深水平巷道地应力耦合效应的数值模拟分析

张 宁，高明中，经来旺，雷成祥

(1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.淮南矿业集团有限责任公司，安徽 淮南 232001)

由于经济和社会的不断发展，矿产资源的消耗不断增大，在我国煤炭资源在一次能源的生产和消费构成中所占比例较重，2010年煤炭为60%左右，估计到2050年仍将占50%以上，随着国民经济的发展，对矿产资源的需求量还将不断加大，因此，我国能源结构将长期以煤为主。而我国的煤炭开采随着浅部资源的枯竭逐渐向深部延伸，深部开采将成为我国煤炭资源的主要来源。据相关数据统计，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，徐州、平顶山、开滦、新汶、淮南等矿区部分煤矿开采深度已经超过1000m。预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000～1500m的深度。我国已探明的煤炭储量中，埋深在1000m以下的为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53%[1-4]。随着煤矿开采的不断深入，巷道围岩地质条件越来越复杂，地应力水平更高，在深部高应力状态下，巷道围岩变形量大、变形速率快、持续时间长、流变性特别突出[5-6]，在深部高应力下流变特性及其耦合效应已经成为了不得不考虑的重要问题[7]。本文利用淮南矿业集团朱集煤矿的现场实例，采用理论研究与数值模拟的方法对高应力下巷道地应力耦合显现效应进行研究。

1 地应力耦合机理分析

在巷道围岩的岩体内存在着一个对巷道支护设计具有重要影响的应力——地下巷道开挖形成的次生应力。在地下巷道群中，每个巷道开挖产生的次生应力不仅仅只影响巷道自身，而且会互相影响，次生应力与容重应力、构造应力相互耦合，使得巷道群中的每个巷道都处于一个相互影响、相互制约的复杂受力和变形的关系中。

具体表现在原有稳定巷道出现新的应力分布而发生新的变形，新挖掘巷道的变形速率在受耦合效应影响位置的变形比整个巷道的变形出现明显严重等情况。

2 实例分析

2.1 工程概况

朱集煤矿是两淮地区唯一一个4井筒均超千米的超深矿井，高地压、次生地压、软弱围岩性质三方面相互耦合作用使得巷道底臌十分严重，在深井巷道掘进中次生应力的相互耦合作用是以煤岩体为载体，岩层的物理力学特性既受次生应力扰动的影响，又直接影响次生应力的耦合显现效应。在深井高地应力状态下，巷道掘进的冲击凿岩和爆破作用首先要扰动围岩的原应力状态产生次生应力作用，引起应力重新分布。巷道围岩向掘进空间的卸载变形大小可以反映地应力与次生应力的耦合显现程度；掘进和围岩卸载引起的次生应力大小和扰动范围都与岩体的抗拉、抗压和卸载特性有直接关系,特别是次生应力在邻近巷道显现所具有的时效性与围岩的流变特性有较大关系。岩层的物理力学特性复杂，岩样试验检测和现场变形监测都有较大局限性，为直观了解深井高地应力状态下巷道掘进开挖引起的应力重分布结果和巷道掘进的空间位置关系对地应力与次生应力的耦合显现的影响关系，采用数值模拟计算分析，可为深井高地应力下巷道掘进次生应力在相邻巷道群的显现效应分析提供依据，对合理设计地下巷道的相互位置和减小超深井巷道掘进的相互影响具有重要意义。

2.2 有限元数值模型

FLAC3D(Fast Lagrang ian Ana lysis of Continua)软件是美国ITASCA咨询集团根据拉格朗日元法设计的、在其二维产品FLAC2D的基础上拓展的、专门针对岩土体问题开发的计算软件，可用于有关边坡、基础、坝体、隧道、地下采场、洞室等的应力分析，可实现对岩石、土和支护结构等岩土工程建立高级三维模型, 进行复杂的数值分析与设计等, 具有应用广泛、运行速度快、功能强大等特征[ 8-13]。

根据朱集矿目前的矿井建设现状和工程地质条件，以正在掘进施工的11-2煤层运输顺槽巷道对既有顶板岩层巷道运输顺槽高抽巷的稳定影响建立三维计算分析模型。为简化计算模型，地层取煤层、泥岩、粉砂岩和砂岩，煤层底板只简化成粉砂岩，顶板简化为泥岩、粉砂岩和砂岩，取室内实验检测到的力学性能参数。

