李承濤 吳夢宇

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

馬頭門是煤礦井筒與煤礦運輸巷道的連接部分，是礦井的重要組成部分，包括了馬頭口上井筒段、下井筒段及馬頭門兩側(cè)的連接大銅室，因為其位于深部地層，故其受力情況多變且復雜[1]。馬頭門具有斷面大、服務年限長、特別容易受到應力集中等特點[2]，因此在馬頭門與井壁交界部位就容易出現(xiàn)較嚴重的應力集中現(xiàn)象，造成馬門頭發(fā)生破壞[3]。馬頭門發(fā)生破壞的原因有很多，除了馬頭門位置不佳、斷面大、設計不合理、支護方案效果不好、施工過程質(zhì)量問題等原因外，還包括馬頭門所處的地層特征，由于馬門頭多位于軟弱巖層中，加上馬頭門支護施工難度大，在地應力特別是在深部地層高地應力的作用下非常容易發(fā)生破壞［4-5］。所以，研究馬頭門支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對礦井建設的安全非常有必要，能夠保障礦工的生命安全和減少煤炭資源的損失，這不僅會使我國在煤炭工程領域安全生產(chǎn)方面擁有更加先進的技術，也可以促使馬頭門在其他領域得到更廣闊的應用前景。

目前，對于馬頭門的研究成果交多，尤其是采用數(shù)值模擬的研究方法具有成本小、速度快的優(yōu)勢，逐漸得到應用，其中應用FLAC3D軟件研究馬頭門的方法效果較好[6]。姚直書[7]等利用FLAC3D技術對開挖和支護全過程5個階段進行了模擬，探究了馬頭門在開挖和掘進時圍巖受所變化的特性，展現(xiàn)了開挖和掘進過程對馬頭門的影響；田柯[8]通過FLAC3D軟件對馬頭門容易產(chǎn)生應力集中和圍巖容易破壞的區(qū)域進行了定性分析，并且對應力集中系數(shù)和深度做出了定量的確定。但利用FLAC3D軟件進行馬門頭優(yōu)化設計的研究仍然不足。

基于此，以臨渙礦中央風井中馬頭門施工支護過程為例，利用FLAC3D軟件開展馬門頭支護方案優(yōu)化設計的數(shù)值分析，以供相關技術人員參考。

1 工程模型建立

1.1 FLAC3D軟件介紹

本研究采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析。FLAC3D軟件是一款用于仿真計算的軟件，能夠?qū)ν临|(zhì)、巖石等多種不同性質(zhì)材料的受力特性以及對具有塑性、流動特性的材料進行三維的數(shù)值分析。該軟件在三維網(wǎng)格中通過調(diào)整多面體單元從而實現(xiàn)擬合實際的結(jié)構(gòu)。該軟件可采用線性或非線性的單元材料，當外力作用在材料上時，發(fā)生屈服流動的材料，其三維網(wǎng)格能夠發(fā)生相應的變形和移動，這就是大變形模式。該軟件的技術特點為：顯式拉格朗日算法以及混合-離散分區(qū)技術，正是采用了這些技術，F(xiàn)LAC3D才能非常精準地對材料的塑性破壞和流動進行模擬。正因為它不需要剛度矩陣，所以它在極少的內(nèi)存下就可以求解極多的單元結(jié)構(gòu)。

FLAC3D軟件擁有以下3種計算優(yōu)勢：

（1）混合離散法：當模擬的物體是塑性破壞或者塑性流動時，該方法相比采用“離散集成法”的有限元法更佳；

（2）動態(tài)運動方程：即使某個模擬的系統(tǒng)狀態(tài)為靜態(tài)，數(shù)值模擬過程中仍然使用動態(tài)的運動方程，故在模擬物體具有不穩(wěn)定的狀態(tài)和過程時，F(xiàn)LAC3D軟件不存在數(shù)值上的障礙；

