（地质工程专业论文）深立井连接硐室群动态响应规律的模型实验研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国经济的飞速发展，对能源的需求不断加大。为此，两淮地 区掀起了前所未有的建井高潮。由于两淮地区煤层埋藏较深、地压大、地质条件 复杂，在建井期间，经常发生地下事故，造成经济损失和人员伤亡。为了安全考 虑，对深井的研究刻不容缓。 煤矿深井硐室群系统( 特别是马头门) 位于矿井的咽喉部位，设计断面大，在 连接硐室群的施工过程中，围岩反复受到扰动，这不仅影响了施工期内围岩的应 力、破损区、硐室周边位移，而且还影响到井筒与硐室群系统在运行期中的稳定 性。本文通过数值模拟的方法，设计了不同的动态过程，分析深立井底大断面巷 道及其硐室群的结构力学特性，而且利用二维相似模拟实验对数值模拟进行补充， 直观形象地反映在动态作用下深井硐室群系统所受到的扰动。另外结合淮南朱集 煤矿副井的现场监测数据综合，考虑了影响巷道围岩变形的各种因素，揭示马头 门结构围岩的动态变形破坏机理，根据受力特点得出有利于围岩稳定的开挖顺序 方案。对今后深立井连接硐室的设计与施工有定的参考价值。 关键词：硐室群系统；马头f - j ；f l a c 3 d ；相似模拟实验 摘要 a b s t r a c t d u r i n gt h er e c e n ty e a r s ，i no r d e rt os e t t l et h ep r o b l e mo fe n e r g y ss c a r c i t y , aw a v e o fn e w m i n e s c o n s t r u c t i n gh a sb e e ns t a r t i n gi nt h en o r t ha n dt h em i d d l ep a r to fa n h u i p r o v i n c e b e c a u s et h ec o a lb u r i e dd e e p ，t h eg r o u n dp r e s s u r ei sh i g ha n dt h eg e o l o g i c a l c o n d i t i o ni sc o m p l e x ，a c c i d e n t so 俞e nh a p p e na n db r i n gu sn o to n l ye ? a ) n o m i cl o s s e s b u ta l s oc a s u a l t i e s f o rs e c u r i t y 托a s o n s ，i t sn o ta l l o w e dt od e l a yt h es t u d ya b o u t c h a m b e r ss y s t e mi nd e e pw e l l t h ej o i n tb e t w e e nc o a lm i l l ew e l la n dt u n n e l ( h o r s e h e a d ) l o a d e di nd e e pw e l l s k e yp o s i t i o n i t sc r o s s s e c t i o ni sh i g h e ra n dw i d e rt h a ng e n e r a lm n n e l s ，s ow h i l e e x c a v a t i n g ，t h ec o u n t r yr o c ki sd i s t u r b e da g a i na n da g a i n i nt h em e a n t i m e ，c o u n t r y r o c k ss t r e s s ，b r o k e na r e aa n dd i s p l a c e m e n tt i t lei n f l u e n c e d m o r ed a n g e r o u s ，t h ew e l l s l 斌a n dc h a m b e rs y s t e m ss t a b i l i t yc a n tb ee n s u r e d t h i sp a p e rd e s i g n sd i f f e r e n t d y n a m i cp r o c e s st os t u d yt h es t r u c t u r a ls t r e s sl a wo fc h a m b e r ss y s t e mw h i c hl o c a t e da t t h eb o t t o mo fd e e pw e l l 。