巷道斷面形狀對圍巖穩定性的影響數值分析

倪紹武

摘 要：為探討巷道斷面形狀對圍巖穩定性的影響，本文結合丁集煤礦實際情況，采用FLAC軟件對矩形、直墻半圓拱、圓形三種斷面形狀與圍巖塑性區、應力場分布之間的關系進行了模擬。結果表明：不同形狀巷道圍巖塑性區幾乎一致；矩形巷道頂部出現了較大的拉應力頂部采用拱形后拉應力區顯著減小。

關鍵詞：巷道 斷面形狀 圍巖 塑性區 應力場

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0152-01

影響巷道圍巖穩定性的主要因素有三個：巖體應力、圍巖強度和支護技術。同理，與其相對應的，巷道圍巖控制就有三個基本途徑：（1）降低巖體應力；（2）提高圍巖強度；（3）選擇合理的支護技術。

1 數值計算模型及有關參數

FLAC軟件所構模型尺寸為長×寬=50 m×50m，共劃分200×200=40000個單元，上覆巖層施加18.75 MPa載荷，整個模型處于靜水壓力狀態。模型采用均質材料，該材料服從Mohr-Coulomb模型，材料的物理力學參數見表1。

2 圍巖塑性區分布

不同斷面形狀的巷道圍巖的塑性區分布，由于巷道的采掘，頂底板基礎位于兩幫，在垂直應力作用下，使得由于采掘而產生的礦山壓力不斷向圍巖深部位移，在巷道的兩幫處形成高集中應力，所以該巷道兩幫的塑性區范圍要比頂底板影響范圍要大，從巷道圍巖塑性區的分布和大小可以看出，這幾種斷面形狀的巷道塑性區分布基本一致，和開挖半徑為2.5 m的圓形巷道受壓所造成的塑性分布區等效，也就是說，不同斷面形狀巷道的采掘，相當于采掘了同等直徑的圓形巷道。

3 圍巖應力場分布

巷道圍巖中的應力大小、分布和巷道斷面形狀有關。由于斷面由曲線構成的巷道對于采掘巷道周邊的拉應力有一定的優化作用，從而使掘進巷道周圍的拉應力降低，保證巷道的自穩。

巷道圍巖拉應力分布情況：（1）矩形巷道斷面周邊均出現了較大的拉應力，四周均出現了拉應力破壞區，與圍巖塑性區的分布相吻合；（2）矩形巷道四周拉應力區明顯大于其它斷面的巷道拉應力區，尤其是巷道的頂部；（3）在頂部采用拱形后，頂部的拉應力區顯著減小，巷道幫部的拉應力區也有所縮小，避免了幫部發生拉破壞，但頂部斷面形狀對幫部拉應力的影響作用十分有限，而幫部斷面形狀對拉應力的影響較大。

4 巷道圍巖變形特征

雖然巷道斷面形狀不同，但是他們的位移矢量局勢指向巷道的周邊，越是靠近巷道的周邊距離，其位移量愈大?？梢钥闯鼍匦蜗锏乐苓呂灰屏棵黠@高于其它巷道，尤其是巷道頂角和底角圍巖受應力集中影響出現兩種位移方向，變形不一致，而半圓拱和圓形巷道頂板位移較均勻，整體變形較一致，巷道穩定性較好。

為了更深入了解和全面分析巷道圍巖的變形特征，沿垂直于巷道頂板設置了一條10 m長的監測線，每條監測線均勻布置20個監測點，結果如圖1所示。

5 結論

綜合本文數值模擬及現場觀測分析可知，不同形狀巷道圍巖塑性區幾乎一致，由曲線所構成的巷道周邊所受拉應力比折線所構成的巷道所受的拉應力小，從而有效控制巷道周邊發生拉應力的破壞；矩形巷道頂部出現了較大的拉應力頂部采用拱形后拉應力區顯著減小，故當巷道采用矩形斷面時，可把矩形巷道的頂角做成圓弧形，減小頂部拉應力尤其是可消除頂板頂角的應力集中。

參考文獻

[1] 何滿潮，鄒正盛，鄒友峰.軟巖巷道工程概論[M].徐州：中國礦業大學出版社，1993：12-16.

[2] 朱微申，何滿潮.復雜條件下圍巖穩定性與巖體動態施工力學[M].北京：科學出版社，1996：24-26.