巷道交叉口圍巖應(yīng)力隨角度變化規(guī)律分析

田志宏

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030203）

煤礦井下巷道有很多交叉，巷道交叉口處由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，圍巖應(yīng)力在該結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，故而使得應(yīng)力過大，巷道易發(fā)生破壞，對圍巖的穩(wěn)定極為不利。并且，兩巷道間以不同的角度相交，其圍巖應(yīng)力也有很大的不同。因此，對該區(qū)域圍巖穩(wěn)定性的研究顯得尤為重要［1-3］。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

本文以西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦井下交叉巷道為背景。該煤礦井下交叉巷道有不同的交叉角度，該礦蓋山的細(xì)粒砂巖厚度為294～450 m，平均厚度330 m；所采煤層為2.3號煤，煤層穩(wěn)定，厚度為1.9～3.2 m，平均厚度為2.6 m。煤層頂、底板情況見表1。

表1 煤層頂、底板情況

模型將會采用T字型巷道交叉的形式構(gòu)建，基于已有研究成果及西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦井下巷道現(xiàn)狀可知，兩巷道間交叉的形式有很多，交叉角度各異［4-5］。本文將擬建五種工況開展研究，兩巷道間的交叉角度分別為30°、45°、60°、75°、90°（見圖1）。

已有研究資料表明，巷道開挖對其3～5倍巷道尺寸范圍內(nèi)的巖體會產(chǎn)生影響，對于該尺寸范圍以外的巖體影響較?。?-8］。本文所研究巷道為矩形巷道，巷道尺寸為：高×寬=3.0 m×4.5 m，故而所構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=45 m×45 m×40 m。本文所研究的兩巷道間不同的交叉角度下圍巖穩(wěn)定性，僅作為規(guī)律性研究，故而為了研究簡便，將各巖層做出如下處理，巷道頂部及以上巖層、底部及以下巖層全為砂質(zhì)泥巖，煤層厚度4 m，數(shù)值模型建立是將兩巷道置于煤層中。

圖1 擬建分析工況

圖2 巷道交叉角度45°和90°模型網(wǎng)格劃分

模擬基于有限元軟件Madis GTS/NX，建立西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦井下巷道交叉口數(shù)值模型。模型網(wǎng)格劃分見圖2；各巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖土層計算參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析

1）工況1：兩巷道間的交叉角度為30°

當(dāng)兩巷道間的交叉角度為30°時，交叉口處圍巖的水平應(yīng)力σx、橫向應(yīng)力σy和豎向應(yīng)力σz的數(shù)值計算云圖（見圖3）。由圖3可見，σx、σy和σz的最大值分別為0.37 MPa、0.46 MPa和1.28 MPa?？梢钥闯?，x、y方向的應(yīng)力值較為接近，且相對于z方向的應(yīng)力值要小，故需著重關(guān)注z方向的應(yīng)力變化。

2）工況2：兩巷道間的交叉角度為45°

當(dāng)兩巷道間的交叉角度為45°時，交叉口處圍巖的水平應(yīng)力σx、橫向應(yīng)力σy和豎向應(yīng)力σz的數(shù)值計算云圖（見圖4）。由圖4可見，σx、σy和σz的最大值分別為0.57 MPa、0.36 MPa和1.20 MPa。隨著角度由30°增加到45°時，x方向的應(yīng)力值增大，但y、z方向的應(yīng)力值減小，在此交叉角度范圍內(nèi)的工況，除了要關(guān)注z方向應(yīng)力變化，還需注意x方向的應(yīng)力情況。

圖3 巷道交叉角度30°工況數(shù)值計算應(yīng)力云圖

圖4 巷道交叉角度45°工況數(shù)值計算應(yīng)力云圖

3）工況3：兩巷道間的交叉角度為60°

當(dāng)兩巷道間的交叉角度為60°時，交叉口處圍巖的水平應(yīng)力σx、橫向應(yīng)力σy和豎向應(yīng)力σz的數(shù)值計算云圖（見圖5）。由圖5可見，σx、σy和σz的最大值分別為0.42 MPa、0.35 MPa和1.18 MPa。隨著交叉角度繼續(xù)增加，x、y、z方向的應(yīng)力值都略微減小，x方向應(yīng)力值降幅最大。

