基于礦區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析的巷道斷面形狀設(shè)計(jì)★

徐兵 王哲 王志修 王大國(guó)

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010)

隨礦井開(kāi)采深度增加，“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜條件下，巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，沖擊危險(xiǎn)性增大。許多學(xué)者對(duì)深部高應(yīng)力巷道設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究［1-3］，包括理論分析、物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了一些成果，但遠(yuǎn)未成熟，特別是在深部沖擊危險(xiǎn)性較大的高應(yīng)力巷道設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員大都重點(diǎn)考慮巷道的支護(hù)方式及參數(shù)，而對(duì)巷道斷面的形狀、水平應(yīng)力等因素考慮較少，往往導(dǎo)致巷道支護(hù)成本提高而效果欠佳。對(duì)于礦區(qū)煤層巷道變形破壞機(jī)理研究有過(guò)不少報(bào)道。張亮等［4］結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)復(fù)合頂板松軟煤層巷道變形破壞機(jī)理進(jìn)行分析，得到巷道變形破壞原因主要是由于原有支護(hù)缺乏主動(dòng)支護(hù)作用。針對(duì)復(fù)雜圍巖環(huán)境條件，陳跟馬等［5］研究了大佛寺煤礦40108工作面巷道變形破壞特征及支護(hù)技術(shù)，提出了“高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿(索)+底角錨桿”支護(hù)技術(shù)控制巷道圍巖穩(wěn)定性。隨著深井巷道的開(kāi)挖，巖體可能隨礦井深度的急劇增大產(chǎn)生軟化效益，張志康等［6］研究了不同深度條件下大斷面巷道的圍巖應(yīng)力、變形及破裂規(guī)律，得到600 m的深度即為研究礦區(qū)的巖石軟化的臨界深度。目前，研究大都從巷道圍巖應(yīng)力及變形角度進(jìn)行分析，探究巷道破壞機(jī)理及其處置措施，而針對(duì)巷道斷面優(yōu)化的研究較少，使得高應(yīng)力巷道設(shè)計(jì)存在一定的局限。賈陳海［7］對(duì)大斷面高地應(yīng)力煤巷斷面形狀進(jìn)行了選擇。付強(qiáng)等［8］基于有限差分軟件FLAC3D，研究了巷道截面形狀等對(duì)于巷道圍巖變形和壓力分布的影響規(guī)律。然而系統(tǒng)地研究不同斷面形狀巷道的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及塑性區(qū)分布規(guī)律，并深入分析了不同側(cè)壓力系數(shù)的影響的研究較少。本文選取矩形、直墻拱形、梯形、圓形和橢圓形5種斷面形狀的巷道，通過(guò)5種典型巷道的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及塑性區(qū)分布規(guī)律，分析不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圓形和橢圓形斷面巷道的影響，進(jìn)而對(duì)巷道斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模型建立

根據(jù)礦區(qū)巷道中常用的幾種斷面，選取矩形、直墻拱形、梯形、圓形和橢圓形5種斷面形狀的巷道進(jìn)行分析，其巷道斷面形狀如圖1所示。

本數(shù)值模擬以兗州濟(jì)寧礦區(qū)某工程為背景，根據(jù)工程地質(zhì)條件，本文建立模擬區(qū)域的長(zhǎng)×寬=80 m×80 m，有限元模擬采用如圖2所示的計(jì)算模型。

本模型邊界條件為:側(cè)向和底部處的位移受限;模型上表面施加25 MPa的荷載;采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則計(jì)算圍巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及變形特征、圍巖塑性區(qū)分布及不同側(cè)壓力系數(shù)的影響。其中計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)果與討論

圖1 巷道斷面形狀

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 計(jì)算參數(shù)

2.1 不同斷面形狀巷道應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

巷道開(kāi)挖導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力從巷道圍巖表面向深部轉(zhuǎn)移，且分布不均勻，由“等效開(kāi)挖”［9，10］理論可知，斷面形狀不同，巷道礦壓規(guī)律也不完全一致，由此產(chǎn)生的巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及塑性區(qū)分布也各有不一。

由圖3可知，矩形、梯形斷面巷道主應(yīng)力差由巷道軸線向兩側(cè)肩、底角逐漸收縮，呈現(xiàn)出不均勻性，越靠近圍巖周邊，主應(yīng)力差的分布越不均勻;遠(yuǎn)離圍巖周邊，主應(yīng)力差的分布逐漸趨向均勻;與矩形、梯形巷道相比，直墻圓拱巷道頂板和幫部邊界均為規(guī)則的曲線，主應(yīng)力差的分布較矩形、梯形巷道明顯改善，均勻性明顯增大;橢圓形、圓形巷道全斷面為曲線，巷道周邊應(yīng)力分布均勻，且圓形巷道基本處于均壓狀態(tài);圖3表明橢圓形及圓形巷道最小;矩形、梯形巷道主應(yīng)力差不均勻區(qū)域的范圍最大，其次是直墻拱形巷道。

圖3 不同斷面形狀巷道圍巖主應(yīng)力差及塑性區(qū)分布圖（單位：MPa）

2.2 不同斷面形狀對(duì)豎向位移的影響

巷道開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放，圍巖應(yīng)力釋放過(guò)程中會(huì)沿開(kāi)挖面產(chǎn)生較大的變形，為了分析研究掌握巷道開(kāi)挖后圍巖變形特征，本文計(jì)算了不同斷面形狀巷道頂板的豎向變形，如圖4所示。

