厚中細(xì)砂巖中大斷面巷道斷面形狀的確定及其穩(wěn)定性研究

劉王俊

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042104）

厚中細(xì)砂巖中大斷面巷道斷面形狀的確定及其穩(wěn)定性研究

劉王俊

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 042104）

針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型礦井工程實(shí)際，經(jīng)鉆孔取芯及實(shí)驗(yàn)室測(cè)定獲得該礦井的巖層分布及其物理力學(xué)參數(shù)，后用大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)常用的矩形巷道和直墻半圓拱巷道分析穩(wěn)定性，并依據(jù)應(yīng)力、位移、破壞區(qū)指標(biāo)判斷巷道穩(wěn)定性。

細(xì)砂巖；大斷面巷道；穩(wěn)定性；數(shù)值計(jì)算

1 概述

近年來(lái)，隨著煤炭資源的開采，礦井深度越來(lái)越深，隨著礦井機(jī)械化和自動(dòng)化的進(jìn)步，煤礦巷道斷面越來(lái)越大，必須重視巷道穩(wěn)定性的問題[1-3]。

開挖地下空間后，原始應(yīng)力場(chǎng)重新分布形成二次應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)于煤礦巷道周邊產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)域和集中程度的大小會(huì)受原始應(yīng)力場(chǎng)、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(duì)應(yīng)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(hù)方法或支護(hù)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(wěn)定性顯得非常重要。

為了確定國(guó)內(nèi)某大型煤礦的巷道斷面形狀，并評(píng)估其穩(wěn)定性，本文以該礦的工程地質(zhì)條件為背景，利用數(shù)值方法分析了常用巷道斷面的穩(wěn)定性，并通過圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞區(qū)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(shù)值計(jì)算模型的建立

通過理論計(jì)算巷道斷面、通風(fēng)量、設(shè)備運(yùn)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(jìn)行優(yōu)選：

1）矩形巷道斷面參數(shù)為：11800mm×6600mm；

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

表1 材料的主要力學(xué)參數(shù)

建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí)，依據(jù)大型數(shù)值模型的建模原則[6]和盡量簡(jiǎn)化的原則，以該礦實(shí)際條件為準(zhǔn)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(wěn)定性分析

為了掌握不同斷面形狀時(shí)巷道圍巖的穩(wěn)定性，先要了解巷道圍巖的應(yīng)力分布特征、變形分布特征，這就要求評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性應(yīng)以巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞區(qū)作為指標(biāo)。

圖1 巷道開挖后的圍巖鉛垂應(yīng)力等值線圖

從圖1看出，鉛垂應(yīng)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(yīng)力集中程度稍大于直墻半圓拱巷道；矩形巷道最大鉛垂應(yīng)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(qū)域略小于矩形巷道。

圖2 巷道開挖后的圍巖水平應(yīng)力等值線圖

從圖2看出水平應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了大的擾動(dòng)，應(yīng)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(yīng)力約8.5MPa，直墻半圓拱巷道圍巖中最大水平應(yīng)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(wú)論是巷道幫部還是巷道頂、底板，矩形巷道破壞區(qū)域都大于直墻半圓拱巷道。從巷道的應(yīng)力和位移分布來(lái)看，矩形巷道應(yīng)力集中程度大，對(duì)維護(hù)圍巖穩(wěn)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(lái)看，直墻半圓拱巷道優(yōu)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(qū)域分布圖

4 巷道斷面的優(yōu)選

為了確定巷道斷面的最終形狀，對(duì)兩種斷面形狀的巷道位移、應(yīng)力、破壞區(qū)域的分析，結(jié)果如下：（1）巷道是通風(fēng)運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃瑪嗝娲笮≈苯記Q定通風(fēng)量、施工工程量、運(yùn)輸能力、維護(hù)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(dá)到12.3 cm，直墻半圓拱頂板最大下沉量為9.569 cm，從維護(hù)頂板的穩(wěn)定性講，直墻半圓拱巷道優(yōu)于矩形巷道。（3）矩形巷道的幫部位移量達(dá)到6.342cm，直墻半圓拱為3.946cm，從維護(hù)巷道幫部的穩(wěn)定性講，直墻半圓拱巷道優(yōu)于矩形巷道。（4）從巷道圍巖的破壞區(qū)域講，矩形巷道無(wú)論是幫部還是頂、底板，其破壞區(qū)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(hù)圍巖的穩(wěn)定性。

從總體上考慮，直墻半圓拱巷道有利于維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)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(jié)論

本文從實(shí)際出發(fā)，通過鉆孔取芯并到實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，獲得了該礦井的巖層分布及其物理力學(xué)參數(shù)；利用大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)常用的矩形巷道和直墻半圓拱巷道進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并依據(jù)應(yīng)力、位移、破壞區(qū)的指標(biāo)判斷巷道的穩(wěn)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(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3] 楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2004.

[4] 牛少卿.長(zhǎng)壁開采三順槽圍巖控制理論技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[5] 楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學(xué)報(bào)，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?。?978—），男，山西鄉(xiāng)寧人，大專，助理工程師，從事煤礦開采等方面的研究工作。