厚中細砂巖中大斷面巷道斷面形狀的確定及其穩定性研究

劉王俊

（山西鄉寧焦煤集團 申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042104）

厚中細砂巖中大斷面巷道斷面形狀的確定及其穩定性研究

劉王俊

（山西鄉寧焦煤集團 申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042104）

針對國內某大型礦井工程實際，經鉆孔取芯及實驗室測定獲得該礦井的巖層分布及其物理力學參數，后用大型巖土數值計算軟件對常用的矩形巷道和直墻半圓拱巷道分析穩定性，并依據應力、位移、破壞區指標判斷巷道穩定性。

細砂巖；大斷面巷道；穩定性；數值計算

1 概述

近年來，隨著煤炭資源的開采，礦井深度越來越深，隨著礦井機械化和自動化的進步，煤礦巷道斷面越來越大，必須重視巷道穩定性的問題[1-3]。

開挖地下空間后，原始應力場重新分布形成二次應力場，對于煤礦巷道周邊產生的應力集中區域和集中程度的大小會受原始應力場、巷道布置方位、巷道斷面形狀及大小的影響；其中巷道斷面形狀對應力集中程度的影響很大，加之巷道斷面形狀影響著巷道的支護方法或支護方案[4，5]。因此，尋求特定條件下巷道斷面的合理形狀，分析其圍巖的穩定性顯得非常重要。

為了確定國內某大型煤礦的巷道斷面形狀，并評估其穩定性，本文以該礦的工程地質條件為背景，利用數值方法分析了常用巷道斷面的穩定性，并通過圍巖的應力場、位移場、破壞區域分布等的影響因素，確定出了該礦巷道的合理斷面形狀及尺寸。

2 數值計算模型的建立

通過理論計算巷道斷面、通風量、設備運輸寬度及高度后，初步確定巷道斷面從矩形和直墻半圓拱兩種斷面形狀中進行優選：

1）矩形巷道斷面參數為：11800mm×6600mm；

2）墻半圓拱巷道斷面參數為：底跨11 800 mm，直墻高1660mm，拱高7560mm。模型中各巖層力學參數，如表1所示。

表1 材料的主要力學參數

建立數值計算模型時，依據大型數值模型的建模原則[6]和盡量簡化的原則，以該礦實際條件為準建立了矩形和直墻半圓拱兩種斷面的模型。整體模型寬度80 m，高度63.7 m，巷道所處巖層厚度19.85 m。模型下邊界施加豎立方向的位移約束，左右邊界施加水平位移約束，前后邊界施加水平位移約束，上邊界施加均布載荷（模擬上覆巖層自重載荷）。

3 巷道的穩定性分析

為了掌握不同斷面形狀時巷道圍巖的穩定性，先要了解巷道圍巖的應力分布特征、變形分布特征，這就要求評價巷道圍巖穩定性應以巷道圍巖應力場、位移場、破壞區作為指標。

圖1 巷道開挖后的圍巖鉛垂應力等值線圖

從圖1看出，鉛垂應力分布從上往下逐漸增大，最大值位于巷道幫部上方，矩形巷道應力集中程度稍大于直墻半圓拱巷道；矩形巷道最大鉛垂應力約25MPa，而直墻半圓拱巷道大約21MPa。初步判斷直墻半圓拱巷道幫部破壞區域略小于矩形巷道。

圖2 巷道開挖后的圍巖水平應力等值線圖

從圖2看出水平應力場發生了大的擾動，應力集中主要在矩形巷道的幫部和底角，直墻半圓拱巷道的底角。矩形巷道圍巖中最大水平應力約8.5MPa，直墻半圓拱巷道圍巖中最大水平應力約9.7 MPa，稍大于矩形巷道。

圖3 巷道開挖后的圍巖鉛垂位移等值線圖

從圖3得知，矩形巷道和半圓拱巷道，最大鉛垂位移都在巷道頂板上方，矩形巷道的最大鉛垂位移稍大于直墻半圓拱巷道。

從圖4得知，矩形巷道和直墻半圓拱巷道，其最大水平位移都在巷道兩幫，矩形巷道的最大水平位移略大于直墻半圓拱巷道，矩形巷道的最大值約6.67cm，直墻半圓拱巷道的最大值約3.98cm。

從圖5看出，無論是巷道幫部還是巷道頂、底板，矩形巷道破壞區域都大于直墻半圓拱巷道。從巷道的應力和位移分布來看，矩形巷道應力集中程度大，對維護圍巖穩定差于直墻半圓拱巷道，矩形巷道幫部偏移量約6.342 cm，直墻半圓拱為3.946 cm，從位移的角度來看，直墻半圓拱巷道優于矩形巷道。

圖4 巷道開挖后的圍巖水平位移等值線圖

圖5 巷道開挖后的圍巖破壞區域分布圖

4 巷道斷面的優選

為了確定巷道斷面的最終形狀，對兩種斷面形狀的巷道位移、應力、破壞區域的分析，結果如下：（1）巷道是通風運輸的通道，斷面大小直接決定通風量、施工工程量、運輸能力、維護難易程度，從這些方面講，兩種斷面巷道基本持平。（2）矩形巷道頂板最大下沉量達到12.3 cm，直墻半圓拱頂板最大下沉量為9.569 cm，從維護頂板的穩定性講，直墻半圓拱巷道優于矩形巷道。（3）矩形巷道的幫部位移量達到6.342cm，直墻半圓拱為3.946cm，從維護巷道幫部的穩定性講，直墻半圓拱巷道優于矩形巷道。（4）從巷道圍巖的破壞區域講，矩形巷道無論是幫部還是頂、底板，其破壞區域都大于直墻半圓拱巷道，因此，直墻半圓拱巷道更利于維護圍巖的穩定性。

從總體上考慮，直墻半圓拱巷道有利于維護巷道圍巖的穩定性，最后確定直墻半圓拱巷道為該礦巷道的合理斷面形狀。

5 結論

本文從實際出發，通過鉆孔取芯并到實驗室測定，獲得了該礦井的巖層分布及其物理力學參數；利用大型巖土數值計算軟件，對常用的矩形巷道和直墻半圓拱巷道進行了穩定性分析，并依據應力、位移、破壞區的指標判斷巷道的穩定性；確定了巷道的最終斷面形狀為直墻半圓拱，可供同類礦井參考。

[1]Shaoqing NIU,Shuangsuo YANG,Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J].Advanced Materials Research，Vols.261-263(2011)：1439-1443.

[2] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[3] 楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理[M].北京：煤炭工業出版社,2004.

[4] 牛少卿.長壁開采三順槽圍巖控制理論技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[5] 楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，2010，35(11):1842-1853.

[6]Itasca Consulting Group,Inc.USA.FLAC3D[M].Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions,version 3.0,User’s Manual.

Abstract:Based on the engineering practice of some large mine in China,the study achieves strata distribution and physical mechanical parameters through core and laboratory methods,then analyzes stability of rectangle roadway and upright wall semi-circular arch roadway with geotechnical numerical calculation software,and evaluates the roadway stability in terms of stress,displacement and failure zone index.

Key words:fine sandstone;large cross-section roadway;stability;numerical calculation

編輯：劉新光

From Finding for Cross-sections of Large Cross-section Roadways in Thick-medium-fine Sandstone and Stability Study

LIU Wang-jun

(Shennanwa Coking Coal Co.,Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042104)

TD322

A

1672-5050（2012）05-0052-03

2011-11-15

劉王俊（1978—），男，山西鄉寧人，大專，助理工程師，從事煤礦開采等方面的研究工作。