圖5 巷道交叉角度60°工況數(shù)值計算應(yīng)力云圖

4）工況4：兩巷道間的交叉角度為75°

當(dāng)兩巷道間的交叉角度為75°時，交叉口處圍巖的水平應(yīng)力σx、橫向應(yīng)力σy和豎向應(yīng)力σz的數(shù)值計算云圖（見圖6）。由圖6可見，σx、σy和σz的最大值分別為0.41 MPa、0.42 MPa和0.98 MPa。當(dāng)交叉角度增加到75°時，x、z方向的應(yīng)力值減小，y方向應(yīng)力值增加。

圖6 巷道交叉角度75°工況數(shù)值計算應(yīng)力云圖

5）工況5：兩巷道間的交叉角度為90°

當(dāng)兩巷道間的交叉角度為90°時，交叉口處圍巖的水平應(yīng)力σx、橫向應(yīng)力σy和豎向應(yīng)力σz的數(shù)值計算云圖（見圖7）。由圖7可見，σx、σy和σz的最大值分別為0.35 MPa、0.35 MPa和0.98 MPa。隨著交叉角度轉(zhuǎn)為90°，三個方向的應(yīng)力值都降到了最小。

圖7 巷道交叉角度90°工況數(shù)值計算應(yīng)力云圖

通過對五種工況進(jìn)行數(shù)值模擬、計算并統(tǒng)計，得到如圖8中的應(yīng)力隨角度變化的曲線。由圖8可知：

①無論兩巷道間的交叉角度是多少，豎向應(yīng)力都要大于水平應(yīng)力和橫向應(yīng)力，其值的大小為水平應(yīng)力、橫向應(yīng)力的2～3倍。

②隨著兩巷道間的交叉角度由30°增加到90°，豎向應(yīng)力呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，交叉角度在30°～60°間變化時，豎向應(yīng)力下降幅度較小，降幅為7.81%；交叉角度在60°～75°間變化時，豎向應(yīng)力下降幅度較大，降幅16.95%；交叉角度在75°～90°間變化時，豎向應(yīng)力值幾乎沒有發(fā)生變化。

③隨著兩巷道間的交叉角度由30°增加到90°，水平應(yīng)力呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，交叉角度在30°～45°間變化時，橫向應(yīng)力增加，增幅為54.05%；交叉角度在45°～60°間變化時，水平應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢，且下降幅度較大，降幅26.32%；交叉角度在60°～90°間變化時，水平應(yīng)力值降低，降幅16.67%。

④隨著兩巷道間的交叉角度由30°增加到90°，橫向應(yīng)力呈現(xiàn)先降低后增長再下降的趨勢，交叉角度在30°～60°間變化時，橫向應(yīng)力降低，降幅為23.91%；交叉角度在60°～75°間變化時，橫向應(yīng)力出現(xiàn)增長趨勢，增幅20%；交叉角度在75°～90°間變化時，橫向應(yīng)力值降低，降幅16.67%。

不過從整體應(yīng)力隨交叉角度變化的趨勢看，三個方向的應(yīng)力值都呈現(xiàn)總體下降的趨勢，只是豎向應(yīng)力值總體變化較為明顯，水平應(yīng)力和橫向應(yīng)力值僅是在小范圍內(nèi)波動。

圖8 應(yīng)力隨角度變化的曲線

3 結(jié)語

基于有限元軟件Madis GTS/NX，建立西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦井下巷道交叉口數(shù)值模型，針對巷道交叉口的圍巖應(yīng)力變化擬建五種工況（兩巷道間的交叉角度為30°、45°、60°、75°和90°）開展分析。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交叉角度由30°變化到90°，水平應(yīng)力、橫向應(yīng)力及豎向應(yīng)力隨交叉角度的增大均呈現(xiàn)總體下降的趨勢，只是豎向應(yīng)力值總體變化較為明顯，水平應(yīng)力和橫向應(yīng)力值僅是在小范圍內(nèi)波動。另外，交叉角度越小，交叉口區(qū)域圍巖水平、橫向、豎向應(yīng)力值越大，巷道圍巖越不穩(wěn)定。故而當(dāng)煤礦井下巷道修建時，如果兩巷道間需要交叉修建，此時盡量使得交叉角度大于45°。如果遇到必須小角度交叉修建巷道時，就需要著重關(guān)注交叉點豎向應(yīng)力大小，并對其加強(qiáng)支護(hù)，且對水平和橫向應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控。