圖4 不同斷面形狀巷道頂板位移

由圖4計(jì)算結(jié)果可知，隨著距巷道頂板距離的增大，巷道頂板在附加荷載的作用下豎向位移隨之減小，但不同斷面形狀巷道頂板位移存在較大差異。其中圓形斷面形狀的巷道變形最小，而矩形斷面形狀的巷道變形最大，兩種斷面形狀巷道頂板位移最大分別為:144.6 mm和97.6 mm。如圖4所示5種斷面形狀的巷道頂板位移大小順序?yàn)榫匦危咎菪危局眽靶危緳E圓＞圓形，最大位移與最小位移相差32.6%。模擬結(jié)果表明巷道邊界線越光滑，巷道頂板位移越小。該結(jié)果也印證了圖3中不同斷面形狀巷道圍巖主應(yīng)力差及塑性區(qū)分布結(jié)果。圖4同時(shí)表明該模擬下不論巷道斷面形狀如何，荷載作用下對(duì)巷道頂板位移的影響距離大約為6 m。

2.3 水平應(yīng)力作用下的斷面形狀優(yōu)化選取

研究表明深部構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)，隨著水平應(yīng)力的不斷提高圍巖能量集聚顯著增長(zhǎng)，沖擊地壓的發(fā)生幾率增加［11］。通過(guò)上文圖4結(jié)果可知圓形和橢圓形斷面的巷道位移較其他形狀斷面都要小，因此本文模擬分別取圓形和長(zhǎng)軸垂直于地層的橢圓形斷面巷道分析水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，對(duì)巷道斷面選取進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算巷道斷面面積為9 m2，埋深1 000 m，側(cè)壓系數(shù)λ分別為0.4，1.0和1.6的巷道主應(yīng)力。其不同側(cè)壓系數(shù)條件下兩種斷面巷道主應(yīng)力分布如圖5～圖7所示。

如圖5所示，當(dāng)λ=0.4時(shí)，在水平方向上的塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)集中的趨勢(shì)，在垂直方向上面的變化范圍不大，塑性區(qū)呈扁平狀分布［11］。相比橢圓形巷道，圓形巷道塑性區(qū)分布更均勻，橢圓形巷道兩幫塑性區(qū)集中。因此，根據(jù)塑性區(qū)分布分析側(cè)壓系數(shù)為0.4時(shí)圓形巷道較橢圓形巷道要好。

如圖6所示，當(dāng)λ=1時(shí)，巷道圍巖處于等壓狀態(tài)，圍巖塑性區(qū)在巷道四周基本呈均勻分布，塑性區(qū)分布近似圓形。巷道兩幫及頂?shù)装逯鲬?yīng)力差峰值一致。橢圓形巷道圍巖的主應(yīng)力峰值略大于圓形巷道。相比之下，橢圓形巷道四周塑性區(qū)較圓形巷道要集中。從而側(cè)壓系數(shù)λ=1的等壓狀態(tài)條件下宜選取圓形斷面巷道。

圖5 λ=0.4的圓形/橢圓形斷面巷道主應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖6 λ=1.0的圓形/橢圓形斷面巷道主應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖7 λ=1.6的圓形/橢圓形斷面巷道主應(yīng)力分布（單位：MPa）

如圖7所示，當(dāng)λ=1.6時(shí)，塑性區(qū)在垂直方向的范圍上呈遞增趨勢(shì)，在水平方向上的范圍則變化不大，但巷道圍巖塑性區(qū)范圍有明顯增大的趨勢(shì)，且塑性區(qū)呈瘦高型分布。橢圓形巷道圍巖的主應(yīng)力差峰值比圓形巷道及長(zhǎng)軸在垂直方向的橢圓形巷道要小。相比于橢圓形巷道，圓形巷道在頂?shù)變商幩苄詤^(qū)集中。橢圓形巷道塑性區(qū)分布更為均勻。

綜上分析可知:當(dāng)水平應(yīng)力較小時(shí)，巷道圍巖主應(yīng)力差峰值出現(xiàn)在水平方向，塑性區(qū)在水平方向的發(fā)育范圍較垂直方向的范圍大，故需盡量減少水平方向上的主應(yīng)力差及塑性區(qū)的分布，降低巷道兩幫的變形量，此時(shí)合理的斷面形狀為圓形巷道［11］。當(dāng)水平應(yīng)力較大時(shí)，巷道圍巖主應(yīng)力差峰值出現(xiàn)在垂直方向，塑性區(qū)在垂直方向的發(fā)育范圍較水平方向的范圍大，故需盡量減少垂直方向上的主應(yīng)力差及塑性區(qū)的分布，降低巷道頂?shù)装宓淖冃瘟?，此時(shí)合理的斷面形狀為長(zhǎng)軸在水平方向的橢圓形巷道。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于有限元程序分析了矩形、直墻拱形、梯形、圓形和橢圓形5種斷面形狀的巷道的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及塑性區(qū)分布規(guī)律，并深入分析了不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)圓形和橢圓形巷道的影響。得到了不同斷面形狀巷道圍巖主應(yīng)力差及塑性區(qū)分布;不同斷面形狀的巷道頂板位移大小順序?yàn)榫匦危咎菪危局眽靶危緳E圓＞圓形。模擬結(jié)果表明巷道邊界線越光滑，巷道頂板位移越小;通過(guò)不同側(cè)壓力系數(shù)的模擬研究得到當(dāng)水平應(yīng)力較大時(shí)，合理的斷面形狀為長(zhǎng)軸在水平方向的橢圓形巷道;當(dāng)水平應(yīng)力較小時(shí)，合理的斷面形狀為圓形巷道。

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