相鄰平行巷道圍巖應力數值分析

王 吉

（大同煤礦集團 四臺礦，山西 大同 037032）

引言

在煤礦建設過程中，巷道開挖后，其圍巖應力會發生很大的變化，在它的周圍會產生一個影響帶，這個影響帶會對巷道的穩定性和支護產生一定的影響。當兩條巷道平行開挖時，每條巷道都會產生一個影響帶［1］，只要兩個巷道之間的影響帶彼此之間不重疊，就可以認為它們之間不會產生相互影響。如果兩個巷道之間距離比較近，影響帶相互疊加，巖柱將會承受比較大的應力，當應力超過巖柱所能承受的最大應力時，巖柱就會發生破壞，從而給巷道維護造成一定的影響。

巖石一般認為是脆性材料，其抗拉強度遠低于抗壓強度，決定直墻拱形巷道圍巖是否破壞的主要因素是巷道圍巖強度是否達到其抗拉強度，其中關鍵點是巷道圍巖的拱頂、拱基、墻中、墻基幾個點的應力水平［2］。這些關鍵點的應力與巷道采深，巖柱寬度有直接的關系［3，4］。

本文基于有限元軟件ANSYS，通過建立不同巷道采深，不同巖柱間距的相鄰平行拱形直墻巷道模型，模擬巷道圍巖應力分布特點，確定這些關鍵點的應力規律，為安全生產提供必要的參考。

1 數值模型建立

為分析簡便，采用二維建模形式，將巷道布置在同一種巖石的巖層中，模型寬100m，高40m，巖層為砂巖，此巖石的密度為2 600kg／m3，彈性模量為28GPa，泊松比為0.2，巖石容重為25kN／m3。巷道寬5m，高4.5m，由于巷道周邊是研究重點，所以將巷道周圍網格密集劃分，整個模型如圖1所示。左右邊界施加Y方向位移及自由度約束條件，下邊界施加Y方向位移約束，上邊界在每一個單元節點上施加Y方向壓力，左右邊界按照側壓系數為1施加壓力，壓力值都為容重與采深的乘積。

圖1 相鄰平行拱形巷道數值模型

2 數值模擬結果

2.1 不同采深巷道圍巖應力分布

下頁圖2所示為巖柱寬度在30m，側壓系數設置為1時，在不同采深下，巷道圍巖水平方向應力分布圖。由圖2可見，在某一采深下，兩巷道應力分布呈對稱分布，巷道變形在斷面積縮小的同時多偏向與巖柱一側，巖柱應力分布呈馬鞍狀。在不同的采深下，巷道應力分布趨勢基本相同，只是由于上覆巖層壓力變化，導致巷道各個關鍵點應力值發生變化，具體數據如表1所示。

圖2 不同采深巷道圍巖水平應力分布

表1 不同采深巷道關鍵點水平、垂直應力值

由表1可以看出，在巷道不同的關鍵點，不管是水平應力還是垂直應力，都隨著采深的增加而增加，采深越大，巷道圍巖所承受的應力水平越高，巷道越容易破壞。根據數值模擬結果可以看出，在巷道拱頂，垂直應力很小，水平應力相對較大，那么拱頂的破壞可以認為是水平構造應力作用的結果。拱基是直墻和半圓拱的連接處，此處的水平應力相對較小而垂直應力比較大，當采深達到600m時，此處垂直應力會達到61.74MPa，是所有關鍵點中應力最大值，此處也是巷道最容易產生破壞的地方。直墻中間位置處，水平應力很小，這與圓形巷道巷道壁處軸向應力為0的理論分析是相似的，垂直應力隨著采深的增加而增加，所以采深越大，巷幫移近量越大。由于巖石的抗拉強度遠低于抗壓強度，所以當應力達到一定值時，巷道壁巖石會產生劈裂破壞，即發生層裂現象；墻底位置是直墻與底板的交界處，此關鍵點可以認為處于三向應力狀態，雖然水平應力和垂直應力都比較大，但是由于巖石三軸抗壓、抗拉強度遠大于單軸抗壓、抗拉強度，所以此關鍵點不容易發生破壞，從而為底鼓的形成提供了條件。

