巷道斷面形狀對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響數(shù)值分析

倪紹武

摘 要：為探討巷道斷面形狀對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，本文結(jié)合丁集煤礦實(shí)際情況，采用FLAC軟件對(duì)矩形、直墻半圓拱、圓形三種斷面形狀與圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)分布之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：不同形狀巷道圍巖塑性區(qū)幾乎一致；矩形巷道頂部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力頂部采用拱形后拉應(yīng)力區(qū)顯著減小。

關(guān)鍵詞：巷道 斷面形狀 圍巖 塑性區(qū) 應(yīng)力場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0152-01

影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素有三個(gè)：巖體應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和支護(hù)技術(shù)。同理，與其相對(duì)應(yīng)的，巷道圍巖控制就有三個(gè)基本途徑：（1）降低巖體應(yīng)力；（2）提高圍巖強(qiáng)度；（3）選擇合理的支護(hù)技術(shù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型及有關(guān)參數(shù)

FLAC軟件所構(gòu)模型尺寸為長(zhǎng)×寬=50 m×50m，共劃分200×200=40000個(gè)單元，上覆巖層施加18.75 MPa載荷，整個(gè)模型處于靜水壓力狀態(tài)。模型采用均質(zhì)材料，該材料服從Mohr-Coulomb模型，材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 圍巖塑性區(qū)分布

不同斷面形狀的巷道圍巖的塑性區(qū)分布，由于巷道的采掘，頂?shù)装寤A(chǔ)位于兩幫，在垂直應(yīng)力作用下，使得由于采掘而產(chǎn)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(yīng)力，所以該巷道兩幫的塑性區(qū)范圍要比頂?shù)装逵绊懛秶螅瑥南锏绹鷰r塑性區(qū)的分布和大小可以看出，這幾種斷面形狀的巷道塑性區(qū)分布基本一致，和開(kāi)挖半徑為2.5 m的圓形巷道受壓所造成的塑性分布區(qū)等效，也就是說(shuō)，不同斷面形狀巷道的采掘，相當(dāng)于采掘了同等直徑的圓形巷道。

3 圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布

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

巷道圍巖拉應(yīng)力分布情況：（1）矩形巷道斷面周邊均出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，四周均出現(xiàn)了拉應(yīng)力破壞區(qū)，與圍巖塑性區(qū)的分布相吻合；（2）矩形巷道四周拉應(yīng)力區(qū)明顯大于其它斷面的巷道拉應(yīng)力區(qū)，尤其是巷道的頂部；（3）在頂部采用拱形后，頂部的拉應(yīng)力區(qū)顯著減小，巷道幫部的拉應(yīng)力區(qū)也有所縮小，避免了幫部發(fā)生拉破壞，但頂部斷面形狀對(duì)幫部拉應(yīng)力的影響作用十分有限，而幫部斷面形狀對(duì)拉應(yīng)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(shì)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(yīng)力集中影響出現(xiàn)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(wěn)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(shè)置了一條10 m長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)線，每條監(jiān)測(cè)線均勻布置20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)果如圖1所示。

5 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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