i na d d i t i o n , s i m i l a rs i m u l a t i n ge x p e r i m e n tr e f l e c t st h e p h e n o m e n o no fc h a m b e r ss y s t e m sd i s t u r b i n g m o r eo v e r , a c c o r d i n gt os e c o n dw e l lo f a c t u a lm e a s u r e m e n td a t ao fz h u j ic o a lm i l l ei nh u a i n a 玛d i s c l o s u r eh o r s e h e a d s d y n a m i cd e f o r m a t i o nd a m a g el a wf r o md i f f e r e n tk i n df a c t o re f f e c tt h ec o u n t r yr o c k a n dg e tt h ec o n s t r u c t i o np r o g r a mi nf a v o ro fc o u n t r yr o c k ss t a b i l i z a t i o n t h es t u d yh a s h i g hr e f e r e n c ev a l u et og u i d et h ef u t u r ed e s i g n a t i o na n dc o n s t r u c t i o no fd e 印s h m c h a m b e rs y s t e m k e y w o r d s ：c h a m b e r ss y s t e m , h o r s e h e a d ，f l a c 3 d , s i m i l a rs i m u l a t i n ge x p e r i m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位敝作者张丝日期：哔“月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：么趔 导师签名： 签字吼矿产，月日 签字日期：抄叠7 年6 月7 日 第1 章绪论 1绪论 1 - 1 选题依据 1 1 1问题的提出 煤矿立井井简连接硐室群系指马头门( 井筒与井底车场大巷相连接的部分 ) 、马头门上下段井筒及其附近的其它硐室或巷道( 如副井有等候室通道、变电 所通道、操纵硐室、推车硐室、信号硐室以及管子道等；主井有胶带运输巷、箕 斗装载硐室等) 。由于该连接硐室群( 特别是马头门) 位处矿井的咽喉部位，设计 断面大，在施工连接硐室群过程中，围岩反复受到扰动，不仅影响了施工期内围 岩的应力、破损区、硐室周边位移，而且还影响到井筒与连接硐室群在运行期中 的稳定性。特别是近几年，随着我国对煤炭需求量的增加，开采强度不断加大， 进行深井开采的矿井越来越多，如淮南矿区新建的特大型矿井中绝大部分第一水 平接近千米，朱集煤矿第一水平就达11 0 0 m 。由于井筒深( 7 0 0 m - l o o o m ) 、地压 大、地质条件复杂、缺乏正确的理论指导，设计与施工工艺存在较大的盲目性， 造成马头门及其附近井壁破坏的现象时有发生，有的还造成人员伤亡，给煤矿造成 了巨大的经济损失，严重威胁了矿井安全生产口1 。 煤矿立井井筒连接硐室群容易发生破坏是自然因素、本身结构特点以及人为 的工程因素等多种原因叠加造成的。一是该硐室群位于复杂岩体中，受到地质条 件、初始地应力、岩体的力学特性等不确定自然因素的影响；二是马头门作为与 井筒连接的最重要的巷道，不但具有断面大，多需分布开挖的特点，而且因其在 设计上与井筒刚性连接，开凿井壁施工马头门必将在其上部产生应力集中，恶化 了马头门及其上下部位井壁的受力状态；三是井筒连接硐室群的旌工是一个开放 的、动态的系统工程，马头门本身的分步开挖施工，以及在马头门侧墙开挖施工 其它硐室或巷道，是对其围岩的不同部位，时而做加载时而做卸载的复杂的加卸 载过程，对非线性岩体而言，则意味着作用在围岩上各部位的应力途径和应力历 史不同，这将对立井井筒连接硐室群处围岩稳定性产生严重影响。因此，研究马 头门稳定性与支护时，不能简单的根据岩体的自然地质条件，把其作为一个独立 的静态问题，而是应把立井井筒、马头门以及其它相关硐室群作为一个开放的、 动态的系统，不但要考虑自然地质因素，如地应力、岩体力学特征、地下水等， 而且更要考虑施工过程人为因素，如岩石开挖方式、支护形式、硐室( 巷道) 施 第1 章绪论 工顺序等对井筒连接硐室群围岩稳定性的影响幢悯h 1 。 1 1 2 国内外研究现状 国内外对井筒马头门及其附近井壁的破坏机理和支护方式进行了一些有益的 研究。波兰针对在该国卢布林煤田畸1 ，井筒深度大( 8 0 0 m 左右) ，围岩松软，新 建矿井采用高强钢筋混凝土支护屡屡发生破坏的现象，由布多科普矿井建设研究 和发展中心研究提出了一种新型钢框架马头门，并应用于8 个煤矿立井，取得了 较好的效果，但在理论上开展的研究工作较少；前苏联矿山测量研究院阿依苏尔 柯夫通过三维光弹模型试验对立井马头门围岩应力分布情况进行过研究，但是由 于模型尺寸较小，且为弹性介质，无法模拟软弱围岩深立井井筒连接硐室群的真实 情况，研究成果在应用上受到较大限制。 