影響不對稱軟巖巷道掘進支護時間的數(shù)值模擬

宮能平　考四明

（安徽理工大學應用力學研究所，安徽 淮南 232001）

摘 要： 利用不對稱有限元模型模擬軟巖巷道掘進，使用巷道巖石應力釋放比例確定支護時間 。分析了不同應力釋放比例對巷道變形的影響，通過觀察支護時間-應力曲線和支護時間- 位 移曲線，確定軟巖巷道支護應在應力部分釋放后實施，提前或滯后實施將影響施工效果，對 現(xiàn)場施工具有指導意義。

關(guān)鍵詞：軟巖巷道；數(shù)值模擬；支護時間

Asymmetric Roadway Excavation in Soft Rocks GONG Neng-ping, KAO Si-ming

(Institute of Applied Mechanics, Anhui University of Science and Technology, Hu ainan Anhui 232001, China)

Abstract: Roadway excavation in soft rocks was simulated by use of finite elemen t model. Support time was determined by roadway rocks stress release proportion. Influence of different stress release proportion on roadway deformation was ana lyzed. On the basis of support time-stress curve and support time-displacemen t c urve observation, it's proposed that roadway support in soft rocks should be per formed after stress partially released, ahead or lag support will affect perform ance effect, which has signification to guide roadway support performace.

Key words:soft-rock roadway; numerical simulation; support time

隨著中國現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟迅速發(fā)展，中國的能源消費必將迅速增長，對煤炭的需求也將迅 速增加［1］。隨著人類對礦產(chǎn)需求量的日益增加，開采規(guī)模不斷擴大，淺部易采的 礦產(chǎn)資源日趨枯竭，開采向深部發(fā)展是地下礦山的必然趨勢。深部開采條件下巖石的性質(zhì)不 同于淺部，而目前國內(nèi)大部分生產(chǎn)單位仍按以前的施工設(shè)計方法進行生產(chǎn)，導致巷道變形過 大，維護費用高，甚至報廢。在巷道支護設(shè)計中，巷道的支護時間往往容易被人忽視，從而 給后期巷道穩(wěn)定帶來影響。

工程實踐表明，巖體工程開挖后的應力調(diào)整和變形并不是瞬間完成的［2］，而是在 隨著時間推移慢慢變化，直至變形速率趨近于零，巷道基本保持穩(wěn)定，變形與應力是與時間 相關(guān)聯(lián)的。而現(xiàn)在大部分數(shù)值模擬巷道開挖及支護過程，沒有考慮應力釋放問題，有的是巷 道開挖后及時加錨桿和襯砌支護，有的是等巷道圍巖應力完全釋放后再進行支護，因此這樣 的數(shù)值模擬沒有真實地模擬出實際施工過程，從而造成了錨桿應力計算值偏大，圍巖塑性區(qū) 偏小，不能真實反映出圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力狀況。地下巷道開挖是一個破壞地下巖體邊界 條件，應力重分布的過程。模擬巷道開挖的方法有很多，目前采用的主要有反轉(zhuǎn)應力釋放法 與剛度折減法［3］。反轉(zhuǎn)應力釋放法即在開挖邊界上作用一等效釋放荷載，這一等 效荷載等價于原來作用在該邊界上的初始地應力，但方向相反。通過等效荷載的分級釋放， 模擬不同的施工過程。剛度折減法是通過不斷折減被開挖對象的剛度來模擬隧道開挖過程。 此法可以考慮被開挖對外剛度和對總體剛度的貢獻，更加符合實際情況。

本文將采用數(shù)值分析軟件，模擬淮北礦業(yè)集團渦北煤礦北翼軌道大巷開挖和支護過程，分別 計算了沒有應力釋放和應力釋放(10%、20%、30%、40%、50%、60%)的再進行支護幾種不同情 況下圍巖的穩(wěn)定性情況。

1 基本情況ノ斜泵嚎蟊幣砉斕來笙錚設(shè)計斷面為直墻圓拱形巷道， 凈寬4.8 m，凈 高4.05 m，巷道埋深-640 m。巷道大部分巖層與水平方向的夾角約 30°，以砂巖為主和分層伴有碳質(zhì)泥巖，巖體較破碎，中間裂紋發(fā)育明顯。根據(jù)地質(zhì)鉆探資 料，北翼軌道大巷附近還有幾處小斷層。由于特殊的地質(zhì)環(huán)境，本文采用不對稱模型，支護 方式為錨噴支護。