（3）“顯式解”方案：“顯式解”方案在線性本構(gòu)關系與非線性本構(gòu)關系的應力-應變求解上所花費的時間是相同的，與之相對的是隱式求解方案，該方案對于非線性問題處理的工作量比“顯式解”方案多得多。因為它不需要存儲剛度矩陣，這就意味著，在極少的內(nèi)存下就可以求解極多的單元結(jié)構(gòu)，并且在處理大變形和處理小變形的模擬上所消耗的時間相差無幾。

1.2 工程概況

臨渙礦跨度為13km，寬度約為4～5km，面積49.6624km2。該礦開采的模式為：使用立井、采用分區(qū)通風以及集中出煤的方式，礦建工程包括中央風井、-650m回風車場及回風石門、-450m回風聯(lián)巷。臨渙礦中央風井中馬頭門位于約-450m的位置，為單側(cè)馬頭門，井筒凈直徑為6.5m，馬頭門及巷道凈半徑為2.6m。

地面與馬頭門之間包含3層巖層，自上至下依次為泥巖、粉砂巖及泥巖，厚度分別為20.04m、3.27m以及16.69m，巖層物理與力學參數(shù)如表1所示，馬頭門及井筒襯砌物理與力學參數(shù)如表2所示。

表1 巖層物理與力學參數(shù)

表2 襯砌物理與力學參數(shù)

1.3 模型建立

根據(jù)實際工程深立井、馬頭門及其連接巷道的平面布置、斷面尺寸和水平位置，考慮邊界效應的影響范圍，使用Rhino+Griddle軟件建立模型網(wǎng)格，通過將網(wǎng)格導入FLAC3D建立三維有限元計算模型。模型尺寸為長50m、寬40m、高50m，單元總量為1509175。在模型側(cè)面及底面都施加位移約束，在模型頂面施加11.2MPa的豎向應力，如圖1所示。

圖1 水平馬頭門數(shù)值模型

對于所研究區(qū)域，中央風井井筒斷面為圓形，巷道及馬頭門硐室斷面為直墻半圓拱形。初期支護時，馬頭門及井筒均采用錨、噴、網(wǎng)的支護形式，馬頭門及井筒的錨桿長度為2.5m，間距、排距為0.8m×0.8m，預應力為60kN；馬頭門處錨索長度為6.2m，間距、排距也為0.8m×0.8m，預應力為120kN，井筒及馬頭門襯砌澆筑采用C50混凝土。在數(shù)值計算模型中，巷道、回風聯(lián)巷及其連接處共分4個步驟進行模擬，具體描述如下：

（1）馬頭門上部井筒掘進開挖，設置錨桿等參數(shù)，模擬讓壓過程；

（2）馬頭門上部井筒二次襯砌，計算平衡；

（3）馬頭門掘進開挖，設置錨桿等參數(shù)，模擬讓壓過程；

（4）馬頭門二次襯砌，計算平衡。

2 馬頭門初期支護方案數(shù)值分析

模型建立完成后，對井筒進行開挖。首先對上井筒段進行開挖，開挖完畢后對其進行支護；然后對馬頭門進行單側(cè)開挖，開挖完畢后進行二次襯砌。利用FLAC3D軟件得到其豎向位移、豎向應力以及最大主應力，將云圖導入Tecplot軟件進行分析，得出位移及應力云圖如圖2~圖4所示。由圖2可知，馬頭門開挖后進行了錨網(wǎng)噴支護，距離巷道、馬頭門空間越近，對應的巖體位移越大,此時巷道頂板最大下沉降位移超2.5cm，底板底鼓位移已超4.5cm。根據(jù)圖3和圖4可知，豎向應力最大達到了38MPa，最大主應力達到了110MPa，支護失效風險極大。因此，需要對支護方案進行優(yōu)化。

