原始地应力场测量竖井马头门稳定性分析与设计优化.pdf

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1、第19卷第5期中国矿业Vo1．19。No．52010年5月CHINAMININGMAGAZINEMay2010原始地应力场测量竖井马头门稳定性分析与设计优化纪洪广，邹静一～一～一～～一～一～一～一一～一(北京科技大学土木与环境学院，北京100083)摘要：本文以实测地应力场数据为基础，构建了竖井马头门三维数值模型。通过选定若干表征马头门稳定性评价指标，对马头门与主应力之间不同方位时稳定性的差异作了批量数值分析，研究了马头门稳定与原始地应力场特征之间的关系。结果表明，马头门走向与地应力场的相对方位关系对其稳定具有重要影响，从而为立井马头门设计、支护和稳定性评价提供了依

2、据。关键词：原始地应力场；竖井马头门；取向优化；弹塑性分析；数值试验中图分类号：TD264．2文献标识码：A文章编号：1004—4051(2010)05—0055～03Stabilityanalysisanddesignoptimizationofshafting～ate一on一～．一～一．measurementoforiginalsitustressfieldjIHong—guang，ZOUJing(UniversityofSciences&TechnologyBeijing，Civil＆EnvironmentSchool，Beiji一ng～100一083一，C～

3、hina～)一～洲一一．一～一一一～帅．一～一～一～．耋．嘴一一～一一-～蚕～一竖井马头门是一项重要的硐室工程，由于断1原始地应力场特征面较大且形状复杂，其设计、施工和支护都是一采用水压致裂法在矿区测定了7个钻孔、37项复杂的工作。近年来，随着竖井开凿深度的不个测点的地应力数据，得出地应力场分布_1存在如断加深，修建马头门面临的地应力水平也不断提下的规律：高，各项工作将面临更多的困难。本文以某煤矿①工程区应力场以水平主应力为主导，最大千米竖井马头门工程为背景，在地应力测量的基水平主应力与垂直主应力比值平均1．968倍。础上，分析了马头门稳定和地应力的关系及优化②最大

4、水平主应力的方向与构造活动方向大体一致，平均走向NE59．775。。③最大水平主应力、的问题。最小水平主应力和垂直主应力，均随着深度增加而近似线性增长。开采底层深度达lO00m左右，收稿日期：2009—11—18基金项目：国家“863”重点课题(2008AA062104)；“973”重点应力水平高达2O～30MPa。④近于同一平面内的项目(2010CB226803)；“十一五”支撑课题(2008BAB33B031—同一种地应力，不论位置与方向，基本没有大的04)突变。作者简介：纪洪广(1963一)，教授、博士生导师，主要从事岩土工程与结构工程设计、岩爆与冲击地压、声

5、发射及无损检测技术马头门附近W一13测孔的地应力测量数据如图等方面的研究工作。1所示。中国矿业第19卷一Q。Q(1)．：盯n。由于马头门位于地下深处，不存在风化问题，l1。、＼◆三00Ih钻孔勘探结果表明此处围岩虽存在层理，但大体鲁均匀，且没发现明显的裂隙，因而可视为完整无●：^＼⋯crh=3．28+0．0207D裂隙的岩体。从而取定该处岩体经验系数为m一隧1，3．43、一0．082，据此可按式(2)与式(3)[]估l⋯。。。。▲■＼，：计岩体材料参数：】图1W一13孔地应力测量数据]J煤层位于深度1006．91～1013．55m处，地应(3)力取最接近的一组数据为

6、：一38．42MPa、一25．55MPa、。一22．87MPa。煤层以上为砂岩以及2．2优化计算方法及评价指标选定细粒砂岩和泥岩的互层，以下为砂岩和泥岩的互马头门模拟通常使用有限元，[9-io]，考虑到计层。由于本文并非针对已有设计方案的马头门，算效率，本文选用有限差分，L11]采用三维静力学弹故而将围岩简化为性质均一的岩石，材料参数平塑性分析方法。通过逐次改变最大水平主应力与均以后取为：容重22．3×103kN／m。，弹性模量马头门巷道走向的夹角a(如图3所示，以压应力33．5GPa，泊桑比0．32，抗压强度34．6MPa，抗为正)，批量计算各种情况下马头门的变形

7、与破坏拉强度3．08MPa。情况，以此考察夹角的变化和马头门稳定的相2马头门稳定性分析关性。2．1数值计算模型构建结合资料[2～3]关于马头门的描述后，几何模型布置见图2(图中尺寸单位为m)，围岩的形状取为包裹马头门的块体。在每一个边旦界E—m面均施加法向约束，并以地应力和重力为主要荷载。取混凝土衬砌厚度H为400mm~1000mm，弹模为30GPa、容重为25．0×103kN／m。、泊桑比为0．2。图3夹角取值由试算结果以及工程经验可知，图4所示截面溢OY的变形和破坏较为集中，故此在图4中选取1～39点为监控点，同时仿照工程监测方法口选取式(4)所示的马头门稳