張 楠， 程 樺， 曹廣勇

（安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230022）

目前淮南礦業(yè)集團正在鄂爾多斯地區(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、砂質泥巖和粗細砂巖等。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。由于該路段經常通行大型車輛，特別是重型車輛通行產生的荷載將對斜井的支護結構產生影響。為了弄清這些動荷載對斜井支護結構產生的影響程度和大小，需要對其進行詳細的分析，并根據影響結果對斜井支護結構提出相應的加固對策［1］，以保證斜井支護的穩(wěn)定。

1 前 言

1．1 工程概況

主斜井井筒傾角15°，總斜長1499．1m，井口絕對標高＋1445．0m，井底標高＋1057m（落底于5－1煤）。初期落底于3－1煤并按規(guī)范預留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條強力帶式輸送機（帶寬為1．4m）擔負礦井原煤的運輸任務，井筒內鋪設30kg／m軌道以方便人員下井檢修維護設備，安裝無極繩絞車（帶乘人轎廂）。井筒內敷設有1趟灑水管、1趟壓風管，另外敷設有通信、信號、動力及照明電纜，并布置臺階和扶手，同時兼作進風井和安全出口。

1．2 水文地質概況

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，含泥質包裹體，分選型中等，顆粒呈次圓狀，膠結不好，遇水軟化。含礫細砂巖:179m（井口向下123．5～302．5m）青灰色為主，局部有棕紅色薄層，細粒結構，含礫石，礫石直徑一般2－5cm，礫石密度在垂向上分布不均，膠結較好，硬度較大。砂質泥巖: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，泥質膠結，膠結一般，局部夾棕紅色薄層砂質泥巖或泥巖。易風化造成片幫掉頂。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。細粒砂巖（預計192m，實際已揭露133m）:灰綠色，成分以石英、長石為主，泥質膠結，分選性中等，細粒砂狀結構，半堅硬，中下部含薄層砂質泥巖。易風化造成片幫掉頂。

數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

巖土材料是自然的，歷史的產物，工程特性區(qū)域性強，巖土體中的初始應力場復雜且難以測定，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)又十分復雜。巖土的應力－應變關系與應力路徑、加載速率、應力水平、成分、結構、狀態(tài)等有關，巖土體的本構關系十分復雜。至今尚無工程師普遍認可的工程實用的本構模型，而采用連續(xù)介質力學模型求解巖土工程問題的關鍵問題是如何建立工程實用的巖土本構方程，這是應面對的現(xiàn)狀，也是考慮數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。本文中運用到的是FLAC3D，其具有以下優(yōu)點:

（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”更為準確。

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

（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 計算參數選擇

本模型采用各向同性彈性模型，由兩個彈性常量來進行描述，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

公路面荷載取4．9e6（N）

2．4 計算監(jiān)測點的布置

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

表3 監(jiān)測點坐標

圖2 監(jiān)測點示意圖

3 計算結果

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)測點的位移

圖4 部分監(jiān)測點的位移監(jiān)測圖

3．3 部分監(jiān)測點的Z方向受力分布情況

圖5 部分監(jiān)測點豎直方向受力監(jiān)測圖

3．4 監(jiān)測點施力前后最大位移變化圖

圖6 監(jiān)測點施力前后最大位移變化圖

表4 監(jiān)測點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)測點施力前后最大應力變化圖

圖7 監(jiān)測點施力前后最大應力變化圖

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

4 結果分析與建議

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

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

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

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

表5 監(jiān)測點施力前后最大應力量

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

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

3 劉波，韓彥輝．FLAC原理、實例與應用指南［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)大學出版社，2004．

6 徐永圻．煤礦開采學［M］．徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1999．

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