千米深井中央泵房围岩支护数值模拟研究

毕卫国，郭伟娜，林登阁

(山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

在矿井开采深度不断加深的过程中，由于巷道受到“三高一扰动”的地质影响，造成深部围岩出现大变形和难支护问题，常见的支护方式难以维持围岩稳定，因此需要采用联合支护方式来维护围岩稳定及安全[1-3]。目前，许多学者对高应力深井围岩联合支护技术进行研究分析，杨新安等[4]提出外锚内注式新型锚杆及其加固软岩巷道的新技术，并利用FLAC3D对锚注结构支护机理进行研究；王道团等[5]通过比较围岩未支护与锚注支护效果，认为锚注支护为围岩稳定提供了有力保障；范广建[6]对中央泵房围岩控制技术进行分析，认为锚注技术使泵房围岩的稳定性得到了有效控制；陆银龙等[7]通过分析破裂软岩加固后的力学性能，对软岩巷道的最佳注浆时间进行研究；孟庆斌等[8]利用FIAC3D数值软件研究了深部巷道锚注的支护原理并揭示了各种因素对围岩位移的影响规律；韩立军等[9]利用弹塑性理论对锚注加固后结构弹性区的发展规律进行分析，提出锚注加固支护后结构的极限承载力；贾志明等[10]对高应力软岩巷道提出锚注支护方式，并利用数值模拟软件分析了锚注支护方式下围岩的力学特点、位移特点和破坏特点；上述学者仅对锚注支护的支护效果进行研究分析，未充分体现锚注支护的优越性。基于此，本文以赵楼矿井围岩支护工程为依托，利用FLAC3D数值模拟软件分别对未支护、锚网喷支护、锚网索喷支护以及锚注支护结构进行模拟，并对不同支护方式的加固效果进行比较分析，得到锚注支护结构对提高泵房围岩的稳定性具有较好效果，同时也为相似条件下中央泵房围岩的支护提供一定的理论依据。

1 工程概况

赵楼矿井位于山东省菏泽市巨野煤田，地面井口标高为+45m，井底车场的水平标高为-860m。矿井的重要巷道和硐室的埋深约在905m以下，设计立井井筒包含主井、副井和风井，三个井筒的直径依次为7.0m、7.2m和6.5m，其中主井和风井的深度相同，深度为905.0m，副井深度为935.0m。

赵楼煤矿中央泵房巷道的高度和宽度依次为7.2m和6.35m，长度为43m，墙体净高度为7m，巷道断面形状为半圆拱形，巷道位于泵房通道与管子道中间。在墙体处有吸水井、配水巷及壁龛，吸水井井深为5.3m，截面形状为矩形；配水巷的高度为2.5m，壁龛高度为3.7m和2.6m，配水巷和壁龛的截面形状为半圆拱形。

在支护前，利用测试仪器对原岩地应力进行测定，测定最大主应力高达36.4MPa，故赵楼矿井位于高应力区，矿井围岩位于不稳定岩层。通过对不同断面的取样检测，认为矿井部位矿物成分差别较大，因此，对矿井硐室的支护方案须慎重选择。

2 数值模拟

建立的模拟过程为泵房开挖后，在开挖荷载全部释放后对泵房围岩未支护和支护分别进行数值模拟，由于地下存在岩层初始应力场，因此在模拟的过程中要采取以下措施[11]：①计算初始地应力作用条件下，围岩的内应力值和位移量；②将围岩内部的所有节点初始位移量化为0。本文选择模拟的支护方案共有三种：方案一，锚、网、喷支护方案；方案二，锚、网、索、喷支护方案；方案三，锚、网、索、喷、注支护方案，对不同支护方案的围岩位移、受力、塑性分布区以及锚杆(索)、混凝土衬砌的受力等进行模拟分析。

2.1 模型建立

为了使模拟效果更加接近真实结果，在建立模型的过程中，严格仿照实际探测的地质条件和按1∶1的比例建立泵房实体模型，模型按三维维度进行考虑，泵房周边围岩(x，y，z)选取范围为50m×24.45m×100m，研究区域的原点设置在中央泵房的中心位置[12]；根据经验和开采围岩相关理论，考虑埋深较大的特点，将模型上边界和水平边界加载地应力大小为实测荷载[13]；垂直载荷大小为24.5MPa，最大水平应力为36.40MPa，方向为NE80°，与泵房轴线夹角为10°，通过计算得到施加在模型X向水平地应力为24.5MPa，Y向水平地应力为29.98MPa。研究对象为深井中央泵房硐室、壁龛、吸水井、配水巷；岩层划分标准按照实际探测的岩层进行划分，岩层模型参数设置见表1。支护结构模型中锚杆、索采用cable单元，金属网及喷射混凝土采用cell单元，并对不同单元设置实际材料参数，模型选用Mohr-coulomb强度准则。为了使模拟结果更加接近真实值，在保证计算速度的条件下，适当的增加泵房和其周边围岩的网格划分密度。

