深井岩巷掘进中的围岩应力场的数值分析

薛华俊，宋建成，李中州，李建平，陈灿亭，程 政

（1.中国矿业大学 （北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；2.郑州华辕煤业有限公司，河南 郑州 451100；3.郑州煤炭工业 （集团）有限责任公司，河南 郑州 450000）

岩体是长期地质年代的产物，在天然状态下存在各种初始应力，如自重应力和构造应力等，初始静态应力场的存在是人类生产活动得以完成的前提条件。在未进行地下采掘工程时，整个岩层在长期的自重应力场和其它应力场的作用下处于相对稳定的原岩初始应力状态，在原岩中开掘井巷或进行回采工作后，破坏了岩体原有的应力平衡，将引起巷道附近岩体应力状态的改变并发生应力的重新分布，造成不同程度的围岩破坏与失稳，发生滑动、塌落及错位等现象，并在一定范围内形成承压和应力集中。根据弹塑性力学理论分析，开挖的巷道断面通过位移释放了部分原岩压缩变形势能；随着应力分布状态的改变和围岩发生较大变形，巷道端面的轴向应力降为0，而在距端面一定距离L处，垂直和水平应力σv和σh达到最大稳定值，此时L称为最大应力距离，并随着距离的增加，σv和σh又趋于原岩应力σv0和σh0，如图1所示。深入研究地下工程围岩破坏机理和力学环境，能使工程设计更加合理，保证井下工作人员生命安全，减少国家公共财产损失，使矿井实现高产高效［1－8］。

图1 巷道迎头应力分布状态

1 工程概况

李粮店煤矿为郑州煤炭工业集团有限公司和华润电力集团有限公司共同出资组建的年产240万t的大型在建矿井，矿井位于新郑、长葛、尉氏三地交界处，交通十分便利。李粮店煤矿西四采区回风大巷埋深800m，属于典型的地下深部巷道。巷道设计长度1275m，断面为直墙半圆拱形，巷高4.4m，宽5.2m。

针对李粮店矿的实际情况，采用美国ITASCA咨询公司开发的有限差分计算软件FLAC3D，围绕李粮店矿西四回风巷的掘进施工对巷道围岩应力分布状态的影响进行数值模拟研究，分析巷道迎头端面的应力分布状态，确定工作面端面的应力降低区、应力升高区、应力平衡区的影响范围和峰值强度的大小，指导钻爆法施工，使现场爆破掘进钻孔尽量避开高应力区，有效的减小钻孔时间，提高炮眼利用率。

2 基本模型的建立

2.1 模型建立及网格划分

FLAC3D模拟软件计算结果的正确与否与计算模型范围的选取有着直接关系，模型范围太大，白白耗费了计算机能源，模型范围太小，计算结果失真，对现场实际工程不具有指导性的意义，故计算模型范围的合理选择非常关键。根据岩石力学理论，巷道掘进后的应力影响范围约为巷道宽度的3～5倍，结合巷道具体尺寸，整个模型的长宽高尺寸分别设为60m×40m×40m。计算模型的尺寸一旦确定，网格划分数目也大概确定，计算中为了减少因网格划分造成的误差，网格的长宽比应不大于5，对于开挖巷道附近区域因重点研究，可进行网格加密处理。综上所述，为了与李粮店矿西四回风巷实际情况尽可能一致的同时考虑到模型建立的方便性和合理性，模型共划分了90160个单元和94101个节点，巷道周围模型单元长度大约为0.25m，而巷道边界处单元长度大约为1m，整个模型主要处于粉砂岩中，如图2所示。

图2 巷道模型的建立

2.2 本构模型的选取及赋值

根据岩石力学理论的分析，并结合现场测试所得的资料，本次数值分析中的围岩及巷道模型均采用摩尔库伦模型（Mohr-Coulomb Model），其力学参数如表1所示。

表1 巷道围岩物理力学参数

2.3 边界条件和加载方式

在煤矿深部巷道工程中，初始应力场通常为构造应力场和自重应力场的叠加。在FLAC3D中，边界条件的定义中并无通常的位移边界条件，而是速度边界条件，即通过设定模型边界节点的速度（通常设定边界节点某个方向的速度为零）来实现位移边界条件的控制［9－12］。

巷道模型以y轴为法线的侧面限制沿y方向水平移动，模型以x轴为法线的侧面限制沿x方向水平移动，模型底面限制各个方向移动。模型上部为自由面并施加垂直载荷P，模拟上覆岩层的压强P＝21.56×106Pa。

2.4 模拟方案确定

为了确定应力减低区、应力增高区、应力稳定区的影响范围和峰值强度的大小，从而对掘进条件下岩层应力分布规律进行研究，以及掘进工作面前方支承压力对钻爆法施工的影响进行分析。设计模拟方案如下。

