相鄰平行巷道圍巖應(yīng)力數(shù)值分析

王 吉

（大同煤礦集團(tuán) 四臺(tái)礦，山西 大同 037032）

引言

在煤礦建設(shè)過程中，巷道開挖后，其圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生很大的變化，在它的周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)影響帶，這個(gè)影響帶會(huì)對(duì)巷道的穩(wěn)定性和支護(hù)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)兩條巷道平行開挖時(shí)，每條巷道都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)影響帶［1］，只要兩個(gè)巷道之間的影響帶彼此之間不重疊，就可以認(rèn)為它們之間不會(huì)產(chǎn)生相互影響。如果兩個(gè)巷道之間距離比較近，影響帶相互疊加，巖柱將會(huì)承受比較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過巖柱所能承受的最大應(yīng)力時(shí)，巖柱就會(huì)發(fā)生破壞，從而給巷道維護(hù)造成一定的影響。

巖石一般認(rèn)為是脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，決定直墻拱形巷道圍巖是否破壞的主要因素是巷道圍巖強(qiáng)度是否達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，其中關(guān)鍵點(diǎn)是巷道圍巖的拱頂、拱基、墻中、墻基幾個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力水平［2］。這些關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力與巷道采深，巖柱寬度有直接的關(guān)系［3，4］。

本文基于有限元軟件ANSYS，通過建立不同巷道采深，不同巖柱間距的相鄰平行拱形直墻巷道模型，模擬巷道圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)，確定這些關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力規(guī)律，為安全生產(chǎn)提供必要的參考。

1 數(shù)值模型建立

為分析簡(jiǎn)便，采用二維建模形式，將巷道布置在同一種巖石的巖層中，模型寬100m，高40m，巖層為砂巖，此巖石的密度為2 600kg／m3，彈性模量為28GPa，泊松比為0.2，巖石容重為25kN／m3。巷道寬5m，高4.5m，由于巷道周邊是研究重點(diǎn)，所以將巷道周圍網(wǎng)格密集劃分，整個(gè)模型如圖1所示。左右邊界施加Y方向位移及自由度約束條件，下邊界施加Y方向位移約束，上邊界在每一個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上施加Y方向壓力，左右邊界按照側(cè)壓系數(shù)為1施加壓力，壓力值都為容重與采深的乘積。

圖1 相鄰平行拱形巷道數(shù)值模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同采深巷道圍巖應(yīng)力分布

下頁圖2所示為巖柱寬度在30m，側(cè)壓系數(shù)設(shè)置為1時(shí)，在不同采深下，巷道圍巖水平方向應(yīng)力分布圖。由圖2可見，在某一采深下，兩巷道應(yīng)力分布呈對(duì)稱分布，巷道變形在斷面積縮小的同時(shí)多偏向與巖柱一側(cè)，巖柱應(yīng)力分布呈馬鞍狀。在不同的采深下，巷道應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同，只是由于上覆巖層壓力變化，導(dǎo)致巷道各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力值發(fā)生變化，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 不同采深巷道圍巖水平應(yīng)力分布

表1 不同采深巷道關(guān)鍵點(diǎn)水平、垂直應(yīng)力值

由表1可以看出，在巷道不同的關(guān)鍵點(diǎn)，不管是水平應(yīng)力還是垂直應(yīng)力，都隨著采深的增加而增加，采深越大，巷道圍巖所承受的應(yīng)力水平越高，巷道越容易破壞。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在巷道拱頂，垂直應(yīng)力很小，水平應(yīng)力相對(duì)較大，那么拱頂?shù)钠茐目梢哉J(rèn)為是水平構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。拱基是直墻和半圓拱的連接處，此處的水平應(yīng)力相對(duì)較小而垂直應(yīng)力比較大，當(dāng)采深達(dá)到600m時(shí)，此處垂直應(yīng)力會(huì)達(dá)到61.74MPa，是所有關(guān)鍵點(diǎn)中應(yīng)力最大值，此處也是巷道最容易產(chǎn)生破壞的地方。直墻中間位置處，水平應(yīng)力很小，這與圓形巷道巷道壁處軸向應(yīng)力為0的理論分析是相似的，垂直應(yīng)力隨著采深的增加而增加，所以采深越大，巷幫移近量越大。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，所以當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，巷道壁巖石會(huì)產(chǎn)生劈裂破壞，即發(fā)生層裂現(xiàn)象；墻底位置是直墻與底板的交界處，此關(guān)鍵點(diǎn)可以認(rèn)為處于三向應(yīng)力狀態(tài)，雖然水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力都比較大，但是由于巖石三軸抗壓、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度，所以此關(guān)鍵點(diǎn)不容易發(fā)生破壞，從而為底鼓的形成提供了條件。

