深井软岩硐室群合理布置的数值模拟研究

闫培显 刘 浩 周宝龙

(1. 兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东省济宁市，272000；2. 山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590)

1 工程概况

在新河煤矿-980 m二节轨道暗斜井底车场以里轨道大巷北侧布置水平泵房、变电所及水仓。泵房、变电所联合布置在3号煤层顶板以下砂岩中。泵房长度50 m，泵房内布置有5个吸水井壁龛。变电所长度60 m，水仓分内、外两仓布置，设计总长度为498 m。

2 数值模拟

受水泵房主体硐室长度限制以及水泵、电机组合预留间距的影响，确定壁龛间距在4～6 m范围内。本次模拟分为2个方案：方案1模拟同尺寸壁龛，研究两个相同尺寸壁龛在不同间距(4 m、5 m、6 m)下应力变化规律及相互影响；方案2模拟不同尺寸壁龛，研究两个不同尺寸壁龛在不同间距(4 m、5 m、6 m)下应力变化规律及相互影响。

2.1 计算模型

依据新河煤矿-980 m水平水泵房所处围岩环境建立模型，模型尺寸为50 m×20 m×30 m(长×宽×高)。水泵房主体硐室设计断面为直墙半圆拱形，宽6 m，高4 m。方案1中壁龛为直墙半圆拱形巷道，宽5 m，高1.5 m。方案2中大壁龛与方案1的壁龛尺寸相同，小壁龛为直墙半圆拱形巷道，宽3 m，高1.2 m。方案1模型由123350个单元组成，方案2模型由209631个单元组成。开挖前，对模型进行初始平衡计算，使岩层处于原岩应力状态。岩石力学参数见表1。水泵房平面布置如图1所示。

图1 水泵房平面布置图

岩层名称密度/kg·m-3弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)泥岩24558.230.271.20.63730细砂岩2563250.2083.52.1339.2泥岩24558.230.271.20.63730

2.2 模拟结果分析

2.2.1 方案1模拟结果分析

(1)垂直应力分析。两同等尺寸的壁龛在同一水平开挖，模拟获得同等断面巷道不同保护宽度下覆岩垂直应力变化YOX切片如图2所示。由图2可知，受水泵房主体硐室开挖的影响，垂直应力沿主体硐室开挖方向集中分布。壁龛间距4 m时，应力集中区域分布在壁龛左右两侧以及壁龛煤柱之间，且与壁龛掌面平行，两壁龛煤柱最大垂直应力达到40 MPa，壁龛两侧垂直应力最大达到38.5 MPa。壁龛相距5 m时，应力集中区域由外侧开始往煤柱中间移动且垂直应力增加到44.1 MPa，壁龛左右两侧垂直应力减小到36 MPa。对比5 m与6 m间距时模型垂直应力分布可知，应力变化量不大，说明间距大于5 m时围岩应力趋于稳定。

(2)围岩位移分析。同等断面巷道不同保护宽度下覆岩垂直应力变化XOZ切片如图3所示，同等断面巷道不同保护宽度下壁龛围岩位移量如图4所示。由图3和图4可知，随着保护宽度的增大，围岩位移量逐渐减小，围岩趋于稳定。相距4 m时，壁龛顶板下沉量达到1040 mm，底板底鼓量达334 mm，壁龛之间煤柱垂直于主硐室轴线方向的水平位移为1303 mm。相距5 m时，壁龛顶板下沉量减小到821 mm，底鼓量减小到308.2 mm，两壁龛之间底板变形范围缩小，壁龛之间煤柱垂直于主硐室轴线方向的水平位移减小至1052 mm。相距6 m时，壁龛顶板下沉量减小到422 mm，底鼓量减小到203.8 m，两壁龛之间底板变形范围进一步缩小，壁龛之间煤柱垂直于主硐室轴线方向的水平位移减小至838 mm。

