不同巷道斷面形狀對(duì)圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

段燕偉DUAN Yan-wei

（黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱 150022）

0 引言

巷道斷面形狀是影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，不同的斷面形狀將影響巷道圍巖的應(yīng)力分布，從而產(chǎn)生不同的圍巖狀態(tài)。不同斷面形狀的巷道難以在同一地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)，而數(shù)值模擬可以輕松實(shí)現(xiàn)同一地質(zhì)條件下不同工況的研究。因此借助數(shù)值模擬的手段，可以研究同一地質(zhì)條件下不同巷道形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

鑒于此，國(guó)內(nèi)學(xué)者借助數(shù)值模擬軟件做出了大量研究，姬書強(qiáng)[1]采用有限元軟件，研究了圍巖力學(xué)性能的影響。李曉斌[2]等通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)矩形和直墻平頂肩角微拱形厚頂煤巷道應(yīng)力分布特征進(jìn)行了對(duì)比分析。程國(guó)棟[3]采用PFC 2D軟件研究分析了6種不同斷面形狀的巷道圍巖變形破裂特征。張一夫[4]等利用有限體積法對(duì)不同巷道斷面形狀的圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬，并定量分析巷道斷面形狀對(duì)圍巖的影響。張曉剛[5]等通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)深井軟巖巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并由此提出了支護(hù)方案。郭曉菲[6]等結(jié)合蝶形破壞理論對(duì)不同巷道斷面形狀的適用性進(jìn)行了探討。劉康等[7]開展了臨近爆破條件下巷道斷面形狀對(duì)圍巖裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究。董紅娟[8]等利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道斷面形狀進(jìn)行了模擬分析，得出最優(yōu)巷道形狀，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。王克義[9]利用數(shù)值模擬手段對(duì)不同斷面形狀下巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并提出合理的支護(hù)參數(shù)。王剛[10]模擬分析了三種不同斷面形狀巷道的破壞特征和圍巖變形量，得出最優(yōu)斷面，并提出支護(hù)方案。張進(jìn)鵬[11]等分析了大傾角煤巖層條件下，對(duì)半圓拱形、斜頂梯形以及偏心圓弧形巷道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并從耦合支護(hù)的角度，選擇最優(yōu)的巷道形狀。李曉斌[12]等針對(duì)厚煤層矩形巷道支護(hù)困難的問(wèn)題，利用數(shù)值模擬研究，改進(jìn)了巷道形狀，采用直墻平頂肩角微拱形，對(duì)支護(hù)難題有所改善。以上研究均針對(duì)某一種特定地質(zhì)條件，利用數(shù)值模擬，從巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行分析，但對(duì)于不同斷面形狀巷道圍巖的應(yīng)力、變形和塑性區(qū)域較為全面的研究相對(duì)不足。

本文為研究斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)矩形、梯形和直墻圓拱形三種斷面形狀的巷道進(jìn)行了模擬，并全面分析了不同斷面形狀巷道圍巖的應(yīng)力特征、變形特征和塑性區(qū)域的分布規(guī)律，從而選取該地質(zhì)條件下最佳巷道斷面形狀，為解決工程問(wèn)題提供依據(jù)，同時(shí)為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

紅慶梁煤礦3-1煤層為主采煤層，厚度為4.7m～5.7m，平均煤厚為5.15m。煤層傾角為0-6°，平均傾角為3°。3-1號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，呈黑色，瀝青光澤，參差狀、棱角狀斷口，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，常為黃鐵礦及方解石薄膜充填，條帶狀結(jié)構(gòu)，屬半暗型煤。局部含1層夾矸，厚度為0.15～1.0m，夾矸巖性為砂質(zhì)泥巖或砂巖。

11303 綜采工作面沿煤層傾向布置，工作面順槽沿煤層走向布置。該工作面位于3-1煤輔助運(yùn)輸大巷西部，走向長(zhǎng)為4290m，傾向長(zhǎng)為275m。11303工作面回風(fēng)巷頂板為細(xì)砂巖，呈灰色，局部含植物化石，平行層理發(fā)育；底板為泥巖，灰色，局部含植物化石，巖屑及云母碎片，泥巖膠結(jié)。在現(xiàn)有支護(hù)條件下，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。

