(dāng)巷道為矩形時(shí)，“自平衡拱”的形狀為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸方向?yàn)榫匦蔚拈L(zhǎng)邊方向。即此時(shí)決定“自平衡拱”大小的因素為巷道的高度。

圖3 側(cè)壓系數(shù)為1時(shí)不同工程尺度的應(yīng)力場(chǎng)

圖4 側(cè)壓系數(shù)為4∕3時(shí)不同工程尺度的應(yīng)力場(chǎng)

圖5 側(cè)壓系數(shù)為2時(shí)不同工程尺度的應(yīng)力場(chǎng)

當(dāng)豎向應(yīng)力是水平應(yīng)力的4/3時(shí)，所形成的“自平衡拱”形狀為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸方向仍然為矩形長(zhǎng)邊。隨著巷道跨度的增加，“自平衡拱”的短軸方向略有增加。即此時(shí)決定“自平衡拱”大小的因素，仍然是巷道的高度。當(dāng)λ≥2時(shí)，“自平衡拱”的形狀仍然為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸方向仍然為矩形的長(zhǎng)邊。隨著巷道跨度的增加，“自平衡拱”短軸方向有增大趨勢(shì)，即此時(shí)決定“自平衡拱”大小的因素，是巷道的高度和跨度。

當(dāng)豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力相差不大時(shí)，決定“自平衡拱”形狀的主要因素是工程尺寸，即此時(shí)的“自平衡拱”的長(zhǎng)軸與工程尺寸(跨度和高度)中的較大者方向一致；當(dāng)豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力相差懸殊時(shí)(模型中豎向應(yīng)力為水平應(yīng)力的四倍)，此時(shí)“自平衡拱”的長(zhǎng)軸方向與豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力中較大應(yīng)力方向一致；處于中間狀態(tài)的，兩種因素共同影響。

4 結(jié) 論

(1)受開挖擾動(dòng)的圍巖體中存在“自平衡拱”結(jié)構(gòu)。其特征為該區(qū)域的應(yīng)力高于其他區(qū)域。圍巖體通過(guò)應(yīng)力重分布所形成的這種自平衡結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)上部荷載，自平衡結(jié)構(gòu)體內(nèi)巖體的破壞不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。

(2)巷道斷面尺寸和水平應(yīng)力的大小，是影響“自平衡拱”形狀的重要因素。

[1] 王軍．露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J]．金屬礦山，2010(1)：48-50.

[2] 王俊峰.露天轉(zhuǎn)地下開采圍巖體力學(xué)性能研究[D].北京:北京科技大學(xué),2006.

[3] 于學(xué)馥，鄭穎人．地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1985.

[4] 劉波，韓彥輝．FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M]．北京：人民交通出版社，2005.