1. 引言
随着我国煤炭行业的发展，煤炭的开采逐渐由浅部到深部，由小断面到大断面，由东部地区向西部地区过渡。一般矿山巷道硐室，断面面积大于15 m2时，即可称为大硐室。动载扰动下深部大断面硐室围岩结构性破坏与失稳是大型现代化煤矿面临的突出问题。目前，国外鲜少有关于大硐室围岩变形机理的报道。伴随着我国煤炭行业机械化水平的不断提高，大型及超大型煤矿不断出现，使得对井筒和主要硐室的要求逐渐增大。断面面积越大，尺寸效应越明显，支护的难度越高 [1]。因此对大断面硐室变形机理和控制技术的研究就显得尤为重要。
2. 工程背景
红庆梁煤矿位于鄂尔多斯高原北部，设计生产能力600万吨/年。该矿井内地形总体趋势为南高北低，且又表现为西部高东部低的变化趋势。大硐室周围涉及地质岩石组有砂岩岩组，煤岩组，粉砂岩泥岩砂质泥岩岩组，其中粉砂岩泥岩砂质泥岩岩组广泛分布于侏罗系中统延安组及安定组，是与煤层开采有直接关系的岩组之一，是含煤地层的主要岩组，由粉砂岩、泥岩及砂质泥岩等组成。以水平层理、波状层理、节理裂隙和滑面等结构面为特征，其饱和抗压强度为3.87 MPa，若浸水或长时间暴露于空气中，岩石将沿层理方向离析成薄片，其软化系数为0.37，属于极软弱类易软化岩石 [2] - [7]。
3. 围岩力学性能测试与分析
许多研究人员通过理论分析、数值模拟以及室内相似材料模拟等方式，探索出了深部大断面硐室围岩变形规律，发现了不同应力条件下的深部大断面洞室围岩的变形机制。本文在借鉴以往研究成果的基础上，有针对性的对红庆梁煤矿大洞室的围岩机理进行了研究和探讨。试验采集了多组现场岩样，分别进行了室内物理力学试验，试验过程与结果如下：
1) 含水量测定
取一定质量的较小破碎岩样，用烘干箱对其进行烘干处理，计算干岩样与湿岩样的质量变化差值，得出出含水质量，计算得含水率，最终实验结果如表1所示。
2) 单轴抗压强度测定
利用长春朝阳岩石三轴试验机，对岩样的天然状态、饱和状态进行单轴抗压强度的测定。主要技术参数包括样本的截面积和岩石破坏荷载，最终实验结果如表2所示。
Table 1. Test results of sample moisture content
表1. 试样含水量试验结果
Table 2. One-way compressive strength of rock
表2. 岩石单向抗压强度
3) 黏聚力与内摩擦角
利用长春朝阳岩石三轴试验机，采用直径Φ = 50 mm圆柱体试件，进行三组侧向等压三轴压缩试验(常规三轴，σ1 > σ2 = σ3)。试验中围压分别为2 MPa、3 MPa和5 MPa，轴向施加0.75 MPa/s的应力，速度0.1 mm/min，直至岩样破坏。由σ1，σ2，σ3具体值找出摩尔应力圆，然后绘制包络线，从中获得岩石试样的粘聚力c和内摩擦角φ。最终粘聚力c = 0.693 MPa，内摩擦角φ = 27.32˚。
4. 主井装载硐室数值模拟监测点布置与结果分析
1) 围岩断面监测
为研究硐室支护后应力、变形分布与变化规律，在顶板、底板、左右两帮处，设置5个监测断面，如图1所示，T表示顶板，B表示底板，R表示右帮，L表示左帮。提取模拟计算结果对围岩横向、竖向的应力、变形着重分析。
Figure 1. The monitoring position of the chamber section
图1. 硐室断面监测位置图
2) 特殊点监测
结合井底装载硐室支护施工设计，对硐室稳定性进行分析。在井底装载硐室四周设置监测点，包括上部连接煤仓硐室，下部驱动硐室设置监测点监测围岩位移量，如图2所示。
Figure 2. Location map of special point displacement monitoring
图2. 特殊点位移监测位置图
装载硐室根据数值模拟和监测断面的设置，开挖的顺序也依次分三层进行。每层开挖之后，运算200步，模拟变形能的释放，在施加支护完成之后，才进行下一步开挖。开挖完成后，计算至稳定。挖后硐室表面变形破坏，应力集中区向围岩深处转移，围岩表面位移量呈线性增加，施加支护后围岩变形量明显降低，逐渐趋于水平。硐室监测点位移曲线如图3所示。
Figure 3. Chamber displacement monitoring curve
图3. 硐室位移监测曲线
