基于最優(yōu)矢跨比的拱形大巷拱高設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

薛 帥

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè) ，山西 晉城 048000）

拱形斷面具有減小應(yīng)力集中、提高斷面利用率、減小掘進(jìn)工程量等諸多優(yōu)勢，尤其是在復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)用更為廣泛。但礦井在設(shè)計(jì)拱形斷面時(shí)，多從滿足巷道基本功能的角度出發(fā)，對(duì)巷道斷面形式引起的應(yīng)力分布等問題考慮較少，設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)依據(jù)，導(dǎo)致巷道維護(hù)狀況不佳。并且現(xiàn)在多數(shù)支護(hù)設(shè)計(jì)都是在巷道斷面確定之后，屬于滯后設(shè)計(jì)，未能充分發(fā)揮巷道斷面本身的支護(hù)作用[1～2]。拱形斷面巷道矢跨比為設(shè)計(jì)時(shí)最重要的因素，為矢高與跨徑之比。因此，針對(duì)趙莊煤業(yè)三盤區(qū)巷道斷面進(jìn)行研究，分析不同矢跨比條件下，圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)等分布情況，為斷面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

趙莊煤業(yè)三盤區(qū)有三條盤區(qū)大巷，均布置在煤層中，服務(wù)年限約10年。原始設(shè)計(jì)采用矩形斷面，由于埋深超過750m，地應(yīng)力作用明顯，且煤質(zhì)酥軟、構(gòu)造復(fù)雜、采動(dòng)影響頻繁，大巷變形嚴(yán)重，平均每年返修1～2次，返修方式多為挑頂、擴(kuò)幫、起底之后，重新進(jìn)行噴漿和錨桿索支護(hù)。隨著返修次數(shù)增多，趙莊煤業(yè)認(rèn)識(shí)到巷道斷面設(shè)計(jì)重要性，為增強(qiáng)巷道圍巖自身承載能力，擬將巷道斷面設(shè)計(jì)成直墻拱形。

大巷頂?shù)装鍘r性見表1所示。

表1 頂?shù)装鍘r性表

2 數(shù)值模型建立

固定直墻高度2m，跨度5.5m，根據(jù)工程實(shí)際賦予各巖層參數(shù)，分別建立巷道矢跨比為0（矩形）、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50時(shí)數(shù)值計(jì)算模型，部分模型如圖1所示。

圖1 部分不同矢跨比數(shù)值計(jì)算模型

3 運(yùn)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 圍巖應(yīng)力分布

不同矢跨比條件下，經(jīng)過運(yùn)算得到巷道圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布云圖，部分結(jié)果見圖2所示。

圖2 部分不同矢跨比數(shù)值計(jì)算模型

不同矢跨比條件下，幫部不同深度圍巖垂直應(yīng)力分布情況見圖3所示。

圖3 不同矢跨比巷道幫部圍巖垂直應(yīng)力分布

由圖2和圖3可以看出，巷道斷面由矩形變化到半圓拱形，圍巖垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力峰值均向巷道淺部轉(zhuǎn)移。矢跨比在0～0.3之間，隨矢跨比增大，垂直應(yīng)力峰值注漿向巷幫淺部圍巖轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力集中系數(shù)有所下降，但矢跨比由0.3到0.5變化過程中，應(yīng)力集中系數(shù)減小不明顯。

3.2 塑性區(qū)分布

不同矢跨比條件下，經(jīng)過運(yùn)算得到巷道圍巖塑性區(qū)分布圖，部分結(jié)果見圖4所示。

圖4 部分不同矢跨比塑性區(qū)分布圖

由圖4可以看出，矢跨比在0～0.3之間，隨矢跨比增大，巷道頂幫圍巖塑性區(qū)范圍有減小趨勢，但矢跨比由0.3到0.5變化過程中，頂板和兩幫圍巖塑性區(qū)變化不大，但底板圍巖塑性區(qū)范圍略有增大，這主要是由于在兩幫壓模效應(yīng)和水平應(yīng)力作用下，容易引起底鼓。

3.3 頂板下沉量

不同矢跨比條件下，巷道頂板不同深處頂板下沉量如圖5（a）所示，巷道頂板同一深度不同矢跨比條件下圍巖下沉量對(duì)比結(jié)果量如圖5（b）所示。

由圖5可以看出，矢跨比在0～0.3之間，隨矢跨比增大，頂板圍巖位移量逐漸減小，巷道頂板下沉量主要集中在0～3m范圍內(nèi)；巷道頂板下沉量在矢跨比為0.3時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，變化速率逐漸降低，說明巷道矢跨比達(dá)到0.3后，再提高矢跨比，巷道頂板下沉量減小不再明顯。

圖5 頂板位移變化曲線

根據(jù)上述研究，最優(yōu)矢跨比為0.3，因此初始設(shè)計(jì)拱高為1.65m。

4 結(jié)論

1）拱形斷面大巷拱高設(shè)計(jì)應(yīng)得到足夠的重視，矢跨比為最重要設(shè)計(jì)因素；

2）建立不同矢跨比下數(shù)值計(jì)算模型，研究圍巖應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布、頂板下沉量三個(gè)因素；

3）計(jì)算結(jié)果表明，矢跨比在0～0.3時(shí)，隨矢跨比增大，圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)和頂板下沉量減小明顯，矢跨比在0.3～0.5時(shí)，隨矢跨比增大，變化速率明顯下降且底鼓有增大區(qū)域，因此以0.3作為最優(yōu)矢跨比，初始設(shè)計(jì)拱高為1.65m。