国内原阜新矿业学院( 辽宁工程科技大学) 在上世纪九十年代，针对当时我 国新建的一些围岩条件较差的大中型矿井，诸如淮南潘一矿一号井、阜新王家营 立井、龙口北皂矿、大屯张双楼矿等( 埋深均在4 0 0 “0 0 m 之间) 立井马头门相 继出现围岩和支护失稳破坏现象，采用相似模型试验和数值分析的研究方法，研 究了埋深为4 0 0 m ，一次开挖全断面，不考虑支护形式条件下马头门应力分布规 律，得到因受井筒和巷道的共同影响，在马头门围岩内部存在一个“应力变化区 ； 支护技术对马头门围岩稳定性有重要影响；被动式支护形式一般不影响围岩应力 分布状态等结论佟3 。吴翔天、谷栓成以亭南矿副并为研究对象( 埋深4 0 2 m ) ，采 用a n s y s 有限元软件对马头门围岩稳定性进行了数值模拟分析订1 。刘延生，赵 景忠等人针对唐口煤矿千米深井马头门及其上下部位井筒变形发生严重破坏现 象，从工程的角度分析了变形破坏的机理，提出了全部拆除破损井壁及马头门碹 体后，重新进行支护的修复方案，收到了较好的效果隅1 。 1 2 研究内容 1 适应深立井连接硐室群岩层力学特性的本构关系和强度准则； 2 深立井连接硐室群围岩动态力学响应计算模型； 3 深立井连接硐室群动态开挖力学响应数值模拟分析； 4 考虑旌工全过程的深立井连接硐室群二维相似模型试验； 5 考虑深井自然地质和人为工程( 开挖顺序、支护形式等) 等因素的全局优 化方法。 2 第1 章绪论 1 3 研究方法和路线 对于研究对象采用理论分析、数值模拟、相似模拟实验与现场实测相结合的 研究方法，按照以下步骤完成： 1 收集朱集矿副井已有的地质资料，并对现场岩石进行力学性能试验，运用 弹塑性建立其本构关系； 2 采用a n s y s 有限元软件建立深立井连接硐室群三位数值分析计算模型， 导入f l a c 3 d ，考虑不同开挖顺序进行模拟计算，分析连接硐室群围岩动态经时 受力机理； 3 制作二维相似模拟实验模型，在开挖的动态过程中研究系统的应力应变； 4 深立井连接硐室群围岩收敛的现场实测； 5 以现场实测数据为依据，验证理论研究、数值模拟和模型试验的正确性。 技术路线： 围岩物理力学性能试验 建立嗣岩本构关系 深立井连接硐室嗣岩动态 经时受力机理的数值模拟 深立井连接硐室 群相似模拟实验 深立井连接硐 室群现场实测 现场实测验证数值模拟、模 型实验和理论研究的正确性 3 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 2 深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵 循的基本方程和相应的定解条件。但能利用解析方法求出精确解的只是少数。对 于大多数非线性和几何形状不规则的问题，采用解析方法求解时，只能通过对问 题的简化方式求解，往往产生较大的误差甚至错误的结论。因此入们就寻找和发 展了另一种求解复杂问题的有效途径的方法一数值模拟解法。特别是近三十年 来，随着计算机的飞速发展和广泛应用，数值模拟已成为求解科学技术问题的主 要工具。 目前，具体的数值模拟方法有很多种，如有限差分法，有限单元法、边界单 元法、离散单元法等。这些方法在不同的应用领域内起着重要作用。数值模拟有 着其它研究方法无法比拟的优越性。它可以考虑众多影响因素，进行多方案的快 速对比，在参数敏感性分析中具有明显优势。此外，很多数值模拟软件具有强大 的前处理和后处理功能，显著提高了输入和输出结果的可视化程度。以上特点决 定了数值模拟方法应用的广泛性。目前已在矿山、土木工程、机械、航天等领域 均被广泛采用。 在地下工程方面，随着工程建设规模和复杂程度的不断加大，地下工程所面 临的荷载、岩石性质，边界条件等也愈加复杂。本文需要研究的深立井硐室群系 统是个复杂的结构体，研究不同的动态过程对其的影响，数值模拟的方法无疑是 一种有效的途径p 1 。 2 1数值模拟程序简要n 们、 本节主要对有限差分数值计算软件f l a c 3 d 的理论进行了阐述，为下一章节 运用f l a c 3 d 进行分析和计算提供了理论依据。主要内容包括： 1 f l a c 3 d 计算程序简介； 2 f l a c 3 d 的基本原理及特点； 3 f l a c 3 d 的计算步骤； 4 f l a c 3 d 与其他数值方法相比的异同点； 5 f l a c 3 d 中的基本本构模型。 2 1 1f l a c 3 d 程序简介 f l a c 3 d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n3 d i m e m i o m ) 是由美国i t a s e a - 4 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 c o n s u l t i n gg r o u pi n c 开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材 料的三维力学行为。