側(cè)壓系數(shù)對馬頭門圍巖應(yīng)力的影響研究

李建軍

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.陽泉市南煤集團(tuán)大陽泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

側(cè)壓系數(shù)對馬頭門圍巖應(yīng)力的影響研究

李建軍1，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.陽泉市南煤集團(tuán)大陽泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

通過三維數(shù)值模擬，研究了不同水平應(yīng)力作用下馬頭門部位圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，對馬頭門的開挖及支護(hù)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

側(cè)壓系數(shù)；馬頭門；數(shù)值模擬高斯函數(shù)

馬頭門（井筒與井底車場巷道相連接的部分）是礦井的咽喉部位。目前對馬頭門施工前支護(hù)問題的研究較少，大多是在馬頭門出現(xiàn)不穩(wěn)定或破壞后如何進(jìn)行馬頭門的修復(fù)。因此研究馬頭門的失穩(wěn)破壞機(jī)理，對于馬頭門的施工及支護(hù)具有較高的理論價值和實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

1 模型構(gòu)建

馬頭門三維模型及計算地質(zhì)網(wǎng)格模型，見圖1。趙固一礦風(fēng)井馬頭門形狀，為大型礦井最常采用的雙面斜頂式；馬頭門位于二1煤層，頂板依次為細(xì)砂巖、中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖與細(xì)粒砂巖互層，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等巖層。為了簡化計算，數(shù)值模擬中取厚度較大的巖層做為模擬對象，同時把厚度較小但巖性相近的巖層劃為同一層。

1.2 巖石物理力學(xué)參數(shù)選取

數(shù)值模擬過程中，巖體參數(shù)對結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要的影響。地質(zhì)力學(xué)評價中，分析了巖體強(qiáng)度參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室測得巖塊強(qiáng)度參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并計算出各層巖體的強(qiáng)度參數(shù)。

1.3 邊界條件確定

趙固一礦風(fēng)井馬頭門，底板標(biāo)高為-525m，埋深為608m。其中表土層厚度為526.5m，基巖厚度為81.5m。表土層平均容重為1500 kg/m3，基巖平均容重為2500 kg/m3，則圍巖應(yīng)力為：σ=gγ1h1+gγ1，h1=9.94×106Pa=9.94MPa。應(yīng)力施加在模型上部邊界，模型水平邊界限制x，z方向的位移；底邊為固定約束，在x，y，z三個方向上無位移。模型受力和約束，見圖3。

圖1 馬頭門三維模型及計算地質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 模型邊界條件

1.4 監(jiān)測位置布置

為了分析馬頭門巷道的受力狀態(tài)及變形規(guī)律，沿巷道軸向，即z軸方向，在z為0、5和10m的位置布置3個測面，見圖4?，F(xiàn)以測面2為例來分析馬頭門圍巖應(yīng)力的分布。

圖4 馬頭門巷道測面布置示意圖

1.5 測線的布置位置

在巷道的每個測面上布置五條測線，監(jiān)測巷道底板、兩幫及頂板的受力狀態(tài)和位移變化，具體位置分別是y=-0.5，2.5，6，10m，見圖5。

圖5 巷道測面中測線布置示意圖

2 不同側(cè)壓系數(shù)下馬頭門巷道及附近井筒應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 巷道垂直應(yīng)力分布規(guī)律

圖6顯示不同側(cè)壓系數(shù)巷道測面2處垂直應(yīng)力分布規(guī)律。從整體看，側(cè)壓系數(shù)不同時，測面2巷道的頂?shù)装鍑鷰r深部5m處，垂直應(yīng)力曲線變化較大；而在巷道的頂?shù)装甯浇皟蓭痛怪睉?yīng)力曲線幾乎重合，差別不大，例如y=6，2.5，0.5三條測線所示。這說明在測面2處側(cè)壓系數(shù)的變化對巷道頂?shù)装迳畈繃鷰r影響較大。從y=10測線看，距巷道中心0～10m的范圍內(nèi)，距巷道中心距離相同的位置，垂直應(yīng)力值隨λ的增大而增加；距巷道中心大于10m的范圍，距巷道中心距離相同的位置，垂直應(yīng)力值隨λ的增大而減小。從y=-5測線看，距巷道中心8m位置是垂直應(yīng)力值變化的分界點(diǎn)。從y=6，2.5，0.5三條測線看，測面2巷道頂?shù)装甯浇皟蓭?，垂直?yīng)力均在距巷道中心10m處達(dá)到峰值，然后應(yīng)力值減小，峰值隨λ值的增大而減小。這說明測面2處巷道頂?shù)装甯浇皟蓭退苄詤^(qū)邊界，距巷道中心10m左右。