表1 围岩模型参数设置

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 未支护条件下数值模拟及结果分析

中央泵房的岩体在开挖后，围岩会产生应力并且将应力释放，造成围岩内部应力进行重新分布，在泵房硐室拱顶、两墙、壁龛拱部、吸水井底部和外侧位移较大，其中，在开挖后拱顶的最大位移高达600mm，壁龛一侧墙体、无壁龛一侧墙体、吸水井底部和外侧的最大位移分别为：637mm，450mm，300mm，具体变化如图1(a)所示。根据图1(b)得到开挖后中央泵房围岩遭到严重破坏，大部分围岩进入塑性区域，围岩发生塑性剪切破坏，分析围岩破坏的主要原因为开挖后围岩的抗剪强度较小引起的。从图1(c)和图1(d)得到拱部、两墙、壁龛拱部、配水巷和拐角位置为主要的应力释放位置，最大压应力为20MPa，上述范围内围岩发生的破坏主要是由于此区域内支护强度不够造成的，故这几个区域是该工程的支护重点。

图1 围岩开挖后模拟结果图

2.2.2 方案一(锚、网、喷)支护数值模拟及结果分析

锚、网、喷支护采用规格100mm×100mm金属网孔和1000mm×2000mm金属网片，锚杆支护参数见表2。喷射混凝土为C20，水灰比大小为0.48，喷射厚度为100mm。数值模拟围岩模型中共有单元35285个，节点数目为44667个，锚、网、喷支护结构模型共有单元个数为7807个，节点个数为7240个。锚杆预应力设置为50kN。

表2 锚杆支护参数

通过对锚、网、喷支护条件下围岩应力及位移的模拟，得到支护后泵房围岩竖直方向和水平方向位移、应力，锚杆受力的模拟结果图，如图2所示。

图2 锚、网、喷支护方案模拟结果图

1)泵房围岩位移：由图2(a)看出，泵房和壁龛拱顶出现最大竖向位移，最大沉降量为279.7mm，在吸水井的底部出现最大底鼓，底鼓大小为102.2mm。由图2(b)可得，最大水平方向位移为166.8mm，出现在泵房壁龛一侧墙体位置处，而无壁龛一侧墙体水平方向位移为155.2mm，吸水井外侧向内侧变形125mm。支护效果与开挖后未支护相比，围岩变形得到了较好控制，尤其是对两墙体的位移控制，支护效果较为明显。从整体支护效果看，围岩变形量仍然偏大，大部分的喷层结构出现开裂，甚至脱落，使喷层支护结构失去支护作用。

2)泵房围岩受力：由图2(c)和图2(d)中围岩的竖直方向和水平方向应力可知，破坏区域内的应力与未支护时相比有一定程度的减小，应力控制在10MPa以下，拱顶、两墙、壁龛拱部和配水巷位置处为主要的应力释放位置。从锚、网、喷支护结构的结构特点上看，此结构未形成闭合式支护结构，造成围岩与喷层位置处应力分布不均匀，出现两种复杂受力情况(受拉、受压)。

2.2.3 方案二(锚、网、索、喷)支护数值模拟及结果分析

采用锚、网、索、喷支护方案，锚索模拟参数设置见表3，锚索与锚杆相互错开，均匀分布，锚杆、喷射混凝土与锚、网、喷方案相同，壁龛和吸水井断面混凝土衬砌厚300mm。所建立的锚、网、索、喷支护结构模型共有单元数为8452个，节点数目为8014个。

表3 锚杆、锚索支护参数设置

通过对锚、网、索、喷支护条件下围岩应力及位移的模拟，得到支护后泵房围岩竖直方向和水平方向位移、应力的模拟结果图，如图3所示。

图3 锚、网、索、喷支护方案模拟结果图

1)围岩位移：由图3(a)和图3(b)得到，最大沉降量为143mm，与锚网喷支护出现的位置相同，仍为拱顶和壁龛拱部，吸水井底部的最大底鼓量为44.5mm。壁龛位置处的直墙出现最大水平方向位移，其值为78.5mm。

2)围岩应力：在图3(c)和图3(d)中，围岩应力既有压力又有拉力，与锚网喷支护结构围岩受力相同，但围岩应力大小有了明显的降低，锚杆的应力也有所减小，这是围岩内部应力重分布造成的。