f l a c 3 d 将计算区域划分为若干六面体单元，每个单元在给 定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服 或产生塑性流动，则单元网格及结构可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的 拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。f l a c 3 d 采用了显式有限 差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模 拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形 分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。f l a c 3 d 与基本离散元法相似， 但它克服了离散元法的缺陷，吸取了有限元法适用于各种材料模型及边界条件的 非规则区域连续问题解的优点。f l a c 所采用的动态松驰法求解，不需要形成耗 机时量较大的整体刚度矩阵，占用计算机内存少，利于在微机上求解较大规模的 工程问题。同时，f l a c 3 d 还应用了节点位移连续的条件，可以对连续介质进行 大变形分析。 f l a c 3 d 程序可以模拟线性、非线性等多种材料模型，可以模拟实际工况分 期开挖、回填，以及锚杆、混凝土衬砌等支护手段。f l a c 3 d 具有较强的前、后 处理功能，能快捷地形成计算网格和整理所需数据成果和图表。 2 1 2f l a c 3 d 的基本原理 f l a c 3 d 的求解使用了如下3 种计算方法：( 1 ) 离散模型方法。连续介质被离散 为若干互相连接的六面体单元，作用力均被集中在节点上。( 2 ) 有限差分方法。变 量关于空间和时间的一阶导数均用有限差分来近似。( 3 ) 动态松弛方法。应用质点 运动方程求解，通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。 1 空间导数的有限差分近似 在f l a c 3 d 中采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元的集合 体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点的常应 变四面体的集合体，变量均在四面体上进行计算，六面体单元的应力、应变取值 为其内四面体的体积加权平均。 如图所示四面体，节点编号为l _ 4 ，第n 面表示与节点n 相对的面，设其内 任意一点的速率为，则由高斯公式得 j 一d y = j _ 以谬 ( 2 - 1 ) 矿s 式中：矿为四面体的体积，s 为四面体的外表面，刀，为外表面的单位法向向量 5 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 分量。对于常应变单元，为线性分布，i t ，在每个节点4 面上为常量，由式 ( 2 1 ) 可得： 2 一土3 v , - i 衫s ( 2 - 2 ) 式中：卜表示节点，的变量 ( 矿一表示面l f 的变量 节点4 图1 四面体图 f i g lt e t r a h e a r o na b r i d g e dg e n e r a lv i e w 2 运动方程 f l a c 3 d 以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方 程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式： 盟：f ( ：t ) ( 2 - 3 ) j = 一 o tm 。 式中只f ( f ) 为在t 时刻l 节点的在i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出： 研为1 节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳定，而 在分析动态问题时则采用实际的集中质量。将式( 2 3 ) 左端用中心差分来近似，则 可得到 嘭l + 爿= l - 匀+ 字缸 ( 2 4 ， 3 应变、应力及节点不平衡力 f l a c 3 d 由速率来求某一时步的单元应变增量，如下式： 锄= 寺( h ，+ v j ，f 逾 ( 2 5 ) 式中速率可由式( 2 - 2 ) 近似。有了应变增量，即可由本构方程求出应力增量， 各时步的应力增量叠加即可得到总应力，在大变形情况下，还需根据本时步单元 6 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 的转角对本时步前的总应力进行旋转修正。然后即可由虚功原理求出下一时步的 节点不平衡力，进入下一时步的计算，其具体公式这里不在赘述。 4 阻尼力 对于静态问题，f l a c 3 d 在式( 2 - 3 ) 的不平衡力中加入了非粘性阻尼，以使系 统的振动逐渐衰减直至达到平衡状态( 即不平衡力接近零) 。此时式( 2 3 ) 变为 掣：掣堡! ( 2 - 6 ) o = _ 二：_ 二- = j ：l f 阻尼力 o ) = 吨i e 。