從圖6可看出，其應(yīng)力分布形態(tài)明顯呈高斯函數(shù)分布。巷道頂板10m和6m處的變化規(guī)律為：

式中各參數(shù)的取值（略），xc基本上接近于0；其它各參數(shù)隨側(cè)壓系數(shù)的增大，以對數(shù)規(guī)律降低。

2.2 巷道水平應(yīng)力分布規(guī)律

圖6 巷道測面2處垂直應(yīng)力分布

施加在模型上的豎直應(yīng)力為9.94MPa，當(dāng)λ值分別為0.4，0.6，0.8，1，1.2，1.4，1.6時，相應(yīng)初始化在模型上的水平應(yīng)力為3.976，5.964，7.952，9.94，11.928，13.916，15.904MPa。

圖7顯示不同側(cè)壓系數(shù)巷道測面2處水平應(yīng)力分布規(guī)律。從y=10和y=-5測線看出，水平應(yīng)力峰值隨著λ值的增大而增大，且應(yīng)力集中系數(shù)越來越大。從y=6和y=-0.5測線可以看出，在巷道頂板出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，當(dāng)入值從0.4增大到1時，應(yīng)力降低區(qū)邊緣位置從距巷道中心3 m增至20 m，當(dāng)λ＞1時，測線上點(diǎn)都處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。這說明隨著λ值的增大，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)沿徑向不斷擴(kuò)大，造成水平應(yīng)力峰值不斷向圍巖深部轉(zhuǎn)移。從y=2.5測線看出，隨著λ值的增大，在兩幫水平應(yīng)力峰值沿巷道徑向向圍巖深部轉(zhuǎn)移。

2.3 巷道剪切應(yīng)力分布規(guī)律

圖8顯示不同側(cè)壓系數(shù)巷道測面2處剪切應(yīng)力分布規(guī)律。在y=10上曲線幾乎重合，峰值不隨λ值的增加而變化，位置在距巷道中心6m左右，說明λ值的變化對測面2處巷道頂板深部圍巖剪應(yīng)力及峰值位置的影響不大。由y=-0.5測線知，剪應(yīng)力底板的分布與在頂板的分布相反。峰值隨λ值的增加而增大，位置在距巷道中心6m，這說明λ值的變化只影響測面2處巷道頂板深部圍巖剪應(yīng)力值的大小，不影響峰值的位置。

圖7 巷道測面2處水平應(yīng)力分布

圖8 巷道測面2處剪切應(yīng)力分布

3 結(jié)論

通過對不同側(cè)壓系數(shù)對馬頭門圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的研究，得出如下結(jié)論：馬頭門上方垂直應(yīng)力分布呈高斯函數(shù)分布，其影響范圍為距巷道中心線約±10m。越靠近馬頭門，其上方應(yīng)力變化幅度越大；水平應(yīng)力的影響范圍為距巷道中心線±6m，頂板上方不同層位上表現(xiàn)出不同的變化趨勢，遠(yuǎn)離巷道應(yīng)力升高，而靠近馬頭門則出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)；剪應(yīng)力分布在頂板10m處幾乎不受巷道開挖的影響，頂板6m處則出現(xiàn)明顯的變化，而巷幫位置上影響最大，出現(xiàn)無規(guī)律的跳躍。

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

李建軍（1973—），男，山西孝義人，在讀工程碩士研究生，工程師，從事礦山安全監(jiān)測監(jiān)控工作。

徐樹文