3 馬頭門優(yōu)化支護方案數(shù)值分析

3.1 優(yōu)化方案一數(shù)值分析

考慮到有限差分軟件模擬單元需連續(xù)，導致圍巖應力釋放產(chǎn)生的變形將作用到襯砌結(jié)構(gòu)上，這與實際情況存在差異。方案一為在井筒及馬頭門襯砌施加前，將圍巖應力釋放產(chǎn)生的位移清零，其他支護參數(shù)都保持不變，導出位移及應力云圖見圖5～圖7。

對圍巖應力釋放產(chǎn)生的位移清零進行計算后，對比圖5和圖2不難發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化方案一處馬頭門處襯砌整體下沉，其中地板下沉約0.5cm，頂板下沉位移超過0.7cm，最大位移已經(jīng)降低了許多，說明方案一的優(yōu)化設計對馬頭門的穩(wěn)定性有很大的提高；而通過對圖3與圖6，圖4與圖7的對比發(fā)現(xiàn)，豎向應力和最大主應力在優(yōu)化前后應力值大小未發(fā)生較大改變，說明優(yōu)化方案一并不能改變豎向應力的大小。

圖2 z向位移（單位：cm）

圖3 z向應力（單位：MPa）

圖4 最大主應力（單位：MPa）

3.2 優(yōu)化方案二數(shù)值分析

優(yōu)化方案一的模擬結(jié)果證實，現(xiàn)有的措施基本能滿足支護要求。為了安全考慮，優(yōu)化方案而在優(yōu)化方案一的基礎上對馬頭門15m范圍內(nèi)的巖體進行注漿加固，用以改善巖性，依舊采用Tecplot軟件得到的位移云圖和應力云圖如圖8～圖10所示。根據(jù)圖8可以看出，相較于圖5中馬頭門整體位移變化不大，說明注漿加固對馬頭門附近圍巖的位移影響不大；對比圖6和圖9，可以清楚地看出豎向應力也未發(fā)生明顯變化，只是從原來的38MPa降低為34MPa，對馬頭門整體影響不大；對比圖7和圖10能明顯看到最大主應力的巨大變化，圖7中最大主應力由110MPa變?yōu)閳D10中約40MPa，說明馬頭門15m范圍內(nèi)的巖體進行注漿加固對降低圍巖最大主應力有很好的效果，綜合未優(yōu)化、優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二這三個支護方案來看，雖然優(yōu)化方案一已經(jīng)基本滿足馬頭門支護的效果，但優(yōu)化方案二的支護效果更佳、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。

圖5 優(yōu)化方案一z向位移（單位：cm）

圖6 優(yōu)化方案一z向應力（單位：MPa）

圖7 優(yōu)化方案一最大主應力（單位：MPa）

圖8 優(yōu)化方案二z向位移（單位：cm）

圖9 優(yōu)化方案二z向應力（單位：MPa）

圖10 優(yōu)化方案二最大主應力（單位：MPa）

4 結(jié)束語

通過FLAC3D軟件建立了臨渙礦馬門頭數(shù)值計算模型，分析了單側(cè)馬頭門采用錨網(wǎng)噴支護以及二次襯砌下的位移場和應力場，由于產(chǎn)生的位移較大，馬頭門支護失效風險較大，故需要進行優(yōu)化方案設計。針對初期設計，設計了兩種優(yōu)化方案，一種為在井筒及馬頭門襯砌施加前，將圍巖應力釋放產(chǎn)生的位移清零，其他支護參數(shù)都保持不變；另一種為在優(yōu)化方案一的基礎上對馬頭門15m范圍內(nèi)的巖體進行注漿加固，并對比優(yōu)化前后的位移場和應力場。通過未優(yōu)化與優(yōu)化方案一對比可知，馬頭門處位移大幅下降，豎向應力和最大主應力未發(fā)生變化；通過優(yōu)化方案一與優(yōu)化方案二的對比可知，馬頭門處位移、豎向應力未發(fā)生明顯變化，但最大主應力發(fā)生明顯變化，故本模擬采用優(yōu)化方案二的支護效果更佳、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好。