( f ) i s 轫( ) ( 2 7 ) 式中：口为阻尼系数，其默认值为0 8 ；而 i + 1 ， o ) s i g n ( y ) = 卜l ，( y o 则说明张拉破坏，一，彰，可用式( 2 3 2 ) 计算；( 一，一) 位 于破坏准则曲线以下，则没有塑性变形发生，新的主应力即为一，i = 1 , 2 ，3 。 l ，1 + _ ! ， d o m a i n 2 + 彻 _ 7 一 。 0 1 v ， + 图5m o h r - c o u l o m b 流动准则中的区域划分 f i 9 5z o n ed i v i s i o no fm o h r - c o u l o m bf l o wg u i d er u l e 2 2 马头门施工过程模拟m 1 2 2 1工况概述 本文以安徽淮南朱集矿副井作为研究对象。 朱集煤矿副井井筒设计净径8 2 m ，9 0 6 m 马头门位于井筒的东、西侧，标 高为- - 8 8 4 o 一9 1 3 5 m 段( 含井筒加固段) ，该段井壁厚7 0 0 r a m 。马头门位置的 主要岩性为铝质泥岩、粉砂岩、中砂岩中。 1 4 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性敷值模拟 - 9 0 6 m 马头门设计为直墙半圆拱形，箍工长度为东马2 3 m 、西马4 8 m 。设计 支护形式为锚网喷与现浇单层钢筋混凝土联合支护，支护参数为：锚杆： 0 1 8 x 2 2 0 0 m l n 。间捧距8 0 0 8 0 0 r a m ，梅花状布置；钢筋网；蚴1 5 0 x 1 5 0 ；喷砼 c 2 0 ，厚度1 0 0 m m ：钢筋规格：纵筋0 1 8 2 5 0 x 2 5 0 、环筋0 2 0 2 0 0 x 2 0 0 ；砼强 度：c 4 5 ，厚度7 0 0 m m “4 0 。 朱集副井马头门结掏加固圉见图8 、图9 。 由于煤矿立井井筒连接硐室群动态觑律的研究不仅要考虑自然地质因素，如 地应力地下水，结构面等，还要考虑拖工过程中的人为因素，如：硐室和巷道 的开挖顺序、支护形式等。由于本文主要考虑井简、硐室和巷道的不同开挖顺序 对地下硐室群围岩稳定性的影响情况，固略去结构面。另外，本文模拟只研究马 头门动态的前期规律，故将部分后期开挖的硐室省略。 2 2 2 模型的建立m 帅” 由于马头门结构复杂，用有限元软件a n s y s 建立模型，然后导入f l a c 3 d 进行计算。 网格以井筒底部中心线垂直向下1 9 6 m 为模型坐标原点，垂直向上为z 轴正 方向，西马沿x 轴负方向，末马沿x 轴正方向，正北方向为y 轴负方向，模型 关于面x o z 对称。模型共划分为1 0 0 2 5 2 个单元，9 9 2 9 1 个节点。其中西马头门 长1 5 r a ，巷道长4 5 m ：东马头门长1 3 m 巷道长2 7 m 。在井筒西侧8 h a 和井筒东 侧1 5 m 处设两个硐室，分别命名a 硐室和b 硐室，模型结构如圈6 和图7 所示“ 图6 模型整体田 f 蛳t h e w l a o l e m o d e l 第2 章探立井硐室群动态三雏弹塑性数值模拟 _ 表1 糊砂岩单轴抗压强度裹 ! 兰! ! ! ! ! 些苎：! 竺型磐! 竺巴望塑塑磐鲤 编号 尺寸( r a m )外荷载( k n ) 抗压强度( m p a ) 粉细砂岩的弹性模量为1 1 3 g p a ，泊松比为0 2 5 ，密度为2 5 5 0 k g m 3 。 模型选用弹塑性模型，在f l a c 3 d 中选用m o b 山山o m b 本构模型。 2 2 4 边界条件和初始应力嘲。1 在建立模型时，已经考虑到深立井硐室群的动态影响范围，模型边界都在硐 室群5 倍半径以井。用f i x 命令将除去顶面的其它5 个面的位移指定为0 。其顶 面位于地下约8 6 6 m 处，施加自重应力。在深井中，岩石的所受到的水平应力一 般要比垂直应力大咖，根据数值模拟软件的运用经验，模拟中指定水平应力与垂 直应力的关系为：口。= 4 0 = o 二。 第2 章深立井硐室群动卷三维弹塑性数值模拟 ii；鼍ln翟一e暑兰舌苫idg口晷“ ；：田旧器枨ih辚鼍蟥匝 塑! 兰燮茎塑塞壁垫查三丝壁望丝墼堡燮一一一一 - 1 8 亏暑on翟i8吾青j0l置尝鱼 墨罐掌裱ik骥群求小匝 第2 章潦立井硐室群动态三雏弹塑性数值模拟 2 2 5 模粗方案 本文模拟部分主要是为了研究动态过程中深井底部( 井筒、马头门、巷道和 硐室围岩及其支护结构) 所受的影响，设计多种方案比较分析，选择了不同的开 挖支护顺序。其中马头门，巷道和硐室的支护结构使用一次支护，井筒的支护都 选用二次支护，其中参数见朱集煤矿副井工程概况各方案设计见图l l 2 3 模拟结果分析 2 3 1 应力分析 根据f l a c 3 d 对深立井系统的模拟。观察马头门部位的应力分布图 图1 0 西马头门支护结构水平应力分布围 f i g l 0 $ 1 w o f ts m m 、t 瑚伽s t r e s sd j 。