通过数值模拟研究分析可知，支护后井底装载硐室顶底板、两帮和前侧壁的变形量较大，特别是两帮塑性区面积较大，需要施加锚索加强支护。而且硐室边角和主斜井交叉口处顶角混凝土喷层法向应力和切向应力均较为明显，需要设置监测点监测围岩变形和锚杆锚索受力。
5. 井底装载硐室现场监测成果
混凝土监测曲线各测点变化规律不同，综合考虑各测点监测数据的典型性，本文主要介绍了右帮(断面1测点)与中部部位混(断面2测点)凝土断面应变监测结果。为更好地对监测结果进行分析，规定应变计测点N-y沿硐室轴向埋设、N-z沿竖直方向布置，N-x沿水平方向埋设，且保证XY面与Z轴垂直布置，符合右手螺旋法则。根据监测结果绘制应变计监测得到的频率模数、温度和应变曲线。
5.1. 右帮部位应变监测结果分析
右帮监测结果曲线如图4所示。
Figure 4. The cross-section test result curve
图4. 断面测试结果曲线
由图4(a)可知，混凝土应变计埋设后，三者温度变化趋势基本一致，先是受混凝土水化热的影响急剧增长，在6 d时达到顶点30℃，随后急剧下降，并在15℃时趋于稳定状态，监测后期温度有一定的回升，但升温非常缓慢。
图4(b)表明监测192 d左右时，混凝土应变计1-x、1-z频率模数变化基本一致，前期与1-y变化不同，后期三者变化规律基本一致，由曲线图可知，变化规律主要经历了3个阶段，分别为：
1) 截至5 d左右时，1-x、1-z应变计频率模数迅速下降至最小值，规律变化基本一致，安装后5 d时，均下降了约200以上，而1-y应变计模数则是先增长至最大值，随后有所下降。
2) 监测5 d后1-x、1-z应变计频率模数开始急速回升，在7 d左右时缓慢上升，随后上升到极大值，而1-y应变计模数在5 d时开始缓慢下降。
3) 频率模数后期处于缓慢下降态势，三者基本一致，在监测后期，模数有趋于稳定的态势。
图4(c)表明监测192 d过程中，测点1-x、1-z混凝土应变计变化趋势基本一致，而1-y曲线则有所差异，同样地，x、y、z三个方向混凝土应变曲线也可分为3个主要阶段：1) 混凝土压应变急剧增大阶段；2) 混凝土压应力迅速减小阶段；3) 混凝土压应力持续缓慢增大阶段。
三个测点监测后期变化趋势一致，只是开始增大的时间节点不同，但后期变化规律基本相同，并逐渐趋于稳定的态势，反映了砌碹支护结构的受力状况，由于上部仍然在浇筑混凝土，导致上部混凝土自重会不断增大，监测数据应是两次支护共同作用的结果，但围岩作用力应是压应力持续增大的主要影响因素。
5.2. 中部断面应变监测结果分析
中部监测结果曲线如图5所示。
Figure 5. The cross-section test result curve
图5. 断面测试结果曲线
由图5(a)可知，混凝土应变计埋设后，除个别测点在某些时间节点时极值不用，温度变化趋势基本一致，先是受混凝土水化热的影响急剧增长，在6 d时达到顶点25℃，随后急剧下降，然后温度又有所回升，并在15℃时趋于缓慢回升状态。
图5(b)表明监测192 d左右时，混凝土应变计测点2-x、2-y、2-z频率模数变化基本一致，主要经历了两个阶段分别为频率模数线性快速增加阶段和频率模数长期缓慢减小阶段。
图5(c)表明整个监测期内，与频率模数类似，三个方向测点混凝土应变计变化趋势基本一致，拉应变先迅速增大到极值，而后缓慢减小，监测后期逐渐呈现出趋于稳定的态势。
由以上分析可知，装载硐室迎面山墙正中位置3个方向混凝土应变均为拉应变，且y方向应变值最大。根据以上检测结果可知右帮与中部山墙部位应变变化规律不同，且主要应变也不同，右帮以压应变为主，中部山墙以拉应变为主。从变化规律来看，右帮部测点主要经历3个变化阶段，即压应变先增大，而后减小，最后压应变处于缓慢增加态势。而对中部迎面山墙而言，应变数据则呈现先增大，而后拉应变缓慢减小的趋势。
6. 结论
1) 本文通过岩石力学试验得出红庆梁煤矿围岩性质为含水率较高，抗压强度低，黏聚力及内摩擦角偏小，具有较强的膨胀性。
2) 对比两个截面混凝土应变数据可知，中部迎面山墙部位砌碹结构受力要大于右两帮结构受力，推测这与矿井硐室空间布置直接相关。
3) 混凝土中部迎面山墙处应变三个方向均为拉应变，且轴向拉应变极大值为128.7 με，已超过C30混凝土极限拉应变81.4 με (经计算得到)，局部可能会出现裂缝，建议后续施工煤仓时应重点加强监测，必要时应及时采取加固措施进行局部加固。
参考文献