辛置礦矩形巷道圍巖變形與應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

楊學(xué)師

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采深度的逐漸增加，礦井對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高。矩形巷道由于施工簡(jiǎn)單，掘進(jìn)速度快，現(xiàn)已成為我國(guó)礦井掘進(jìn)巷道采用的主流斷面類(lèi)型。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者主要采用彈塑性力學(xué)建模推導(dǎo)和數(shù)值模擬計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的方法對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性與應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行研究[1]。蔡峰[2]利用數(shù)值模擬軟件計(jì)算了巷道不同直接頂厚度開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力變化情況；謝廣祥[3]模擬了綜放工作面不同煤柱寬度圍巖的應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布；吳創(chuàng)周[4]利用強(qiáng)度準(zhǔn)則推導(dǎo)出了圓形巷道圍巖應(yīng)力與位移的關(guān)系。張俊文[5]通過(guò)建立圍巖破壞分區(qū)本構(gòu)模型，推導(dǎo)出不同破壞分區(qū)的應(yīng)力解析解?；谇叭说难芯?，本文主要以辛置礦地質(zhì)條件和常用矩形巷道掘進(jìn)尺寸為工程背景，利用數(shù)值模擬研究矩形巷道寬高比、巷道圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律的影響。拓展研究側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律的影響。研究結(jié)果可彌補(bǔ)矩形巷道圍巖控制方面研究的不足，而且對(duì)巷道支護(hù)方面具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

辛置礦+830m水平煤層底板軌道大巷及運(yùn)輸大巷為全巖巷布置。巷道平均埋深500m，距離煤層底板20m，巷道斷面多采用矩形，直接頂為4.28m厚的粉砂巖，老頂為13.83m的細(xì)砂巖，巖體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、賦存穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)常用凈寬尺寸為5.6m，部分區(qū)域凈寬為4.0m和7.2m，凈高一般選擇4.0m或者4.5m。

2 寬高比對(duì)圍巖變形及應(yīng)力分布的影響

利用Flac3D數(shù)值模擬研究矩形巷道寬高比與側(cè)壓系數(shù)變化對(duì)圍巖受力變化特征的影響。模擬過(guò)程中假設(shè)巷道圍巖符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，為理想的彈塑性體，巷道四周為均質(zhì)連續(xù)線彈性介質(zhì)，且不考慮地下水的影響。模型長(zhǎng)×高×寬為60m×60m×1m，共劃分為5700個(gè)單元和11842個(gè)節(jié)點(diǎn)。巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)常用巷道斷面尺寸共制定兩組數(shù)值模擬方案。

方案一；側(cè)壓系數(shù)為1.0，巷道高度4m，模擬巷道寬度為 2.4m，4.0m，5.6m，7.2m，8.8m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力及變形的影響。

方案二：巷道寬度5.6m、高度4m，模擬側(cè)壓系數(shù)為 0.25、0.5、1.0、1.5、2.0 時(shí)對(duì)巷道應(yīng)力及變形的影響。

巷道埋深為500m，重力加速度為10m/s2。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

3 寬高比對(duì)圍巖變形及應(yīng)力分布的影響

3.1 矩形巷道圍巖塑性區(qū)分布

為了分析寬高比對(duì)巷道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布的影響，以側(cè)壓系數(shù)1.0為基準(zhǔn)，模擬巷道高度為4.0m 條件下，寬高比為 0.6、1.0、1.4、1.8、2.2 時(shí)，圍巖的塑性區(qū)分布情況，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同寬高比對(duì)巷道塑性區(qū)分布影響

從圖1可以看出，寬高比c對(duì)于矩形巷道圍巖塑性區(qū)的幾何尺寸和分布形態(tài)影響并不十分明顯。在側(cè)壓系數(shù)相同的條件下，巷道圍巖塑性區(qū)范圍隨著寬高比的增大逐漸增大，巷道開(kāi)挖后的最大破壞深度出現(xiàn)在頂板中心線上。巷道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定后塑性區(qū)的整體形狀為圓形。

3.2 寬高比對(duì)圍巖移動(dòng)變形的影響

側(cè)壓系數(shù)為1.0時(shí)，不同寬高比條件下矩形巷道最大幫移量及頂?shù)装逡平磕M結(jié)果如圖2所示。

圖2 寬高比與最大位移的關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)不變，巷道高度為4m時(shí)，巷道寬度的變化會(huì)對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平坑幸欢ㄓ绊?，隨著巷道寬度的增加，幫移量和頂?shù)讕鸵平恳仓饾u增加，相比于幫移量，頂?shù)装逡苿?dòng)量增加幅度更大。當(dāng)巷道高度小于4m時(shí)，巷道幫移量要大于頂?shù)装逡平浚?dāng)巷道高度為2.4m時(shí)，頂?shù)装逡平繛?.57m，幫移量為1.87mm；當(dāng)巷道寬度為4m時(shí)，頂?shù)装逡平肯嗟榷紴?.2mm；巷道寬高比越接近于1，頂?shù)讕鸵平颗c幫移量越接近。當(dāng)巷道寬度大于4m時(shí)，隨著巷道寬度的增加，兩幫的移近量與頂?shù)装逡平康牟钪翟絹?lái)越大。當(dāng)巷道寬度為8.8m時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?.55mm，而巷道兩幫移近量為2.83mm。