2 模型的建立

數(shù)值模擬巖體采用三維實體單元，為計算和顯示結(jié)果的方便，混凝土噴層同樣采用三維實體 ，錨桿和圍巖的相互作用通過嵌入單元進行連接，實施全長錨固計算。對原問題進行簡化分 析，忽略次要因素，最后建立模型（見圖1）?？紤]邊界條件對模型巷道部分的影響 ，模型的高30 m，寬32 m，厚16 m，模型中間夾兩個 軟弱巖層的厚度分別為0.5 m和0.6 m，混凝土噴層厚度為100 mm。錨桿支護參數(shù)采用渦北煤礦現(xiàn)行使用的參數(shù)，采用直徑為22 mm的 普通螺紋鋼錨桿， 長2 200 mm， 錨桿間排距為800 mm×800 mm進行支護。

襯 砌 ，然后依次進行， 直到全部巷道開挖完成。 由于計算機資源的限制， 本文僅模擬16.0 m巷道， 每步開挖1.6 m，采用剛度折剪法，利用單元生死技術(shù)來控制 開挖過程，分析步驟如下：

（1） 初始地應力平衡；

（2） 第一步隧道開挖（釋放部分荷載）；

（3） 安裝該段內(nèi)錨桿與襯砌；

（4） 釋放該段內(nèi)剩余應力；

（5） 重復（2）~（4）步至整條巷道開挖完成。

6 計算結(jié)果及分析

由整段巷道開挖完成后有限元分析的結(jié)果，繪出Mises應力云圖（見圖2）。

從圖2可以看出，應力總體上圍繞巷道斷面成圈狀分布，由于結(jié)構(gòu)的不對稱，造成整體應 力分布不對稱，并且在有軟弱巖層的地方，應力發(fā)生明顯變化，相對于附近位置的應力偏小 。由于錨桿和圍巖相互作用，形成一個整體，在頂板附近形成了一個應力分布均勻的承壓帶 。巷道在錨桿作用下，將高應力區(qū)向巷道深部延伸（見圖3~圖4）。圖2 計算完成后Mises應力分布圖3 應 力釋放后巷道圍巖應力圖圖4 第一步開挖后圍巖應力圖

從圖3~圖4中可以看出，應力釋放和巖體被開挖，巷道的受力情況變化很大，而在什么時間 開始支護得到的結(jié)果自然不同。如果支護時間過早，大部分應力沒有釋放，造成錨桿受力過 大，可能使錨桿被拔出或拉斷錨桿桿體，巷道變形難以支護。如果支護時間過晚，巷道應力 釋放基本完成，變形趨于穩(wěn)定，這時候有可能出現(xiàn)頂板離層，兩幫變形過大，圍巖失去自承 能力，導致支護不起作用，后期維護成本增加。

有限元計算還可以進一步得到巷道開挖后應力場、位移場隨應力釋放率的變化趨勢，進而指 導巷道的支護設(shè)計(見圖5～圖6)ネü觀察圖5~圖6可以發(fā)現(xiàn)，在40% 以前部分，Mises應力變化曲線較為平緩，40%以 后，Mis es應力變化曲線較為突然，巷道圍巖的位移也趨向減小。如不及時支護，可能造成頂板離層 ，巷道圍巖釋放較多，難以支護或支護效果不理想。

通過分析得出，對于不對稱巷道，其圍巖的應力分布和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，本文選擇的巷道可 以針對實際情況實施不對稱支護。支護時間對巷道的穩(wěn)定影響較大，巷道開挖完成后可先進 行臨時支護，保證施工安全，待巷道基本穩(wěn)定后，再進行二次永久支護。具體什么時間適合 支護，可以通過觀測巷道的變形情況決定。

參考文獻：

［1］ 謝和平.可持續(xù)發(fā)展與煤炭工業(yè)［C］∥謝和平.中國科協(xié)第31次“青年科學 家論壇”暨首屆“煤炭青年學者論壇”報告文集.北京:煤炭工業(yè)出版社,1998.

［2］ 劉豆豆,陳衛(wèi)忠,楊建平，等,二道埡隧道開挖與支護的數(shù)值模擬分析［J］. 山東大學學報(工學版)，2007,37(1):80-85.

［3］ 王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用［M］.杭州:浙江大學出版社,2 006：201-220.

(責任編輯：何學華)第4期