1）模型运算至塑性平衡状态后，将模型位移置零。

2）巷道全断面开挖10m，不进行任何支护，初步达到平衡。

3）继续开挖20m，运算至平衡，分析巷道掘进动压对巷道围岩稳定性影响，并分析巷道端头应力分布特征。

3 模拟结果分析

3.1 巷道开挖围岩稳定性分析

3.1.1 巷道开挖10m后巷道围岩的稳定性分析

巷道开挖后巷道壁临空，由于没有施加任何径向支护，巷道围岩软岩承载能力极弱，切向荷载迅速增大超过其抗压强度而破坏，应力集中区迅速向深部转移。从巷道垂向应力分布特征可知，如图3所示，巷道围岩的垂向应力值极值为27.9MPa，应力集中系数为1.29，距离巷道表面2.1～2.8m，巷道顶底板应力状态较差，其中巷道底板呈现拉应力状态，应力极值为－0.22MPa。巷道掘进方向应力集中区距离巷道端2.5～3.5m，应力极值为26.1MPa，应力集中系数为1.21。通过巷道围岩位移分析可知，如图4所示，巷道顶板下沉量最大，为71.8mm，底板板底鼓量次之，为63.1mm，掘进工作面向巷道空间即向外鼓出，鼓出位移量为14.7mm，向外鼓出位移区域距离掌子面0.0～1.5m。由巷道围岩状态图可知，如图5所示，巷道顶底板均发生较为严重拉伸破坏，顶板最大破坏深度为2.60m，底板最大破坏深度为3.7m，巷道围岩均发生剪切破坏，其中掘进端头中部由于鼓出位移而发生拉伸破坏，破坏深度为不大于1.0m。

图3 巷道开挖10m后巷道围岩最小主应力云图

3.1.2 开挖30m巷道围岩稳定性分析

巷道继续开挖20m，巷道围岩破坏程度进一步加剧，从巷道围岩垂向应力分布特征可知，如图6所示，巷道围岩的垂向应力值极值为30.8MPa，距离巷道表面2.1～2.9m，巷道底板垂向应力为拉伸应力，极值为－0.23MPa。巷道掘进方向应力集中区距离巷道端2.5～3.8m，应力极值为26.7MPa。通过巷道围岩位移分析可知，如图7所示，巷道顶板下沉量最大，为117.5mm，底板板底鼓量次之，为65.9mm，掌子面向巷道空间即向外鼓出，鼓出位移量为10.1mm，向外鼓出位移区域距离掌子面0.0～2.0m。由巷道围岩状态分布图可知，如图8所示，巷道顶底板均发生较为严重拉伸破坏，顶板最大破坏深度为2.66m，底板最大破坏深度3.75m，巷道两帮和掘进端头均发生剪切破坏，其中掘进端头破坏深度为不小于2.0m。

图4 巷道开挖10m后巷道围岩位移云图

图5 巷道开挖10m后巷道围岩位移云图

图6 巷道开挖30m后巷道围岩最小主应力云图

图7 巷道开挖30m后巷道围岩最小主应力云图

3.2 巷道端部应力状态分析

巷道开挖破坏了岩体原有的应力平衡，将引起巷道附近岩体应力状态的改变并发生应力的重新分布，在一定范围内形成应力集中区和应力降低区。根据弹塑性力学理论分析，开掘的巷道断面通过位移释放了部分原岩压缩变形势能，随着应力状态的改变和围岩发生较大变形，巷道端面的轴向应力降为0，而竖直应力σz和水平应力σx在距端面一定距离L处达到最大稳定值，L称为最大应力距离。这里竖直应力σz＝26.1MPa，水平应力σx＝5.6MPa，L＝3.0m，并随着距离的增加，当距离增加到18.5m，又趋于原岩应力，如图9所示。

图8 巷道开挖30m后巷道围岩最小主应力云图

图9 掘进端头应力分布

4 小结

通过FLAC3D数值模拟软件对西四回风大巷模型进行数值模拟分析，可得如下结论。

1）结合西四回风巷地质情况和现场条件，建立三维模型巷道，模拟巷道掘进过程巷道围岩的稳定性，尤其是掘进工作面前方应力分布特征。巷道初始掘进10m时，巷道围岩应力最大垂向应力为27.9MPa，应力集中系数为1.29，而巷道工作面前方应力集中区最大垂向应力26.1MPa，应力集中系数为1.21，与工作面的距离为2.5～3.5m；巷道初始掘进30m时，巷道围岩应力最大垂向应力为30.8MPa，应力集中系数为1.43，而巷道工作面前方应力集中区最大垂向应力26.7MPa，应力集中系数为1.24，与工作面的距离为2.5～3.8m；

2）结合巷道端面应力分布特征，进行对比分析可知，巷道工作面前方应力分布特征0～2.0m为应力降低区，2.0～18.5m 为应力升高区，其中2.5～3.8m处为高应力区。在西四回风巷现场爆破掘进施工过程中，钻孔尽量避免布置在应力升高区有效的减小了钻孔时间，提高了炮眼利用率，使巷道掘进速度加快了30%，避免了不必要的人员伤亡和经济损失，经济效益和社会效益明显，为李粮店煤矿高产高效做出了巨大的贡献。

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