2 模擬方案

本次數(shù)值模擬以紅慶梁煤礦11303回風(fēng)巷為工程背景，根據(jù)工程地質(zhì)條件，建立模型。模擬區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)×寬×高=50m×30m×45m，其中矩形巷道斷面為寬×高=5.5m×4m，梯形巷道斷面為上底/下底×高=4.5m/5.5m×4m，直墻圓拱形巷道斷面為寬5.5m，拱形半徑為2.75m，墻高為1.25m。模型網(wǎng)格采用“中間密四周疏”的劃分原則，以底板左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，傾向?yàn)閤軸方向，走向?yàn)閥軸方向，重力方向?yàn)閦軸方向。

模型整體采用Mohr-Coulomb力學(xué)模型，巷道開挖采用null模型代替。該模型限制其側(cè)向和底部處位移，在上表面施加12.2 MPa的等效荷載，模擬上覆巖體的自重條件。表1為圍巖力學(xué)參數(shù)。模擬深入揭示不同巷道斷面形狀開挖穩(wěn)定后圍巖應(yīng)力特征、變形特征、圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖應(yīng)力特征

圖1為不同形狀巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖。由圖可知，①不同形狀巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律一致，巷道兩幫為高應(yīng)力區(qū)域，兩幫以橢圓形式向兩側(cè)擴(kuò)散；頂?shù)装鍨榈蛻?yīng)力區(qū)域，以半圓的形式向兩側(cè)擴(kuò)散，最終過(guò)渡為原巖應(yīng)力區(qū)域。

圖1 不同形狀巷道垂直應(yīng)力云圖

②不同形狀的巷道應(yīng)力區(qū)域分布略有不同：就兩幫高應(yīng)力區(qū)域而言，矩形巷道高應(yīng)力區(qū)域最大，直墻圓拱形巷道最小，梯形巷道居中；對(duì)于巷道頂?shù)装宓牡蛻?yīng)力區(qū)域因巷道形狀而異，梯形巷道和直墻圓拱形巷道頂?shù)装鍛?yīng)力不對(duì)稱，頂板低應(yīng)力區(qū)域相對(duì)較小。

③不同形狀巷道的應(yīng)力峰值不同，矩形巷道高應(yīng)力峰值為21.66MPa，梯形巷道為19.49MPa，直墻圓拱形為19.45MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.86降到了1.59。因此，巷道形狀影響巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，三種巷道形狀中，直墻圓拱形巷道兩幫高應(yīng)力區(qū)域最小，且高應(yīng)力最大值較??；頂?shù)装鍛?yīng)力分布均勻，直墻圓拱形巷道更利于巷道穩(wěn)定。

為分析巷道圍巖的應(yīng)力變化特征，分別沿巷道頂?shù)装澹ㄖ胁浚⒂規(guī)停ň嗟装?m）、頂角和底角位置（與水平方向呈45°夾角方向），設(shè)置測(cè)線，側(cè)線長(zhǎng)度為15m，每隔1m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。不同形狀巷道條件下，不同位置的應(yīng)力變化不同：頂、底板和右?guī)痛怪睉?yīng)力變化規(guī)律相似，不同巷道的應(yīng)力差值不大；巷道底角垂直應(yīng)力變化為先增大后減小，梯形和直墻圓拱形巷道底角垂直應(yīng)力變化規(guī)律相似，而矩形巷道底角垂直應(yīng)力整體偏低；梯形巷道頂角垂直應(yīng)力整體偏低，且在8m范圍內(nèi)遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力，而直墻圓拱形巷道頂角相對(duì)穩(wěn)定，有利于巷道的整體穩(wěn)定。綜上所述，從巷道應(yīng)力分布來(lái)看，直墻圓拱形巷道應(yīng)力分布較為均勻，高應(yīng)力區(qū)域較小，整體穩(wěn)定性最好。