n i 蛐o f t h c n h o r s e b d 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图1 1 模拟方案 2 0 - 第2 章深立井硐室群动态三雏弹塑性数值模拟 围1 2 西马头门支护结构竖向应力分布圈 f i g l 2s 呷p o n 由u c h 鹏v e r t i c a lg h 鹳d f i 击i b u l i o no r m 恻h 0 艘删 固1 3 西马头门立护结构量太主应力分布图 f i g l 3s u p p o n s m a m m 皿i n c i p a ls t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e w e s t h o r s e h e a d 根据模拟应力分布图l o 、1 2 、1 3 显示，马头门支护结构的最大主应力发生在 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 拱圈与直墙相接部位、两端墙角处，这四处为应力集中区。其中承平应力最大值 为1 9 5 8 i 协o a ，竖向应力最大值为1 45 1 m p a ，最大主应力为2 2 8 6 m p a 。 2 32 位移分析 翻1 4 蓖马头n 支护结构下匮岩木平位移分布圈 f i 9 1 4s u r t o , a , a , i n gr o c k s h o f i z o n l a l d i s p i a r , c m e n t 曲矧劬o f t h e w e s t h o r s e h e | d w i t hs l q ，p 毗 s 口l k m n 尚；盟? k 。 髫麟爨。 错带# z 弭 hr * h瓢獬i 黧=曩荆 # - l 第2 章深立井硐室群动态二维弹塑性数值模拟 从图1 4 、1 5 可以看出，马头门围岩周围的围岩总的位移趋势是，拱顶下沉， 两侧边墙张开、而拱底向上移动，同时围岩在拱顶部分形成一个“v 型槽。马 头门的开挖对围岩水平变形的影响大概各为2 倍宽。拱顶下沉在模型边界内处趋 于稳定，马头门的开挖对围岩竖向变形的影响范围上下为l 倍硐宽。所以总的来 说其计算模型说选用的边界条件是可靠的，计算所得到的结果具有可行性。 本文从位移的角度对马头门、硐室和井筒进行分析，通过四个方案直接的对 比，找出各部位在不同动态过程中的位移规律。 1 整体规律 以方案1 中某点的下沉位移为例，该点距离井筒中心线8 m ，处于西马头门 项部上方5 m 处，其位移图如图1 6 所示。 该处位移数量级跟现实差别较大，本文模拟设计参数入= 1 0 0 作为相对系数。 西马头门总共分1 8 步开挖支护完成，每步的开挖都造成马头门上部的下沉， 而且支护作用明显，降低了下沉的速率。整体来看，下沉速率也在变缓。底部出 现底鼓位移，在支护的作用下也在趋于稳定。 图1 6 方案1 西马头门上方5 m 处下沉位移图 f i g l6s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f t h ew e s th o r s e h e a d su p p e rp o 硫i np r o g r a mts t 2 先后开挖硐室对马头门断面的影响 将距离井筒中心线1 2 m 的西马头门断面和距离东马头门1 0 i n 东马头门断面 设置为监测断面，监测其顶部和底部的位移，对四个方案进行比较。 1 ) 方案1 开挖支护硐室对马头门断面的影响 2 3 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 方案1 在井筒、东西马头门开挖支护结束后，对a 、b 硐室进行开挖支护， 由图1 7 、1 8 、1 9 、2 0 可见，在开挖支护硐室的动态过程中，东西马头门都有断面 顶部下沉、底部上鼓明显，对接近平衡的马头门断面有明显的扰动，其中西马头 门断面在a 硐室开挖支护前后顶部下沉位移为4 7 m m ，底部上鼓位移为4 6 7 m m ， 东马头门断面在b 硐室开挖支护前后，顶部下沉位移为2 1 9 m m ，底部上鼓位移 为3 9 m m 。方案1 中，西马头门断面顶部下沉总位移为5 6 5 5 r a m ， 底部上鼓总 位移为8 9 1 l m m ，东马头门顶部下沉总位移为4 5 9 m m ，底部上鼓总位移为 7 7 7 6 m m 。由图1 7 、1 8 、1 9 、2 0 末端可见，a 硐室和b 硐室对非所属的马头门断 面影响并不大，后不赘述。 图1 7 方案1 西马头门断面顶部下沉位移 f i g l7s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m1s t 2 4 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图1 8 方案l 西马头门断面底部上鼓位移图 f i 9 1 8b u l g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m 1 s t 图1 9 方案1 东马头门断面顶部下沉位移图 f i g l9s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f e a s th o r s e h e a dc r o s s s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m1s t 2 5 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图2 0 方案l 东马头门断面底部上鼓位移图 f i 9 2 0b u l g e dd i s p l a c e m e n to fe a s th o r s e h e a dc r o s s 。