侧压系数对马头门围岩应力的影响研究

李建军

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.阳泉市南煤集团大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

侧压系数对马头门围岩应力的影响研究

李建军1，2

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.阳泉市南煤集团大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

通过三维数值模拟，研究了不同水平应力作用下马头门部位围岩应力分布规律，对马头门的开挖及支护具有一定的理论指导意义。

侧压系数；马头门；数值模拟高斯函数

马头门（井筒与井底车场巷道相连接的部分）是矿井的咽喉部位。目前对马头门施工前支护问题的研究较少，大多是在马头门出现不稳定或破坏后如何进行马头门的修复。因此研究马头门的失稳破坏机理，对于马头门的施工及支护具有较高的理论价值和实际指导意义。

1 模型的建立

1 模型构建

马头门三维模型及计算地质网格模型，见图1。赵固一矿风井马头门形状，为大型矿井最常采用的双面斜顶式；马头门位于二1煤层，顶板依次为细砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩、泥岩与细粒砂岩互层，底板为砂质泥岩、泥岩、细砂岩、砂质泥岩等岩层。为了简化计算，数值模拟中取厚度较大的岩层做为模拟对象，同时把厚度较小但岩性相近的岩层划为同一层。

1.2 岩石物理力学参数选取

数值模拟过程中，岩体参数对结果的准确性有重要的影响。地质力学评价中，分析了岩体强度参数与实验室测得岩块强度参数之间的转换关系，并计算出各层岩体的强度参数。

1.3 边界条件确定

赵固一矿风井马头门，底板标高为-525m，埋深为608m。其中表土层厚度为526.5m，基岩厚度为81.5m。表土层平均容重为1500 kg/m3，基岩平均容重为2500 kg/m3，则围岩应力为：σ=gγ1h1+gγ1，h1=9.94×106Pa=9.94MPa。应力施加在模型上部边界，模型水平边界限制x，z方向的位移；底边为固定约束，在x，y，z三个方向上无位移。模型受力和约束，见图3。

图1 马头门三维模型及计算地质网络模型

图3 模型边界条件

1.4 监测位置布置

为了分析马头门巷道的受力状态及变形规律，沿巷道轴向，即z轴方向，在z为0、5和10m的位置布置3个测面，见图4。现以测面2为例来分析马头门围岩应力的分布。

图4 马头门巷道测面布置示意图

1.5 测线的布置位置

在巷道的每个测面上布置五条测线，监测巷道底板、两帮及顶板的受力状态和位移变化，具体位置分别是y=-0.5，2.5，6，10m，见图5。

图5 巷道测面中测线布置示意图

2 不同侧压系数下马头门巷道及附近井筒应力分布规律

2.1 巷道垂直应力分布规律

图6显示不同侧压系数巷道测面2处垂直应力分布规律。从整体看，侧压系数不同时，测面2巷道的顶底板围岩深部5m处，垂直应力曲线变化较大；而在巷道的顶底板附近及两帮垂直应力曲线几乎重合，差别不大，例如y=6，2.5，0.5三条测线所示。这说明在测面2处侧压系数的变化对巷道顶底板深部围岩影响较大。从y=10测线看，距巷道中心0～10m的范围内，距巷道中心距离相同的位置，垂直应力值随λ的增大而增加；距巷道中心大于10m的范围，距巷道中心距离相同的位置，垂直应力值随λ的增大而减小。从y=-5测线看，距巷道中心8m位置是垂直应力值变化的分界点。从y=6，2.5，0.5三条测线看，测面2巷道顶底板附近及两帮，垂直应力均在距巷道中心10m处达到峰值，然后应力值减小，峰值随λ值的增大而减小。这说明测面2处巷道顶底板附近及两帮塑性区边界，距巷道中心10m左右。

从图6可看出，其应力分布形态明显呈高斯函数分布。巷道顶板10m和6m处的变化规律为：

式中各参数的取值（略），xc基本上接近于0；其它各参数随侧压系数的增大，以对数规律降低。

2.2 巷道水平应力分布规律

图6 巷道测面2处垂直应力分布

施加在模型上的竖直应力为9.94MPa，当λ值分别为0.4，0.6，0.8，1，1.2，1.4，1.6时，相应初始化在模型上的水平应力为3.976，5.964，7.952，9.94，11.928，13.916，15.904MPa。

图7显示不同侧压系数巷道测面2处水平应力分布规律。从y=10和y=-5测线看出，水平应力峰值随着λ值的增大而增大，且应力集中系数越来越大。从y=6和y=-0.5测线可以看出，在巷道顶板出现应力降低区，当入值从0.4增大到1时，应力降低区边缘位置从距巷道中心3 m增至20 m，当λ＞1时，测线上点都处于应力降低区内。这说明随着λ值的增大，巷道顶底板塑性区沿径向不断扩大，造成水平应力峰值不断向围岩深部转移。从y=2.5测线看出，随着λ值的增大，在两帮水平应力峰值沿巷道径向向围岩深部转移。

2.3 巷道剪切应力分布规律

图8显示不同侧压系数巷道测面2处剪切应力分布规律。在y=10上曲线几乎重合，峰值不随λ值的增加而变化，位置在距巷道中心6m左右，说明λ值的变化对测面2处巷道顶板深部围岩剪应力及峰值位置的影响不大。由y=-0.5测线知，剪应力底板的分布与在顶板的分布相反。峰值随λ值的增加而增大，位置在距巷道中心6m，这说明λ值的变化只影响测面2处巷道顶板深部围岩剪应力值的大小，不影响峰值的位置。

图7 巷道测面2处水平应力分布

图8 巷道测面2处剪切应力分布

3 结论

通过对不同侧压系数对马头门围岩应力分布规律的研究，得出如下结论：马头门上方垂直应力分布呈高斯函数分布，其影响范围为距巷道中心线约±10m。越靠近马头门，其上方应力变化幅度越大；水平应力的影响范围为距巷道中心线±6m，顶板上方不同层位上表现出不同的变化趋势，远离巷道应力升高，而靠近马头门则出现应力降低区；剪应力分布在顶板10m处几乎不受巷道开挖的影响，顶板6m处则出现明显的变化，而巷帮位置上影响最大，出现无规律的跳跃。

Study on the Influence of the Ingate Surrounding Rock by Horizontal Stress Coefficient

LI Jian-jun1，2
（1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024;2.Dayangquan Mine,Yangquan Shanxi 045000,China）

Using3D-numerical simulation,this article study on the distribution of the stress of surrounding rock of the ingate under different horizontal stress coefficient.The research has some theory significance for the excavation and supporting of the ingate.

horizontal pressure coefficient;ingate;numerical simulation;gauss function

TD315+.1

A

1672-5050（2010）03-0046-03

2009-11-18

李建军（1973—），男，山西孝义人，在读工程硕士研究生，工程师，从事矿山安全监测监控工作。

徐树文