深部高应力硐室群围岩应力分布及破坏特征模拟研究

李昌儒，吴拥政，褚晓威，石 垚，谢 俊

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013； 3.山西潞安环能股份有限公司 五阳煤矿，山西 长治 046205)

煤矿井下硐室群普遍具有以下特点：断面尺寸大、长度短、间距小、服务时间长、巷道结构复杂等[1]。随着矿井开采深度不断加深，硐室群所处位置的原岩应力水平也不断提高，应力水平高和软弱围岩的矛盾日益突出，当硐室群处于陷落柱、断层带等复杂地质条件时，围岩更易发生破坏，产生大规模变形，使其有效支护变得更加困难[2-5]。因此，合理有效地控制围岩变形与破坏，保持硐室群的长期稳定，成为矿井建设与安全生产的一大难题。

国内学者关于硐室群稳定性方面做了大量的研究工作，康红普等[6-7]采用现场试验与测试、理论分析与数值模拟相结合的方法，对潞安集团屯留矿松软破碎井筒、车场硐室群围岩应力分布及破坏机理进行分析，提出了井下高压深孔注浆配合强力锚杆、锚索进行支护的综合加固技术，在现场得到成功应用，保证了围岩的长期稳定性。王兆坤等[8]通过ANSYS软件分析了在高应力水平、构造应力、硐室群叠加应力共同作用下，硐室群开挖后的应力集中分布情况，为支护方案的调整与优化提供了理论与科学依据，并在井下取得了良好的支护效果。姜鹏飞等[9]利用FLAC3D模拟软件研究了工作面强采动影响下，近距离密集硐室群的围岩应力演化规律，并提出了注浆锚索加固技术，现场应用表明，该技术能显著提高浅部围岩的承载力，有效控制强采动影响下密集硐室群的围岩变形与破坏。何满潮等[10]以兴安矿四水平泵房吸水井硐室群为背景，采用FLAC3D软件分析了不同开挖顺序条件下，深部软岩立体交叉硐室群围岩应力状态的力学响应及变形特性，综合比较得出立体交叉硐室群最优施工方案是先施工断面较小的支巷，再施工断面较大的主巷，对硐室群的稳定性影响最小。林惠立等[11]通过理论分析、数值模拟以及现场试验相结合的方法，对复杂地质条件下大断面硐室围岩的破坏原因和相应的控制对策进行研究，运用FLAC3D软件模拟了耦合支护后交叉硐室群的应力场、位移场及破坏特征，并对现有支护方案做出评价。王其洲等[12]以裴沟煤矿某采区泵房硐室群为背景，采用FLAC软件分析了水平构造应力对围岩塑性破坏区域分布的影响，以及硐室群结构特点对其自身稳定性的影响，得出了复杂构造区内硐室群围岩的稳定性特征，并提出了棚索协同支护技术和锚网索控底技术，且井下应用效果良好。

本文以潞安集团李村煤矿为研究背景，在地质力学测试的基础上，通过对井底车场及硐室群的开挖进行数值模拟研究，分析在高应力条件下，不同煤岩体强度硐室群开挖对周围岩层应力分布及变形破坏的影响。

1 工程地质概况

李村煤矿井田面积95.3km2，设计总规模5.00Mt/a，矿井埋深510～840m，是潞安矿区埋深较大的矿井之一，其中井底车场及附近硐室群埋深在550～600m之间。矿井主采3号煤层，位于山西组下部，厚度大，地质条件复杂，存在陷落柱、褶曲、断层、冲刷带等构造，其余煤层不稳定，均不可采。

由于3号煤层强度较低、顶底板岩性差、易风化，造成井底车场部分巷道矿压显现剧烈，在巷道岩性较差地段、巷道转角区域围岩变形量大，易发生底鼓现象，部分巷道顶板和两帮出现裂缝，出现喷层剥落等现象。

李村煤矿井底车场及硐室群布置如图1所示。

图1 井底车场及硐室群布置平面

2 地质力学测试与分析

2.1 地应力测量

采用应力解除法和小孔径水压致裂法对李村矿井11个测点进行了地应力测量，测量结果见表1。表中：H为测点埋深；σV为垂直主应力；σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；Ψ为最大水平主应力方向。

