孫宇超

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100000)

0 引言

礦山開(kāi)采過(guò)程中巷道的斷面形狀隨礦體的賦存條件、礦體強(qiáng)度及地應(yīng)力情況的不同存在多種形式，科學(xué)合理的斷面形狀可以有效地減緩圍巖的應(yīng)力，提高巷道的穩(wěn)定性，即使遇到破碎巖層時(shí)，也可以采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式提高巷道的穩(wěn)定性，減弱巷道的應(yīng)力條件，提高巷道質(zhì)量，減少支護(hù)成本。礦山在開(kāi)采過(guò)程中，尤其是煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤層的賦存條件常常呈水平或傾斜狀，且傾斜煤層居多，地應(yīng)力相對(duì)較大，對(duì)于傾斜煤層的巷道斷面形狀，主要以等腰梯形和直角梯形的方式進(jìn)行布置，巷道的應(yīng)力條件復(fù)雜，支護(hù)困難，時(shí)常出現(xiàn)片幫、頂板冒落和離層等危險(xiǎn)情況。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)煤礦巷道斷面的布置形式及支護(hù)方式進(jìn)行了研究。楊旭明[1]研究了大斷面煤巷巷寬效應(yīng)及支護(hù)技術(shù)，提出了寬巷條件下巷道的有效支護(hù)方式，提高了巷道的穩(wěn)定性。李小裕等[2]采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，研究了復(fù)雜采動(dòng)條件下不同巷道斷面形狀條件下圍巖的穩(wěn)定性?？紫樗傻萚3]采用相似模擬試驗(yàn)，研究了南關(guān)礦煤巷在鋼管混凝土支護(hù)作用下的巷道變形破壞規(guī)律。徐仁桂等[4]采用理論分析、數(shù)值模擬及工業(yè)性試驗(yàn)的方式，對(duì)傾斜煤層梯形巷道煤柱的合理寬度進(jìn)行了研究。陳新年等[5]采用相似試驗(yàn)的方法，對(duì)傾斜煤層直角梯形巷道應(yīng)力非對(duì)稱試驗(yàn)進(jìn)行了研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)礦山開(kāi)采過(guò)程中的等腰梯形巷道和直角梯形巷道的應(yīng)力進(jìn)行了研究，分析巷道圍巖的應(yīng)力分布情況，為今后礦山開(kāi)采過(guò)程中巷道的布置方式提供了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M方案

采用控制變量法[6-7]對(duì)復(fù)雜采動(dòng)條件下不同梯形巷道圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由于煤層賦存條件的差異，在煤層開(kāi)采過(guò)程中常常以斷面為梯形的巷道進(jìn)行開(kāi)采，根據(jù)煤層傾斜程度的不同，梯形巷道又分為等腰梯形巷道和直角梯形巷道。因此，此次研究分兩種情況分別進(jìn)行討論，對(duì)于等腰梯形巷道，以巷道的頂板寬度和底板寬度的比值為研究對(duì)象，通過(guò)改變巷道的頂?shù)装鍖挾鹊谋戎祦?lái)分析巷道圍巖的應(yīng)力及變形規(guī)律；直角梯形巷道常適用于傾斜煤層，因此對(duì)于直角梯形巷道，以巷道頂板與圍巖的夾角為研究對(duì)象，通過(guò)改變頂板寬度與側(cè)幫（低幫）之間的夾角來(lái)分析巷道的變形特征，進(jìn)而分析煤層在不同傾斜條件下直角梯形巷道的穩(wěn)定性情況。設(shè)等腰梯形巷道的高度為5 m，頂板寬度為 4 m，頂?shù)装鍖挾缺壤謩e為 1:1.2，1:1.4，1:1.6，1:1.8，1:2.0，具體見(jiàn)表1。直角梯形巷道圍巖低幫長(zhǎng)度為3 m，底板寬度為4 m。頂板與圍巖之間的高夾角分別為 10°、15°、20°、25°、30°，具體見(jiàn)表2。

表1 等腰梯形巷道研究參數(shù)

表2 直角梯形巷道研究參數(shù)

2 模型建立

由于煤層厚度相對(duì)較小，因此模型總體上分為煤層和圍巖兩部分。由于煤層埋藏深度較大，通常為 400～800 m，因此模型頂部施加密度為 2600 kg/m3，高度為500 m的垂直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取1.2進(jìn)行力學(xué)分析。鑒于此次模擬主要研究梯形巷道圍巖的穩(wěn)定性規(guī)律，且巷道開(kāi)挖最大尺寸為5 m，工程上認(rèn)為圍巖開(kāi)挖半徑5倍以外的圍巖應(yīng)力對(duì)巷道的影響不足5%，可忽略不計(jì)。因此，為便于模擬運(yùn)算，此次設(shè)計(jì)模型的尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=50 m×28.8 m×30 m，如圖1所示。

圖1 模型示意（部分圖件）

2.1 力學(xué)參數(shù)的選取

模擬中模型中部為巷道，周邊為圍巖，模擬中不區(qū)分煤層和圍巖，統(tǒng)一以一種巖體代替，旨在更精確地分析出不同梯形巷道的圍巖變形規(guī)律。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)了解得到2種巖體的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)

由于巖石應(yīng)力-應(yīng)變及變形等物理力學(xué)性質(zhì)滿足彈塑性材料特征，根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)，巖體破壞主要是剪切和拉伸破壞，所以此次研究選用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則作為材料破壞準(zhǔn)則[6-7]?；谀Ｐ椭心?庫(kù)倫準(zhǔn)則的參數(shù)特點(diǎn)，結(jié)合表3中的巖石力學(xué)參數(shù)，可得出各巖層巖石單軸抗拉強(qiáng)度tσ、體積模量K和切變模量G，其公式為：

