色連二礦地面交通運(yùn)輸對主斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

張 楠， 程 樺， 曹廣勇

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230022）

目前淮南礦業(yè)集團(tuán)正在鄂爾多斯地區(qū)籌建的多對礦井屬于深部煤層開采，色連二礦主要進(jìn)行侏羅系煤層開采，煤層開采的主井采用折返式斜井布置方法，其圍巖主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粗細(xì)砂巖等。由于主斜井穿越的地層上部，有一條雙車道公路，公路與主斜井在地面上的投影有兩處相交，距離井口入口的水平距離分別是49米和371米。由于該路段經(jīng)常通行大型車輛，特別是重型車輛通行產(chǎn)生的荷載將對斜井的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。為了弄清這些動荷載對斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響程度和大小，需要對其進(jìn)行詳細(xì)的分析，并根據(jù)影響結(jié)果對斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的加固對策［1］，以保證斜井支護(hù)的穩(wěn)定。

1 前 言

1．1 工程概況

主斜井井筒傾角15°，總斜長1499．1m，井口絕對標(biāo)高＋1445．0m，井底標(biāo)高＋1057m（落底于5－1煤）。初期落底于3－1煤并按規(guī)范預(yù)留20～30m的延深距離，主斜井初期斜長1232m。井筒斷面采用直墻半圓拱形式，井筒凈寬5．2m，凈高4．1m，凈斷面18．4m2。主斜井裝備1條強(qiáng)力帶式輸送機(jī)（帶寬為1．4m）擔(dān)負(fù)礦井原煤的運(yùn)輸任務(wù)，井筒內(nèi)鋪設(shè)30kg／m軌道以方便人員下井檢修維護(hù)設(shè)備，安裝無極繩絞車（帶乘人轎廂）。井筒內(nèi)敷設(shè)有1趟灑水管、1趟壓風(fēng)管，另外敷設(shè)有通信、信號、動力及照明電纜，并布置臺階和扶手，同時兼作進(jìn)風(fēng)井和安全出口。

1．2 水文地質(zhì)概況

已全部揭露白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）、部分揭露侏羅系中統(tǒng)（J2）地層。白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）:長度384．5m。從上至下分別發(fā)育以下巖石:細(xì)粒砂巖:123．5m（井口向下0～123．5m）棕紅色，夾少量土黃色，成分以石英長石為主，含泥質(zhì)包裹體，分選型中等，顆粒呈次圓狀，膠結(jié)不好，遇水軟化。含礫細(xì)砂巖:179m（井口向下123．5～302．5m）青灰色為主，局部有棕紅色薄層，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，含礫石，礫石直徑一般2－5cm，礫石密度在垂向上分布不均，膠結(jié)較好，硬度較大。砂質(zhì)泥巖:82m（井口向下302．5～384．5m）棕紅色，斷口表面呈油脂光澤，裂隙較發(fā)育，斷口平坦，上部及下部含細(xì)砂巖。侏羅系中統(tǒng)（J2）:已揭露295m。從上至下分別發(fā)育以下巖石:細(xì)粒砂巖:121m（井口向下384．5～505．5m）灰綠色夾棕紅色，厚層狀，成分以長石、石英為主，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)一般，局部夾棕紅色薄層砂質(zhì)泥巖或泥巖。易風(fēng)化造成片幫掉頂。泥巖:41m（井口向下505．5～546．5m）棕紅色，斷口表面呈油脂光澤，裂隙較發(fā)育，下部含薄層砂巖。細(xì)粒砂巖（預(yù)計192m，實際已揭露133m）:灰綠色，成分以石英、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，分選性中等，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，半堅硬，中下部含薄層砂質(zhì)泥巖。易風(fēng)化造成片幫掉頂。

數(shù)值分析在巖土工程的現(xiàn)狀及FLAC軟件在巖土工程計算方面的優(yōu)點(diǎn)

巖土材料是自然的，歷史的產(chǎn)物，工程特性區(qū)域性強(qiáng)，巖土體中的初始應(yīng)力場復(fù)雜且難以測定，土是多相體，土體中的三相有時很難區(qū)分，土中水的狀態(tài)又十分復(fù)雜。巖土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力路徑、加載速率、應(yīng)力水平、成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等有關(guān)，巖土體的本構(gòu)關(guān)系十分復(fù)雜。至今尚無工程師普遍認(rèn)可的工程實用的本構(gòu)模型，而采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型求解巖土工程問題的關(guān)鍵問題是如何建立工程實用的巖土本構(gòu)方程，這是應(yīng)面對的現(xiàn)狀，也是考慮數(shù)值分析在巖土工程分析［2］中的地位時必須重視的現(xiàn)實情況。

FLAC［3］是由美 國ITASCA 公 司 開 發(fā) 的。FLAC使用的是有限差分，應(yīng)用快速拉格朗日算法計算巖土體的穩(wěn)定性。目前，F(xiàn)LAC有二維和三維計算程序兩個版本。本文中運(yùn)用到的是FLAC3D，其具有以下優(yōu)點(diǎn):