綜上所述，隨著采深的增加，拱基處是巷道最容易破壞的地方，需要在實際巷道維護中加強支護。

2.2 不同巖柱寬度巷道圍巖應力分布

下頁圖3所示為在采深500m，側壓系數為1的情況下，不同巖柱寬度，相鄰平行巷道圍巖水平應力分布圖。從圖3中可以看出，不同的巖柱寬度，巷道應力分布是不同的。當巖柱寬度大于20m時，巖柱受力比較平緩，相鄰巷道產生的應力相互影響比較弱，巖柱中央受力基本上可以認為是原巖應力。當巖柱寬度小于20m時，相鄰巷道產生的應力分布相互影響比較嚴重，靠近巷道兩端出現比較大的應力，對巷道支護會產生比較大的影響。巖柱寬度為20m時，應力分布圖呈現出深馬鞍狀，兩巷道在巖柱中央產生的應力疊加小于靠近巷道壁處的應力疊加，說明巖柱靠近巷道兩端容易發生破壞。當巖柱寬度為10m，5m時，應力分布呈現拱形，此時兩巷道在巖柱中央產生的應力疊加大于靠近巷道壁處的應力疊加，此時說明兩巷道的影響帶已經重合，巖柱會很容易被壓壞，失去原來的作用。

圖3 不同巖柱寬度巷道圍巖水平應力分布

由圖4－1可見，在水平方向上，拱基和墻中兩個關鍵點的應力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱頂的應力隨著巖柱寬度的增加有幅值較小的增加，墻底的應力隨著巖柱寬度的增加在減小。由圖4－2可見，在垂直方向上，拱頂的應力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱基、墻中和墻底三個關鍵點的應力隨著巖柱寬度的增加而減小。所以，巖柱寬度越大，巷道周邊所受到的應力越小，對于巷道的維護越有利。但是，巖柱寬度越大，兩條平行巷道之間的聯絡巷就越遠，不僅帶來經濟上的損失，而且實際生產中也會增加運輸成本、增加工人勞動力，所以學者通過大量總結實際工程中的平行巷道巖柱寬度，總結了一個經驗公式［1］：

式中：B為巖柱寬度；a為巷道寬度的一半；b為巖柱周邊破裂區寬度；H 為采深；h為巖柱高度。

3 結論

1）巷道采深越大，各個關鍵點所承受的應力越大。不管是水平應力還是垂直應力，基本上隨著采深的增加呈線性增加。

圖4 巷道圍巖應力與巖柱寬度之間的關系

2）在各個關鍵點中，隨著采深的增大，巷道拱基處的應力增加最多，承受的應力也最大，也是直墻拱形巷道最容易破壞的地方。

3）當巖柱寬度較小時，容易造成相鄰巷道影響帶的疊加，使巖柱承受很大的應力，造成巖柱損壞，巷道失穩。垂直方向上，拱頂的應力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱基、墻中和墻底三個關鍵點的應力隨著巖柱寬度的增加而減小。水平方向上，拱基和墻中兩個關鍵點的應力隨著巖柱寬度的增加變化不大，墻底的應力隨著巖柱寬度的增加在減小。

［1］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1994：33－39.

［2］ 劉加冬，陸文，陸洪斌，等.半圓拱形巷道圍巖應力分布規律的研究［J］.礦業快報，2008（3）：22－24.

［3］ 鄒喜正，李華祥.平行相鄰巷道間距的確定［J］.江蘇煤炭，1997（1）：38－40.

［4］ 馮大福，賀英魁.兩巷道間的最短凈巖柱計算［J］.礦業安全與環保，2006，33：70－71.