式中，E為彈性模量；v為泊松比；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 邊界條件

邊界條件包括位移邊界和應(yīng)力邊界，其中應(yīng)力邊界指垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，研究中模型頂部施加密度為2600 kg/m3，高度為500 m的垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力根據(jù)側(cè)壓系數(shù)為1.2進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得水平應(yīng)力為6.35 MPa，垂直應(yīng)力為7.62 MPa。位移邊界為約束模型水平和豎直方向上的位移邊界，在模擬過(guò)程中，需作如下假設(shè)：

（1）各巖層均為各向同性的均質(zhì)體；

（2）符合摩爾-庫(kù)倫彈塑性理論模型；

（3）模擬過(guò)程中不考慮地下水、節(jié)理裂隙和時(shí)間效應(yīng)。

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬方案，計(jì)算得到等腰梯形巷道和直角梯形巷道在不同條件下的應(yīng)力情況，其中，等腰梯形的水平應(yīng)力云圖如圖2所示，直角梯形的水平應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖2 等腰梯形巷道部分不同頂?shù)讓挶鹊南锏浪綉?yīng)力模擬云圖

圖3 直角梯形巷道部分頂板不同傾角下的水平應(yīng)力模擬云圖

將 FLAC3D數(shù)值計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入 Origin[8]后處理軟件，分別得到等腰梯形巷道和直角梯形巷道垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和最大主應(yīng)力的對(duì)比結(jié)果（見(jiàn)圖 4和圖5）。

圖4 不同頂?shù)讓挶鹊妊菪蜗锏乐苓厬?yīng)力對(duì)比

圖5 直角梯形巷道不同頂板夾角條件下巷道周邊應(yīng)力對(duì)比

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖2可知，等腰梯形巷道隨著梯形巷道頂?shù)讓挶壤脑黾?，巷道周邊的水平?yīng)力逐漸向巷道底板轉(zhuǎn)移，巷道周邊的應(yīng)力呈對(duì)稱型分布，且巷道底板兩側(cè)邊角處的水平應(yīng)力逐漸增加，并在巷道底板兩側(cè)邊角處產(chǎn)生了應(yīng)力集中。因此，當(dāng)?shù)V山采用等腰梯形巷道時(shí)，要格外注意等腰梯形巷道底板兩側(cè)邊角處的圍巖變形及破裂情況。根據(jù)圖3可知，直角梯形巷道隨著頂板與低幫角度的增加，巷道周邊的水平應(yīng)力逐漸向直角梯形巷道高幫一側(cè)轉(zhuǎn)移，巷道周邊的應(yīng)力呈非對(duì)稱型分布。且直角梯形巷道隨著頂板與低幫角度的增加，水平應(yīng)力主要集中在直角梯形巷道頂板靠近高幫一側(cè)，并呈逐漸增加的趨勢(shì)。鑒于此，當(dāng)?shù)V山采用直角梯形巷道時(shí)，應(yīng)特別注意直角梯形巷道頂板高幫一側(cè)的圍巖變形情況，并在掘進(jìn)中進(jìn)行支護(hù)，以保證巷道的穩(wěn)定性，確保掘進(jìn)及回采作業(yè)的安全。

根據(jù)圖4可知，等腰梯形巷道隨著梯形巷道頂?shù)讓挶壤脑黾樱锏乐苓叺乃綉?yīng)力、垂直應(yīng)力及最大主應(yīng)力均呈逐漸增加的趨勢(shì)，且垂直應(yīng)力的變化規(guī)律與最大主應(yīng)力的變化趨勢(shì)很接近，說(shuō)明等腰梯形巷道在改變頂?shù)讓挶壤臈l件下，巷道周邊的應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主。根據(jù)圖5可知，直角梯形巷道周邊的水平應(yīng)力無(wú)論是高幫一側(cè)還是低幫一側(cè)，均隨著頂板與低幫角度的增加而逐漸降低，且高幫一側(cè)的水平應(yīng)力大于低幫一側(cè)；同時(shí)將直角梯形巷道周邊的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)巷道穩(wěn)定性起決定性作用的應(yīng)力為垂直應(yīng)力，因此，當(dāng)?shù)V山采用直角梯形巷道時(shí)，不僅應(yīng)加強(qiáng)巷道高幫一側(cè)的支護(hù)，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)巷道頂板的支護(hù)，以提高巷道的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)等腰梯形巷道和直角梯形巷道圍巖周邊應(yīng)力的分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）等腰梯形巷道隨著梯形巷道頂?shù)讓挶壤脑黾樱锏乐苓叺膽?yīng)力均呈對(duì)稱分布，且水平應(yīng)力逐漸向底板轉(zhuǎn)移，巷道底板兩側(cè)邊角處為應(yīng)力集中區(qū)域。

（2）直角梯形巷道隨著頂板與低幫角度的增加，巷道周邊的應(yīng)力呈非對(duì)稱分布，巷道周邊的水平應(yīng)力逐漸向直角梯形巷道高幫一側(cè)轉(zhuǎn)移，且巷道頂板靠近高幫一側(cè)為應(yīng)力集中區(qū)域。

（3）通過(guò)對(duì)等腰梯形巷道和直角梯形巷道周邊應(yīng)力的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采過(guò)程中無(wú)論采用等腰梯形巷道還是直角梯形巷道，巷道周邊的應(yīng)力均以垂直應(yīng)力為主，且在支護(hù)過(guò)程中，除應(yīng)加強(qiáng)頂板的支護(hù)外，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的支護(hù)，以確保巷道的穩(wěn)定性。