3.3 寬高比對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

圖3 寬高比與最大應(yīng)力值的關(guān)系

由圖3可以看出，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)不變，巷道高度為4m時(shí)，巷道寬度的變化會(huì)對(duì)圍巖應(yīng)力的大小產(chǎn)生一定影響，應(yīng)力集中最大的區(qū)域通常在矩形巷道的四個(gè)肩角。隨著巷道寬度的增加，巷道四個(gè)肩角區(qū)最大應(yīng)力值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，巷道寬度為2.4m時(shí)，圍巖的最大應(yīng)力值為6.28MPa，4m時(shí),圍巖最大應(yīng)力值為6.47MPa，8.8m時(shí)，圍巖最大應(yīng)力值為6.99MPa。寬高比對(duì)最大應(yīng)力的影響幅度較小，增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)似滿足線性分布。

4 側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖變形及應(yīng)力分布的影響

4.1 矩形巷道圍巖塑性區(qū)分布

為研究側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道圍巖變形破壞的影響，以巷道寬度為5.6m，高4m的巷道圍基準(zhǔn)，分別模擬側(cè)壓系數(shù)為 0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 條件下圍巖塑性區(qū)分布情況。模擬結(jié)果如圖所示。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道塑性區(qū)分布影響

由圖可以看出，對(duì)于矩形巷道而言，側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道圍巖的塑性區(qū)分布影響十分明顯。側(cè)壓系數(shù)λ為0.25時(shí)，巷道破壞形狀為蝶形，當(dāng)λ為0.5時(shí)，巷道兩幫破壞嚴(yán)重，頂?shù)装逯辉诩缃翘幇l(fā)生較大的破壞，整體破壞形狀近似為橫向橢圓形。當(dāng)λ為1.0時(shí)，巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭推茐纳疃冉葡嗟龋苄詤^(qū)呈近似圓形，特別的當(dāng)λ為1.5和2.0時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸增大，特別是肩角處，但兩幫塑性破壞范圍增幅很小，塑性區(qū)分布呈近似豎直橢圓形。當(dāng)λ為2.5時(shí)，巷道兩幫及四個(gè)肩角處圍巖塑性區(qū)迅速擴(kuò)展，巷道開(kāi)挖后圍巖破壞范圍非常大，塑性區(qū)呈近似蝶形。

4.2 側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖變形的影響

圖5 側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷挠绊?/p>

由圖5可以看出，寬高比一定時(shí)，側(cè)壓系數(shù)的變化對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平坑幸欢ㄓ绊?，隨側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道兩幫與頂?shù)装宓囊平砍尸F(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于0.25小于1.0時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，頂?shù)讕鸵平恐饾u從2.73mm減小到2.45mm，兩幫移近量逐漸從0.79mm增加到2.42mm；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笠平颗c最大幫移量接近，約為2.45mm左右；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1.0時(shí)，頂?shù)装遄畲笠平坑诤妥畲髱鸵屏孔兓厔?shì)保持一致，頂板移近量的增幅略大于幫移量的增幅。

4.3 側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

圖6 側(cè)壓系數(shù)與最大應(yīng)力值的關(guān)系

由圖6可以看出，寬高比一定時(shí)，側(cè)壓系數(shù)的增加，矩形巷道頂角處的最大應(yīng)力值也逐漸增加。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為0.25時(shí)，圍巖最大應(yīng)力值為3.706MPa，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0時(shí)，圍巖最大應(yīng)力值為6.307MPa，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)2.0時(shí)，圍巖最大應(yīng)力值為8.561MPa，最大應(yīng)力值隨側(cè)壓系數(shù)的增加呈線性增加。相比于寬高比對(duì)圍巖應(yīng)力值影響，側(cè)壓系數(shù)的變化對(duì)圍巖最大應(yīng)力值的變化影響較大。

5 結(jié) 論

1）矩形巷道寬高比對(duì)圍巖塑性區(qū)分布影響較小，塑性區(qū)破壞形狀呈圓形，圍巖移動(dòng)變形量及最大應(yīng)力分布隨寬高比增大而增大。

2）側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響較大，巷道開(kāi)挖后塑性區(qū)破壞形狀由豎向蝶形-橫向橢圓形-圓形-豎向橢圓形-橫向蝶形規(guī)律性變化，巷道圍巖變形量和最大應(yīng)力值應(yīng)力隨著側(cè)壓系數(shù)的增加先減小后增大。