岩体本构模型及参数选择：朱集矿深井现状岩体的力学性质具有高度的易变性和离散性，寻找简单且适用的模型是非常困难的，考虑到研究问题的特殊性，采用Mohr-Coulomb模型，模拟计算的岩体力学参数如表1所示。

表1 模拟计算选用的岩体力学参数

计算模型参数如图1所示，计算网格划分情况如图2所示。

2.3 模拟计算结果分析

2.3.1 深井地压下开挖顺槽高抽巷的围岩应力与位移分析

经过模拟计算分析，在目前矿压条件下开挖顺槽高抽巷且尚未支护时，围岩的最大竖向压力在巷道帮底部，压力可达43.7MPa，见图3；最大竖向位移在巷道顶部为35.1mm，见图4，巷道底臌为37.9mm，最大水平位移在帮部为19.2mm。

图1 顺槽与高抽巷计算模型参数

图2 顺槽与高抽巷应力耦合计算模型网格划分

图3 顺槽高抽巷开挖的竖向应力分布

图4 顺槽高抽巷开挖的竖向位移云图

2.3.2 顺槽煤巷开挖到顺槽高抽巷下方接近计算断面的围岩的应力与位移分析

经过模拟计算分析，在目前矿压条件下开挖顺槽煤巷，顺槽高抽巷采用强化棚腿与锚喷支护方案后，围岩的最大竖向压力仍在巷道帮底部，压力可达44.4MPa，见图5；最大竖向位移在巷道顶部为33.7mm，最大水平位移在与顺槽煤巷靠近的帮部为15.7mm，见图6；巷道底臌为37.0mm。模拟结果说明开挖次生应力对顺槽高抽巷有影响。采用该支护方案，有效控制了巷道的变形。

图5 顺槽开挖接近高抽巷时围岩竖向应力云图

图6 顺槽开挖接近高抽巷时围岩水平位移云图

2.3.3 顺槽煤巷开挖通过顺槽高抽巷计算断面后的围岩的应力与位移分析

经过模拟计算分析，在目前矿压条件下开挖顺槽煤巷，顺槽高抽巷采用强化棚腿与锚喷支护方案后，围岩的最大竖向压力仍在巷道帮底部，压力值变化不大，见图7；最大竖向位移在巷道顶部为35.7mm，巷道底臌为33.0mm，见图8；最大水平位移在与顺槽煤巷靠近的帮部为15.8mm，见图9。模拟结果说明顺槽煤巷开挖通过后次生应力对顺槽高抽巷的影响有所加大，但不是太明显。

图7 顺槽开挖通过高抽巷时围岩竖向压力云图

图8 顺槽开挖通过高抽巷时围岩竖向位移云图

图9 图顺槽开挖通过高抽巷时围岩水平位移云图

3 小结

朱集矿千米深井高地应力条件下，地应力与巷道掘进次生应力的耦合作用在邻近巷道群中有明显的显现效应，会引起邻近巷道的压力增加，既有支护结构的收敛变形量和变形速率都明显增大。

通过数值模拟分析得出：朱集矿的顺槽煤巷开挖对上部顶板岩层顺槽既有高抽巷道有次生应力的影响，与顺槽煤巷较近的右帮下部都出现压胀变形，顶板位移也增大；采用设计的强化支护方案可有效控制巷道变形，抵抗开挖次生应力的耦合作用效应。

深井高地应力下煤层开挖巷道引起的次生应力耦合作用最大，其次是顶板巷道；深井高地应力下煤层和顶板拱形巷道的失稳破坏都以相邻帮部的膨胀变形失稳为主，巷道支护应以强帮抑制膨胀变形为主要措施，增大帮部围岩的自承能力和有效控制侧帮变形。

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更正

由于笔者原因，《中国矿业》2013年第22卷增刊《海南省海岸主体功能区二级区划评价指标体系构建：以三亚为例》一文中第199页左栏第1、2行内容和参考文献有误，更正如下。①第199页左栏第1、2行。原文：利用熵权法，对原始数据进行处理，首先进行标准化处理(表3)。更正为：利用熵权法[21]，对原始数据进行处理，首先进行标准化处理(表3)。②参考文献增加21篇。[21]周朝阳，宋锐林.基于熵权法的生态决策设计模型[J].当代经济，2008，10(上)：160-161.

中国矿业杂志社编辑部