原始地应力场测量竖井马头门稳定性分析与设计优化

2010-01-31纪洪广

中国矿业 2010年5期

纪洪广，邹静

(北京科技大学土木与环境学院，北京 100083)

竖井马头门是一项重要的硐室工程，由于断面较大且形状复杂，其设计、施工和支护都是一项复杂的工作。近年来，随着竖井开凿深度的不断加深，修建马头门面临的地应力水平也不断提高，各项工作将面临更多的困难。本文以某煤矿千米竖井马头门工程为背景，在地应力测量的基础上，分析了马头门稳定和地应力的关系及优化的问题。

1 原始地应力场特征

采用水压致裂法在矿区测定了7个钻孔、37个测点的地应力数据，得出地应力场分布[1]存在如下的规律：

①工程区应力场以水平主应力为主导，最大水平主应力与垂直主应力比值平均1.968倍。②最大水平主应力的方向与构造活动方向大体一致，平均走向NE 59.775°。③最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力，均随着深度增加而近似线性增长。开采底层深度达1000m左右，应力水平高达20～30MPa。④近于同一平面内的同一种地应力，不论位置与方向，基本没有大的突变。

马头门附近W-13测孔的地应力测量数据如图1所示。

图1 W-13孔地应力测量数据

煤层位于深度1006.91～1013.55m处，地应力取最接近的一组数据为：σ1h=38.42MPa、σ2h=25.55MPa、σz=22.87MPa。煤层以上为砂岩以及细粒砂岩和泥岩的互层，以下为砂岩和泥岩的互层。由于本文并非针对已有设计方案的马头门，故而将围岩简化为性质均一的岩石，材料参数平均以后取为：容重22.3×103kN/m3，弹性模量33.5GPa，泊桑比0.32，抗压强度34.6MPa，抗拉强度3.08MPa。

2 马头门稳定性分析

2.1 数值计算模型构建

结合资料[2～3]关于马头门的描述后，几何模型布置见图2(图中尺寸单位为m)，围岩的形状取为包裹马头门的块体。在每个边界面均施加法向约束，并以地应力和重力为主要荷载。取混凝土衬砌厚度[4-6]为400mm～1000mm，弹模为30GPa、容重为25.0×103kN/m3、泊桑比为0.2。

图2 马头门几何模型

马头门不同开挖方案取向下，初始应力场按式(1)[7]计算确定。σ0、σ分别表示整体坐标系和计算坐标系下的应力张量，而Q代表从整体坐标系到局部坐标系的变换张量。

(1)

由于马头门位于地下深处，不存在风化问题，钻孔勘探结果表明此处围岩虽存在层理，但大体均匀，且没发现明显的裂隙，因而可视为完整无裂隙的岩体。从而取定该处岩体经验系数为m=3.43、s=0.082，据此可按式(2)与式(3)[8]估计岩体材料参数：

(2)

(3)

2.2 优化计算方法及评价指标选定

马头门模拟通常使用有限元，[9-10]，考虑到计算效率，本文选用有限差分，[11]采用三维静力学弹塑性分析方法。通过逐次改变最大水平主应力与马头门巷道走向的夹角α(如图3所示，以压应力为正)，批量计算各种情况下马头门的变形与破坏情况，以此考察夹角的变化和马头门稳定的相关性。

图3 夹角取值

由试算结果以及工程经验可知，图4所示截面的变形和破坏较为集中，故此在图4中选取1～39点为监控点，同时仿照工程监测方法[12]选取式(4)所示的马头门稳定评价指标。

(4)

式(4)中UZ表示Z方向的位移，而UY表示Y方向的位移。

3 计算结果及分析

计算结果如图5所示，可得马头门稳定随α角变化规律如下：

井筒大巷和硐室的两壁收敛值均明显随α角的增大而增加。各指标值在0°～20°之间均缓慢增加，在20°～80°之间快速增长，而在80°～90°之间又趋于缓慢。整个过程数值增长近将一倍，可见夹角增加对两帮稳定影响明显。α角对顶底板收敛的影响要相对复杂。顶底板收敛值在连接处的随α角的增大而增加，而在距井筒较远处数值反而减小，说明井筒对附近顶底板位移特征存在影响。出车方向一侧的指标值变化趋势单一且数值较小，而在进车方向一侧变化趋势复杂且数值较大，说明截面收缩方式对顶底板位移特征也存在一定影响。