綜上所述，隨著采深的增加，拱基處是巷道最容易破壞的地方，需要在實(shí)際巷道維護(hù)中加強(qiáng)支護(hù)。

2.2 不同巖柱寬度巷道圍巖應(yīng)力分布

下頁圖3所示為在采深500m，側(cè)壓系數(shù)為1的情況下，不同巖柱寬度，相鄰平行巷道圍巖水平應(yīng)力分布圖。從圖3中可以看出，不同的巖柱寬度，巷道應(yīng)力分布是不同的。當(dāng)巖柱寬度大于20m時(shí)，巖柱受力比較平緩，相鄰巷道產(chǎn)生的應(yīng)力相互影響比較弱，巖柱中央受力基本上可以認(rèn)為是原巖應(yīng)力。當(dāng)巖柱寬度小于20m時(shí)，相鄰巷道產(chǎn)生的應(yīng)力分布相互影響比較嚴(yán)重，靠近巷道兩端出現(xiàn)比較大的應(yīng)力，對(duì)巷道支護(hù)會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。巖柱寬度為20m時(shí)，應(yīng)力分布圖呈現(xiàn)出深馬鞍狀，兩巷道在巖柱中央產(chǎn)生的應(yīng)力疊加小于靠近巷道壁處的應(yīng)力疊加，說明巖柱靠近巷道兩端容易發(fā)生破壞。當(dāng)巖柱寬度為10m，5m時(shí)，應(yīng)力分布呈現(xiàn)拱形，此時(shí)兩巷道在巖柱中央產(chǎn)生的應(yīng)力疊加大于靠近巷道壁處的應(yīng)力疊加，此時(shí)說明兩巷道的影響帶已經(jīng)重合，巖柱會(huì)很容易被壓壞，失去原來的作用。

圖3 不同巖柱寬度巷道圍巖水平應(yīng)力分布

由圖4－1可見，在水平方向上，拱基和墻中兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱頂?shù)膽?yīng)力隨著巖柱寬度的增加有幅值較小的增加，墻底的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加在減小。由圖4－2可見，在垂直方向上，拱頂?shù)膽?yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱基、墻中和墻底三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加而減小。所以，巖柱寬度越大，巷道周邊所受到的應(yīng)力越小，對(duì)于巷道的維護(hù)越有利。但是，巖柱寬度越大，兩條平行巷道之間的聯(lián)絡(luò)巷就越遠(yuǎn)，不僅帶來經(jīng)濟(jì)上的損失，而且實(shí)際生產(chǎn)中也會(huì)增加運(yùn)輸成本、增加工人勞動(dòng)力，所以學(xué)者通過大量總結(jié)實(shí)際工程中的平行巷道巖柱寬度，總結(jié)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式［1］：

式中：B為巖柱寬度；a為巷道寬度的一半；b為巖柱周邊破裂區(qū)寬度；H 為采深；h為巖柱高度。

3 結(jié)論

1）巷道采深越大，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所承受的應(yīng)力越大。不管是水平應(yīng)力還是垂直應(yīng)力，基本上隨著采深的增加呈線性增加。

圖4 巷道圍巖應(yīng)力與巖柱寬度之間的關(guān)系

2）在各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中，隨著采深的增大，巷道拱基處的應(yīng)力增加最多，承受的應(yīng)力也最大，也是直墻拱形巷道最容易破壞的地方。

3）當(dāng)巖柱寬度較小時(shí)，容易造成相鄰巷道影響帶的疊加，使巖柱承受很大的應(yīng)力，造成巖柱損壞，巷道失穩(wěn)。垂直方向上，拱頂?shù)膽?yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱基、墻中和墻底三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加而減小。水平方向上，拱基和墻中兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，墻底的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加在減小。

［1］ 陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994：33－39.

［2］ 劉加冬，陸文，陸洪斌，等.半圓拱形巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的研究［J］.礦業(yè)快報(bào)，2008（3）：22－24.

［3］ 鄒喜正，李華祥.平行相鄰巷道間距的確定［J］.江蘇煤炭，1997（1）：38－40.

［4］ 馮大福，賀英魁.兩巷道間的最短凈巖柱計(jì)算［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33：70－71.