s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m1s t 2 ) 方案2 开挖支护硐室对马头门断面的影响 方案2 为开挖支护井筒后，在开挖支护马头门和巷道的同时，开挖支护硐室。 由图2 l 、2 2 可见，在此开挖支护硐室的动态过程中，开挖支护a 硐室前后西马 头门断面顶部下沉位移2 8 4 r a m ，底部上鼓2 3 8 r a m ；由图2 3 、2 4 可见，开挖支 护b 硐室前后东马头门断面的顶部下沉位移1 6 7 r a m ，底部上鼓1 2 5 m m ，位移相 对都较小。方案2 中，西马头门顶部下沉总位移为5 6 6 4 ，底部上鼓总位移为 9 0 1 9 m m ，东马头门顶部下沉总位移为4 6 4 3 r a m ，底部上鼓总位移为7 8 9 0 m m 。 f z4 ( d i 臼d 渐帅 1 3 - 3 4 1 0 s - l 2 曩i 瞳 h i s t o r y 7z - d 墨曲站r _ t 却4 嘲 l h 畸i y b - , 5 e 6 4 枷0 4 $ 3 4 7 劓d f f 1 v s 3 h 1 卫曩b j 刖_ k 口岫呻g n n 慨 u 膏珥瞻m nu s 一2 6 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图2 1 方案2 西马头门断面顶部下沉位移图 f i 9 21s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m2 n d f z4 c ：罗d i d 口 蛳棚聃 j ，一 1 3 筠2 3 s 一- 一2 孤 ，一 h 纽o r y 9z - d b 岫一呻_ 瞳g p 4 a 自1 t 8 l m 帅一 - 3 曩辽瞄9 0 1 k , o l b v s 囟单 1 证d i - 啊h c - o _ 嘲加g r 阻n 慨 n 叼簟咄一nu s 图2 2 方案2 西马头门断面底部上鼓位移图 f i 9 2 2b u l g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m2 n d 图2 3 方案2 东马头门断面顶部下沉位移图 f i 9 2 3s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to fe a s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m2 n d 2 7 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图2 4 方案2 东马头门断面底部上鼓位移图 f i 萨4b u l g e dd i s p l a c e m e n to f e a s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m2 n d 3 ) 方案3 开挖支护硐室对马头门断面的影响 方案3 为开挖支护井筒前，在开挖支护马头门和巷道结束后，对硐室进行开 挖支护。由图2 5 、2 6 可见，在此开挖支护硐室的动态过程中，在a 硐室的开挖 支护前后，西马头门断面顶部下沉位移为4 7 2 r n m ，底部上鼓4 6 8 r a m ：由图2 7 、 2 8 可见，东马头门断面在b 硐室的开挖支护前后顶部下沉位移为2 9 4 m m ，底部 上鼓位移为4 7 r a m 。方案3 中，西马头门断面顶部总位移为5 6 6 5 r a m ，底部上鼓 总位移为8 8 9 2 r a m ；东马头门断面顶部下沉总位移为4 6 0 7 r a m ，底部上鼓总位移 为8 1 5 8 r a m 。 