色连二矿地面交通运输对主斜井支护结构影响的数值分析

张 楠， 程 桦， 曹广勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230022）

目前淮南矿业集团正在鄂尔多斯地区筹建的多对矿井属于深部煤层开采，色连二矿主要进行侏罗系煤层开采，煤层开采的主井采用折返式斜井布置方法，其围岩主要为泥岩、砂质泥岩和粗细砂岩等。由于主斜井穿越的地层上部，有一条双车道公路，公路与主斜井在地面上的投影有两处相交，距离井口入口的水平距离分别是49米和371米。由于该路段经常通行大型车辆，特别是重型车辆通行产生的荷载将对斜井的支护结构产生影响。为了弄清这些动荷载对斜井支护结构产生的影响程度和大小，需要对其进行详细的分析，并根据影响结果对斜井支护结构提出相应的加固对策［1］，以保证斜井支护的稳定。

1 前 言

1．1 工程概况

主斜井井筒倾角15°，总斜长1499．1m，井口绝对标高＋1445．0m，井底标高＋1057m（落底于5－1煤）。初期落底于3－1煤并按规范预留20～30m的延深距离，主斜井初期斜长1232m。井筒断面采用直墙半圆拱形式，井筒净宽5．2m，净高4．1m，净断面18．4m2。主斜井装备1条强力带式输送机（带宽为1．4m）担负矿井原煤的运输任务，井筒内铺设30kg／m轨道以方便人员下井检修维护设备，安装无极绳绞车（带乘人轿厢）。井筒内敷设有1趟洒水管、1趟压风管，另外敷设有通信、信号、动力及照明电缆，并布置台阶和扶手，同时兼作进风井和安全出口。

1．2 水文地质概况

已全部揭露白垩系下统志丹群（K1zh）、部分揭露侏罗系中统（J2）地层。白垩系下统志丹群（K1zh）:长度384．5m。从上至下分别发育以下岩石:细粒砂岩:123．5m（井口向下0～123．5m）棕红色，夹少量土黄色，成分以石英长石为主，含泥质包裹体，分选型中等，颗粒呈次圆状，胶结不好，遇水软化。含砾细砂岩:179m（井口向下123．5～302．5m）青灰色为主，局部有棕红色薄层，细粒结构，含砾石，砾石直径一般2－5cm，砾石密度在垂向上分布不均，胶结较好，硬度较大。砂质泥岩:82m（井口向下302．5～384．5m）棕红色，断口表面呈油脂光泽，裂隙较发育，断口平坦，上部及下部含细砂岩。侏罗系中统（J2）:已揭露295m。从上至下分别发育以下岩石:细粒砂岩:121m（井口向下384．5～505．5m）灰绿色夹棕红色，厚层状，成分以长石、石英为主，泥质胶结，胶结一般，局部夹棕红色薄层砂质泥岩或泥岩。易风化造成片帮掉顶。泥岩:41m（井口向下505．5～546．5m）棕红色，断口表面呈油脂光泽，裂隙较发育，下部含薄层砂岩。细粒砂岩（预计192m，实际已揭露133m）:灰绿色，成分以石英、长石为主，泥质胶结，分选性中等，细粒砂状结构，半坚硬，中下部含薄层砂质泥岩。易风化造成片帮掉顶。

数值分析在岩土工程的现状及FLAC软件在岩土工程计算方面的优点

岩土材料是自然的，历史的产物，工程特性区域性强，岩土体中的初始应力场复杂且难以测定，土是多相体，土体中的三相有时很难区分，土中水的状态又十分复杂。岩土的应力－应变关系与应力路径、加载速率、应力水平、成分、结构、状态等有关，岩土体的本构关系十分复杂。至今尚无工程师普遍认可的工程实用的本构模型，而采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键问题是如何建立工程实用的岩土本构方程，这是应面对的现状，也是考虑数值分析在岩土工程分析［2］中的地位时必须重视的现实情况。

FLAC［3］是由美 国ITASCA 公 司 开 发 的。FLAC使用的是有限差分，应用快速拉格朗日算法计算岩土体的稳定性。目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本。本文中运用到的是FLAC3D，其具有以下优点:

（1）对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”［4］。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确。

（2）即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。

（3）采用了一个“显示解”方案。

2 计算模型

2．1 计算层位列表

表1 计算层位表

2．2 计算模型图

图1 计算模型图

2．3 计算参数选择

本模型采用各向同性弹性模型，由两个弹性常量来进行描述，即体积模量K和切变模量G。

其中，E为弹性模量；v为泊松比。

E，v都从地质报告中得知，代入公式后得各土层体积模量和切变模量如下表2所示:

表2 土层参数

公路面荷载取4．9e6（N）

2．4 计算监测点的布置

计算监测点的布置如表3和图2所示。其中A2点距离井口800m，A1、A3点分别位于A2点的两侧各5m；B2点距离井口600m，B1、B3点分别位于B2点的两侧各5m；C2点距离井口240m，C1点分别位于C2点的侧5m。J1，J2分别公路与主斜井在地面上的投影有两个交点，距离巷道进口分别49m和371m。

表3 监测点坐标

图2 监测点示意图

3 计算结果

3．1 竖直方向位移及受力云图

图3 模型竖直方向位移、受力云图

3．2 部分监测点的位移

图4 部分监测点的位移监测图

3．3 部分监测点的Z方向受力分布情况

图5 部分监测点竖直方向受力监测图

3．4 监测点施力前后最大位移变化图

图6 监测点施力前后最大位移变化图

表4 监测点施力前后最大位移量

从图中可发现，施加荷载后各个监测点的最大位移都有所增加，但增加量不大。C处变化较为明显（如表4）。

3．5 监测点施力前后最大应力变化图

图7 监测点施力前后最大应力变化图

从图中可发现，施加荷载后各个监测点的最大应力都有所增加，A点增加比例较小，增加量3．69～3．81%，B点增加量6．27～8．28%，C点增加量最大，在10%左右，最大达到11．61%（如表5所示）。

4 结果分析与建议

本模型共设置8个监测点，靠近于巷道上表面，分别监测其Z方向受力大小和在Z方向产生的位移。通过对计算结果分析，获得了结论，并提出建议如下:

（1）当路面有大型车辆经过时，位移的变化量随深度的增加呈减弱的趋势［5］，在监测点A，B处变化量较小；监测点C处变化量较大。

（2）当路面有大型车辆经过时，应力的变化量随深度的增加呈减弱的趋势，在监测点C处变化量最大，在10%左右；在A，B处应力变化较小，大型车辆对巷道影响较小。

（3）在色连二矿主斜井施工时，应加强C处的支护强度［6］，提高支护强度10%以上；在初期支护不变的情况下，或可采用架设金属U型棚、加补锚杆或锚索等二次支护方式［7］，A、B处支护强度原则不变，应加强对该段巷道监测，如果发现巷道受力增加明显或变形异常，及时加强支护，以确保主斜井结构的稳定性。

表5 监测点施力前后最大应力量

1 李天太，孙正义．井壁失稳判断准则及应用分析［J］．西安石油学院学报，2002，17（5）:25－27．

2 彭文斌．FLAC3D实用教程［M］．北京:机械工业出版社，2008．

3 刘波，韩彦辉．FLAC原理、实例与应用指南［M］．北京:人民交通出版社，2005．

4 陈育民，徐鼎平．FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］．北京:中国水利水电出版社，2009．

5 东兆星．井巷工程［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2004．

6 徐永圻．煤矿开采学［M］．徐州:中国矿业大学出版社，1999．

7 董方庭．井巷设计与施工［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003．