（1）對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”［4］。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確。

（2）即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動態(tài)運(yùn)動方程，這使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。

（3）采用了一個“顯示解”方案。

2 計算模型

2．1 計算層位列表

表1 計算層位表

2．2 計算模型圖

圖1 計算模型圖

2．3 計算參數(shù)選擇

本模型采用各向同性彈性模型，由兩個彈性常量來進(jìn)行描述，即體積模量K和切變模量G。

其中，E為彈性模量；v為泊松比。

E，v都從地質(zhì)報告中得知，代入公式后得各土層體積模量和切變模量如下表2所示:

表2 土層參數(shù)

公路面荷載取4．9e6（N）

2．4 計算監(jiān)測點(diǎn)的布置

計算監(jiān)測點(diǎn)的布置如表3和圖2所示。其中A2點(diǎn)距離井口800m，A1、A3點(diǎn)分別位于A2點(diǎn)的兩側(cè)各5m；B2點(diǎn)距離井口600m，B1、B3點(diǎn)分別位于B2點(diǎn)的兩側(cè)各5m；C2點(diǎn)距離井口240m，C1點(diǎn)分別位于C2點(diǎn)的側(cè)5m。J1，J2分別公路與主斜井在地面上的投影有兩個交點(diǎn)，距離巷道進(jìn)口分別49m和371m。

表3 監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)

圖2 監(jiān)測點(diǎn)示意圖

3 計算結(jié)果

3．1 豎直方向位移及受力云圖

圖3 模型豎直方向位移、受力云圖

3．2 部分監(jiān)測點(diǎn)的位移

圖4 部分監(jiān)測點(diǎn)的位移監(jiān)測圖

3．3 部分監(jiān)測點(diǎn)的Z方向受力分布情況

圖5 部分監(jiān)測點(diǎn)豎直方向受力監(jiān)測圖

3．4 監(jiān)測點(diǎn)施力前后最大位移變化圖

圖6 監(jiān)測點(diǎn)施力前后最大位移變化圖

表4 監(jiān)測點(diǎn)施力前后最大位移量

從圖中可發(fā)現(xiàn)，施加荷載后各個監(jiān)測點(diǎn)的最大位移都有所增加，但增加量不大。C處變化較為明顯（如表4）。

3．5 監(jiān)測點(diǎn)施力前后最大應(yīng)力變化圖

圖7 監(jiān)測點(diǎn)施力前后最大應(yīng)力變化圖

從圖中可發(fā)現(xiàn)，施加荷載后各個監(jiān)測點(diǎn)的最大應(yīng)力都有所增加，A點(diǎn)增加比例較小，增加量3．69～3．81%，B點(diǎn)增加量6．27～8．28%，C點(diǎn)增加量最大，在10%左右，最大達(dá)到11．61%（如表5所示）。

4 結(jié)果分析與建議

本模型共設(shè)置8個監(jiān)測點(diǎn)，靠近于巷道上表面，分別監(jiān)測其Z方向受力大小和在Z方向產(chǎn)生的位移。通過對計算結(jié)果分析，獲得了結(jié)論，并提出建議如下:

（1）當(dāng)路面有大型車輛經(jīng)過時，位移的變化量隨深度的增加呈減弱的趨勢［5］，在監(jiān)測點(diǎn)A，B處變化量較?。槐O(jiān)測點(diǎn)C處變化量較大。

（2）當(dāng)路面有大型車輛經(jīng)過時，應(yīng)力的變化量隨深度的增加呈減弱的趨勢，在監(jiān)測點(diǎn)C處變化量最大，在10%左右；在A，B處應(yīng)力變化較小，大型車輛對巷道影響較小。

（3）在色連二礦主斜井施工時，應(yīng)加強(qiáng)C處的支護(hù)強(qiáng)度［6］，提高支護(hù)強(qiáng)度10%以上；在初期支護(hù)不變的情況下，或可采用架設(shè)金屬U型棚、加補(bǔ)錨桿或錨索等二次支護(hù)方式［7］，A、B處支護(hù)強(qiáng)度原則不變，應(yīng)加強(qiáng)對該段巷道監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)巷道受力增加明顯或變形異常，及時加強(qiáng)支護(hù)，以確保主斜井結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表5 監(jiān)測點(diǎn)施力前后最大應(yīng)力量

1 李天太，孫正義．井壁失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則及應(yīng)用分析［J］．西安石油學(xué)院學(xué)報，2002，17（5）:25－27．

2 彭文斌．FLAC3D實用教程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

3 劉波，韓彥輝．FLAC原理、實例與應(yīng)用指南［M］．北京:人民交通出版社，2005．

4 陳育民，徐鼎平．FLAC／FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］．北京:中國水利水電出版社，2009．

5 東兆星．井巷工程［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004．

6 徐永圻．煤礦開采學(xué)［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999．

7 董方庭．井巷設(shè)計與施工［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．