2 8 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 f l a c 3 di 0 0 q 一 4 , 9 0 3 7 雏窝s a t - i 曩2 b 艄 h 豳啤 7z - a 印h ：_ 州g - 硝嘲 小 l j m 蛐 - 5 嘲，2 1 5 0 0 - 0 0 7 v & 曲删- 4 1 m a m - 2 - 0 - 4 p l p 矗争、 瞄岫g i 口瓢h l 30o “膏_ 幽m nu s 图2 5 方案3 西马头门断面顶部下沉位移图 r i 9 2 5s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dg r o s s s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m3 r d f z 4 c 萝j ) 爻o o - 一 鼬椰哪 3 柏笠s a t 腿置撕 h i s t o r y 9z 西印m _ t g p 堋0 t a n m l y i e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 6 _ 9 3 2 e - ( d 0 l q 2 4 ) 0 4 v s 锄 1 俚帕_ d4 1 1 t ) e 啪0 , h c 口i 帅g - _ n 虹 n 啦m nu s a 图2 6 方案3 西马头门断面底部上鼓位移图 f i g , 2 6b u l g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m3 r d 一2 9 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图2 7 方案3 东马头门断面顶部下沉位移图 f i 醇7s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f e a s th o r s e h e a dg r o s s s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m 3 r d 图2 8 方案3 东马头门底部上鼓位移图 f i 9 2 8b u l g e dd i s p l a c e m e n to fe a s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m 3 r d 4 ) 方案4 开挖支护硐室对马头门断面的影响 方案4 为开挖支护井筒前，在开挖支护马头门和巷道的同时开挖支护硐室。 由图2 9 、3 0 可见，在此开挖支护硐室的动态过程中，在a 硐室开挖支护前后， 一3 0 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 西马头门断面顶部下沉位移为2 8 7 m m ，底部上鼓位移为2 3 4 m m ：由3 1 、3 2 可 见，东马头门断面在b 硐室开挖支护前后顶部下沉位移为1 6 6 r a m ，底部上鼓位 移为1 2 6 m m 。方案4 中，西马头门断面顶部下沉总位移为5 6 7 4 r a m ，底部上鼓 总位移为8 9 8 8 m m ；东马头门断面顶部下沉总位移为4 6 6 m m ，底部上鼓位移为 8 2 8 7 m m 。 图2 9 方案4 西马头门断面顶部下沉位移图 f i 9 2 9s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m4 t h 图3 0 方案4 西马头门断面底部上鼓位移图 f i 驴0b u l g e dd i s p l a c e m e n to f w e s th o r s e h e a dc r o s s s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m4 t h - 3 l 一 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 图3 l 方案4 东马头门断面顶部下沉位移图 f i 舒1s u b m e r g e dd i s p l a c e m e n to fc a s th o r s e h e a dc r o s s - s e c t i o n su p p e ra p e xi np r o g r a m4 t h 图3 2 方案4 东马头门断面底部上鼓位移图 f i 9 3 2b u l g e dd i s p l a c e m e n to fe a s th o r s e h e a dc r o s s s e c t i o n sb o t t o mi np r o g r a m4 t h 对比四个方案，硐室开挖对马头门断面都有这一定程度的影响，如下表归纳： 3 2 第2 章深立井硐室群动态三维弹塑性数值模拟 由表2 可见，对比东西马头门顶部的下沉和底部的上鼓位移量，方案1 比方 案2 要大，方案3 比方案4 要大。这证明方案2 和方案4 ，即在开挖马头门和巷 道时，及时开挖两侧巷道，在初期对马头门整体的变形是有利的。但是对比马头 门的总位移量，方案1 和方案3 分别要略小于方案2 和方案4 ，可见，前期开挖 硐室对深井硐室群系统相比另外两个方案的影响是不利的。 3 先后开挖硐室时硐室本身的影响 为了细致的研究深并硐室群的动态规律，将硐室的断面的变形进行单独分析。 1 ) 方案1 中硐室留在开挖马头门和巷道之后进行开挖，由图3 3 、3 4 可见， 在后期开挖支护硐室的动态过程中，a 硐室的下沉位移为2 5 9 3 r a m ，上鼓位移为 2 7 1 9 m m ；由图3 5 、3 6 可见，b 硐室的项