表1 李村矿井地应力测试结果

以上11个测点中，最大水平主应力大于垂直主应力的测点有10个，垂直主应力大于最大水平主应力的测点有1个；最大水平主应力小于18MPa的测点有4个，大于18MPa小于30MPa的测点有7个，且大多位于井底车场附近。由此判定，李村煤矿地应力总体上以水平应力为主，属于构造应力场类型，矿井整体上属于高应力值矿井[13]，井底车场、硐室及大巷附近属于典型的高应力区。

2.2 围岩强度测试

采用煤炭科学研究总院自主研发的WQCZ-56型小孔径围岩强度测试装置对顶板以上10m范围内的岩层进行原位强度测试，结果表明：3号煤层强度大部分集中在6～10MPa之间，平均强度为9MPa，强度波动范围较大；煤层直接顶为细砂岩，平均强度为65.6MPa，细砂岩以上为泥质砂岩，平均强度为54.6MPa；煤层底板以泥岩和砂质泥岩为主，强度较低，平均强度为30.2MPa。

2.3 围岩结构观测

采用数字全景窥视仪对6～11号地应力测试钻孔的煤岩体结构进行了窥视，分析围岩结构图得出：李村煤矿煤岩体原生弱面，包括节理、裂隙、空洞等较为发育，煤体较为破碎，完整性较差，这与煤系地层经历较多的地质运动有关。可见，李村矿井不但原岩应力高，且煤岩体强度中等偏下，结构面发育，是典型的高应力软弱围岩。

3 数值模拟计算

李村煤矿井底车场及硐室群布置区域地质构造发育，存在陷落柱、褶曲和断层等。高应力与地质构造共同作用，导致该区域不但应力高，甚至局部应力集中，而且围岩结构破碎，完整性较差。选取井底车场及硐室群进行开挖模拟，分析不同煤岩体强度下开挖导致的围岩应力分布及变形破坏情况。

3.1 模型建立及参数选取

采用数值模拟软件FLAC3D建立李村煤矿井底车场及硐室群模型，如图2所示。围岩本构模型采用摩尔-库伦模型[13]。

图2 李村煤矿井底车场及硐室群模型

通过对井底车场及大巷附近地应力测点数据进行分析，得出模型所施加的3个应力水平如表2所示，其中最大水平主应力沿模型X轴方向施加，最小水平主应力沿模型Y轴方向施加，垂直主应力沿模型Z轴方向施加，2种煤岩体物理力学参数分别如表3、表4所示。

表2 应力水平 MPa

表3 初始煤岩物理力学参数

表4 提高后煤岩物理力学参数(提高约50%)

3.2 数值模拟结果分析

选取模型各截面的塑性区分布图、围岩应力分布等值线图和三维应力分布图来分析井底车场及硐室群开挖对围岩应力分布和变形破坏的影响。截面的选取由截面的法线方向和截面通过的一点来标定。例如，为分析巷道两帮围岩应力分布，选取的截面法线方向与Z轴一致且通过巷道中部轴线位置，即过点(0，0，14)，则此截面的标定为“Z=14m”。

图3为Z=14m截面塑性破坏图(水仓有一定坡度，未完全剖出)，可以看出在硐室群开挖后，巷道两帮出现一定范围的塑性破坏区，总破坏范围一般超过巷道的跨度，在巷道拐角及硐室密集处，塑性破坏范围更大。在这些区域，围岩应力达到塑性屈服条件，巷道两帮发生塑性流动，出现剪切屈服和拉伸屈服区域，其中拉伸屈服主要处于巷道交叉点，特别是跨度较大的硐室如马头门、变电所、水泵房等处最为集中。

图3 Z=14m截面塑性破坏模拟结果

图4、图5分别为Z=14m截面垂直应力分布等值线图和垂直应力分布三维图。可以看出，硐室群开挖后，原岩应力重新分布，巷道两帮出现应力变化区，产生应力集中现象，应力集中区域沿巷道轴线分布，宽度约两倍的巷宽。在巷道拐角和交叉处，应力集中出现二次叠加，拐角内侧相比于外侧应力集中系数更高，集中范围更大。