2.2.4 方案三(锚、网、索、喷、注)支护数值模拟及结果分析

采用锚、网、索、喷、注支护方案对中央泵房围岩进行支护时，锚、网、索、喷、注支护结构中的锚杆、金属网、锚索及喷射混凝土参数与锚、网、索、喷支护结构相同，注浆锚杆采用Φ22mm×2000mm，间距为1600mm×1600mm。在锚杆内注浆的主要作用是加强硐室围岩范围内的粘聚力、抗拉及抗剪强度，在对锚杆进行注浆后，取扩散半径为注浆浆液最小值，故注浆后浆液的扩散半径取1.5m[14]，岩石强度提高程度按1.5倍考虑[10]，注入锚杆的混凝土浆液采用P042.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6，注浆压力范围为1.5～2.0MPa；建立的锚、网、索、喷、注支护结构模型中共包含模拟单元个数为8965个，节点数目为8698个。

通过对锚、网、索、喷支护条件下围岩应力及位移的模拟，得到在锚、网、索、喷、注支护方案支护后泵房围岩竖向和水平位移、应力的模拟结果图，如图4所示。

图4 锚、网、索、喷、注支护方案模拟结果图

1)围岩位移：由图4(a)中得到，竖直方向上最大位移主要出现在围岩的泵房和壁龛拱部，吸水井外侧的位移为12.5mm，而其底板位置处出现最大底鼓量，其值为16.6mm，壁龛拐角处的位移有明显的减小；由图4(b)得到，泵房有壁龛和无壁龛一侧的最大水平方向位移量，其值分别为15.9mm、13.3mm。综上所述可得：泵房围岩在注浆情况下，竖直方向和水平方向的位移都有较大程度的降低，加固效果更佳。

2)围岩、衬砌受力：如图4(c)和图4(d)所示，与不注浆支护结构相比，围岩和混凝土衬砌在注浆条件下，应力分布更加均匀，注浆后围岩的受压应力维持在5MPa左右，两帮和拱部均摊荷载，并未出现拉应力和应力集中现象。

2.3 不同支护方案围岩位移和受力分析

根据模拟结果，得到围岩在不同支护条件下，位移和应力均发生不同程度的变化，具体数值见表4，利用origin数据绘图软件，对围岩在不同支护条件下位移和应力变化进行绘制，得到位移和应力的变化趋势，如图5所示。

表4 不同支护条件下围岩位移和应力值

图5 不同支护条件下围岩位移和应力变化规律

由图5看出，围岩在无支护结构时的位移和受力均大于有支护结构时的位移和受力，根据线段斜率，可以看出锚网喷支护对位移和受力的减小幅度最大，尤其是壁龛一侧墙体最大位移，与未支护相比减少了470.2mm，对拱顶、无壁龛一侧墙体、吸水井底部、吸水井外部的位移与未支护情况相比分别减小320.3mm、294.8mm、197.8mm、175mm，受力减小了10MPa；在锚索喷支护的基础上，注浆与不注浆位移和受力变化幅度也较大，注浆支护对拱顶、壁龛一侧墙体、无壁龛一侧墙体、吸水井底部、吸水井外部的位移与不注浆情况相比分别减小127.1mm、61mm、62.9mm、4.7mm、28.5mm，由此看出注浆与不注浆支护对吸水井底部最大位移减小幅度很小，但对其它围岩部位的最大位移减小幅度较大。根据锚网索喷注支护方案模拟最大位移和受力中可以看出，本次中央泵房最佳的支护方案为锚网索喷注支护方案，此支护方案不但使围岩各部位最大位移大幅度减小，且围岩受力也较小，分析原因是随着支护加固的增强，围岩区域内岩体力学性能增强，应力有所转移，使得围岩受力能力增强。

3 结 论

1)通过对不同支护方案的模拟结果进行对比，从围岩受力、位移、塑性区域分布以及支护结构的受力和位移变化等角度来验证锚、网、索、喷、注支护结构具有最佳的支护效果。泵房硐室经过锚注支护后，围岩的物理和力学性能都得到了较大改善，使支护范围内的围岩承载能力和变形能力有一定程度的增强，促使围岩具有良好的稳定性和整体性，并且提高了围岩的让压和抵抗变形的能力。

2)锚注技术的核心是高强度、高刚度、高预应力锚杆和及时支护，能够有效的控制巷道的变形，锚注支护在对锚杆同一施加相同的预紧力时，又允许巷道存在一定的变形，使围岩和支护结构形成一个整体，形成一个加固体，进一步增加了泵房围岩的整体性和稳定性，从而对减小围岩变形有利。

3)基于锚网索喷注的支护方案，有效地控制了千米深度中央泵房硐室的稳定性和安全性，达到了较佳的支护效果，推广价值大，为以后相近条件下泵房硐室围岩支护提供了一定的指导作用。