图2 不同保护宽度下覆岩垂直应力演化云图YOX切片

图3 不同保护宽度下覆岩垂直位移云图XOZ切片

图4 同等断面巷道不同保护宽度下壁龛围岩位移量

结合不同保护宽度下覆岩垂直应力分析和垂直位移分析可知，水泵房主体硐室与壁龛连接处变形较大。随着壁龛之间宽度的增加，两壁龛之间应力集中区域由外侧开始往煤柱中间移动且应力值越来越大，两壁龛左右两侧的应力值逐渐减小。由分析可知，间距大于5 m时围岩趋于稳定。

2.2.2 方案2模拟结果分析

(1)垂直应力分析。两同等尺寸的壁龛在同一水平开挖，模拟获得不等断面巷道不同保护宽度下垂直应力变化如图5所示。由图5可知，受主体硐室开挖的影响，垂直应力沿主体硐室开挖方向集中分布。壁龛间距4 m时，应力集中区域分布在大壁龛左侧以及两壁龛之间，两壁龛煤柱最大垂直应力达到39.8 MPa，大壁龛左侧垂直应力达到36.5 MPa。壁龛相距5 m时，应力集中区域位置不变且垂直应力增加到43.2 MPa，大壁龛左侧垂直应力减小到36 MPa。相距6 m时，应力集中区域位置不变且垂直应力增加到43.9 MPa，壁龛左右两侧垂直应力减小至35.6 MPa。与同断面壁龛模拟相比，应力集中偏向于小壁龛一侧。5 m与6 m间距时垂直应力变化量不大，与同断面壁龛模型相同，间距大于5 m时，围岩趋于稳定。

图5 不等断面巷道不同保护宽度下垂直应力云图YOX切片

(2)围岩位移分析。不同断面巷道不同保护宽度下覆岩垂直应力变化如图6所示，不同断面巷道不同保护宽度下壁龛围岩位移量如图7所示。由图6和图7可知，随着保护宽度的增大，其围岩位移量逐渐减小，围岩逐渐趋于稳定，大断面硐室围岩位移量比小断面硐室要大。相距4 m时，大断面硐室顶板下沉量达1541 mm，底鼓量达531 mm，小断面硐室顶板下沉量达到924 mm，底鼓量达361 mm，壁龛之间煤柱垂直于主硐室轴线方向的水平位移为1432 mm。相距5 m时，大断面硐室顶板下沉量达到1023 mm，底鼓量达332.5 mm，小断面硐室顶板下沉量达到756 mm，底鼓量达302.5 mm，两硐室之间底板变形范围缩小，壁龛之间水平位移减小至1257 mm。相距6 m时，大断面硐室顶板下沉量达到836 mm，底鼓量达273 mm，小断面硐室顶板下沉量达到410 mm，底鼓量达219.9 mm，两硐室之间底板变形范围进一步缩小，壁龛之间水平位移减小至936 mm。

图6 不同断面巷道不同保护宽度下壁龛垂直位移云图

结合不同保护宽度下覆岩垂直应力分析和垂直位移分析可知，主体硐室与壁龛连接处变形较大，且大壁龛连接处比小壁龛连接处变形要大。与同断面壁龛模型相同，对于壁龛之间，间距越小，壁龛之间围岩体应力较小，随着间距的增大，硐室围岩变形逐渐减小。

间距大于5 m时围岩亦趋于稳定。

图7 不同断面巷道不同保护宽度下壁龛围岩位移量

4 结论

(1)等断面壁龛开挖过程中，两壁龛之间围岩体中应力分布均匀，随着煤柱距离的增加，两壁龛之间应力集中区由煤柱外侧向煤柱中间移动并逐渐增大，围岩变形逐渐减小，则在进行壁龛布置时，将壁龛间距控制在5～6 m范围内。

(2)不等断面壁龛开挖过程中，随着煤柱距离的增加，两壁龛之间煤柱中应力集中区移动不明显，但应力值逐渐增加，围岩位移量逐渐减小，与等断面壁龛开挖相同，大壁龛受小壁龛的扰动影响较大，在进行壁龛布置时，将壁龛间距控制在5～6 m范围内。

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