3.2 巷道圍巖變形特征

圖2為不同巷道寬高比圍巖垂直位移云圖。由圖可知，①巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，垂直位移分布呈對(duì)稱分布，垂直位移主要發(fā)生在巷道頂?shù)装?。從分布范圍?lái)看，頂板分布范圍較小，底板分布范圍較大。從位移值上來(lái)看，頂板垂直位移較大。

圖2 不同形狀巷道垂直位移云圖

②對(duì)比三種巷道斷面形狀的垂直位移，矩形巷道頂板位移最大為8.04mm，梯形巷道和直墻圓拱形巷道頂板位移較小，分別為6.09mm和6.08mm。矩形巷道和直墻圓拱形巷道底板位移較大，分別為5.79mm和5.72mm，梯形巷道底板位移為5.56mm。綜上所述，巷道形狀對(duì)于巷道圍巖變形有較大影響，直墻圓拱形巷道底板變形量相對(duì)較小，底鼓范圍也相對(duì)較小，因此直墻圓拱形巷道圍巖變形量最小，巷道圍巖更穩(wěn)定。

3.3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖3為不同形狀巷道塑性區(qū)域分布圖。由圖可知，①不同形狀的巷道圍巖塑性區(qū)破壞方式基本一致，破壞形態(tài)為“X”型，頂?shù)装鍨槔炱茐?，巷幫及頂?shù)捉俏恢脼榧羟衅茐?。②與直墻圓拱形相比，梯形巷道和矩形巷道塑性破壞范圍稍大，尤其體現(xiàn)在頂板和頂角位置，這與垂直應(yīng)力分布結(jié)果一致，頂?shù)捉鞘窍锏绹鷰r變形破壞的關(guān)鍵位置。③整體來(lái)看，三種形狀巷道底角的剪切破壞比較嚴(yán)重，直墻圓拱形巷道底角塑性區(qū)域相對(duì)較小，這是因?yàn)閳A拱形巷道應(yīng)力分布均勻，不易形成應(yīng)力集中，從而使巷道圍巖應(yīng)力處于相對(duì)平衡的狀態(tài)，不易發(fā)生較大范圍的塑性破壞。綜上所述，巷道形狀為直墻圓拱形時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)域最小，更有利于巷道圍巖穩(wěn)定。

圖3 不同形狀巷道塑性區(qū)域分布

4 結(jié)論及建議

①不同形狀巷道的應(yīng)力峰值不同，矩形巷道高應(yīng)力峰值為21.66MPa，梯形巷道為19.49MPa，直墻圓拱形為19.45MPa，應(yīng)力集中系數(shù)從1.86降到了1.59。巷道底角垂直應(yīng)力變化為先增大后減小，梯形和直墻圓拱形巷道底角垂直應(yīng)力變化規(guī)律相似，而矩形巷道底角垂直應(yīng)力整體偏低；梯形巷道頂角垂直應(yīng)力整體偏低，且在8m范圍內(nèi)遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力，而直墻圓拱形巷道頂角相對(duì)穩(wěn)定，有利于巷道的整體穩(wěn)定。

②垂直位移主要發(fā)生在巷道頂?shù)装濉木匦蔚教菪卧俚街眽A拱形巷道，頂?shù)装宓奈灰品秶冃。掖怪蔽灰品逯狄沧兇?，底板垂直位移?.04mm增加到6.08mm，頂板垂直位移從5.79mm降低到5.71mm。這表明直墻圓拱形巷道圍巖變形量最小。

③巷道圍巖塑性區(qū)破壞方式基本一致，頂?shù)装鍨槔炱茐?，巷幫及頂?shù)捉俏恢脼榧羟衅茐?。與直墻圓拱形巷道相比，梯形巷道和矩形巷道塑性破壞范圍稍大，尤其體現(xiàn)在頂板和頂角位置，且直墻圓拱形巷道頂板塑性破壞范圍最小。

④通過(guò)從應(yīng)力特征、變形特征和塑性區(qū)域分布三個(gè)方面，分析矩形、梯形和直墻圓拱形三種斷面形狀的巷道圍巖穩(wěn)定性，建議采用直墻圓拱形巷道，該形狀斷面巷道圍巖穩(wěn)定性最好，從模擬結(jié)果上來(lái)看，可以較好地解決底鼓問(wèn)題。