图4 Z=14m截面垂直应力分布等值线

图5 Z=14m截面垂直应力分布三维图

通过对比可以看出，在煤岩体强度较低时，硐室群开挖后，两帮形成的应力集中区域范围较大，向两帮延深到2倍的巷道宽度处，应力集中系数较小，说明围岩的承载能力较差；煤岩体强度提高后，两帮形成的应力集中范围减小，应力集中系数逐渐变大，说明围岩的承载能力逐渐加强，巷道帮部围岩即可承受较大的支撑压力，不再向深部转移。

图6为井底车场各硐室顶板上Z=22m截面水平应力等值线图，可以看出，车场硐室群开挖后，在开挖区域上部岩层中产生4个长条形的应力集中区域，最大水平应力达到34MPa，为初始应力的1.36倍。

图6 Z=22m截面水平应力分布等值线

从应力分布等值线图看出，煤岩体强度较低时，硐室群开挖后应力集中范围大，各硐室应力集中区域相互叠加，造成更大范围的应力集中，应力集中系数也较单个硐室开挖的应力集中系数大。煤岩体强度提高后，开挖导致的应力集中范围减小，相邻硐室的应力集中叠加区域也减小。

图7、图8分别为井底车场各硐室群上部岩层Y=42m截面上的垂直应力和水平应力分布，可以看出，硐室之间的岩柱存在垂直应力集中，在开挖空间的上部岩层存在水平应力集中。其中，最大垂直应力超过30MPa；最大水平应力超过45MPa，均接近原岩应力的2倍。

对比看出，煤岩体强度相对提高后，密集开挖导致的应力集中程度有所降低，垂直应力和水平应力峰值都有所降低，应力分布更加均匀，开挖导致的煤岩体破坏范围也大大降低。由此可见，提高煤岩体强度可显著提高单个硐室的围岩强度和稳定性，减小或避免硐室之间的相互影响，这对维护硐室群的稳定性极为有利。

图7 Y=42m截面垂直应力分布

图8 Y=42m截面水平应力分布

4 现场试验与验证

结合现场条件与数值模拟结果，提出了巷道全断面注浆加固与强力锚杆(索)支护相结合的控制技术，对于部分围岩变形不是很严重的区域，采用高预应力强力锚杆支护技术即可控制围岩变形。

通过对井底车场硐室一个月内的巷道变形进行监测，顶板下沉量约20mm，两帮最大移近量约150mm，结果表明巷道顶板几乎没有下沉，两帮变形量也不是很大，采用强力锚杆(索)支护系统有效地控制了巷道围岩的变形与破坏，保持了围岩的稳定。

5 主要结论与建议

(1)地应力测试结果表明李村煤矿地应力大小总体为σH>σV>σh，以水平应力为主，属于构造应力场类型，矿井整体上属于高应力值矿井，且井底车场附近是典型的高应力区。

(2)高应力环境和煤岩体强度较低是造成围岩变形的客观因素，巷道硐室群的开挖及相互扰动进一步加剧了围岩应力的集中和围岩性质的劣化，最终使得围岩发生大变形，处于亚稳定状态。

(3)煤岩体强度提高后，硐室围岩的强度和稳定性得到明显改善，减小或避免各硐室开挖的交互影响，对于井下硐室群的稳定有很大作用。

(4)对于已掘变形巷道，可通过注浆等手段提高围岩强度和整体性来改善围岩状态[14-15]；对于未掘区域，在地质力学测试的基础上，采用合理的支护形式，尽可能减小掘进后围岩强度的降低和破坏范围的扩展，以保持围岩处于平衡的稳定状态。

(5)本次模拟结果是在所有巷道硐室同时开挖的情况下得出的，并未考虑硐室先后开挖而造成的相互扰动影响。如果考虑不同时开挖，围岩变形破坏范围会更大。