基于最優矢跨比的拱形大巷拱高設計數值模擬研究

薛 帥

（晉城煤業集團趙莊煤業 ，山西 晉城 048000）

拱形斷面具有減小應力集中、提高斷面利用率、減小掘進工程量等諸多優勢，尤其是在復雜地質條件下應用更為廣泛。但礦井在設計拱形斷面時，多從滿足巷道基本功能的角度出發，對巷道斷面形式引起的應力分布等問題考慮較少，設計缺乏科學依據，導致巷道維護狀況不佳。并且現在多數支護設計都是在巷道斷面確定之后，屬于滯后設計，未能充分發揮巷道斷面本身的支護作用[1～2]。拱形斷面巷道矢跨比為設計時最重要的因素，為矢高與跨徑之比。因此，針對趙莊煤業三盤區巷道斷面進行研究，分析不同矢跨比條件下，圍巖應力、塑性區等分布情況，為斷面設計提供理論依據。

1 工程概況

趙莊煤業三盤區有三條盤區大巷，均布置在煤層中，服務年限約10年。原始設計采用矩形斷面，由于埋深超過750m，地應力作用明顯，且煤質酥軟、構造復雜、采動影響頻繁，大巷變形嚴重，平均每年返修1～2次，返修方式多為挑頂、擴幫、起底之后，重新進行噴漿和錨桿索支護。隨著返修次數增多，趙莊煤業認識到巷道斷面設計重要性，為增強巷道圍巖自身承載能力，擬將巷道斷面設計成直墻拱形。

大巷頂底板巖性見表1所示。

表1 頂底板巖性表

2 數值模型建立

固定直墻高度2m，跨度5.5m，根據工程實際賦予各巖層參數，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時數值計算模型，部分模型如圖1所示。

圖1 部分不同矢跨比數值計算模型

3 運算結果及數據分析

3.1 圍巖應力分布

不同矢跨比條件下，經過運算得到巷道圍巖垂直應力和水平應力分布云圖，部分結果見圖2所示。

圖2 部分不同矢跨比數值計算模型

不同矢跨比條件下，幫部不同深度圍巖垂直應力分布情況見圖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，圍巖垂直應力與水平應力峰值均向巷道淺部轉移。矢跨比在0～0.3之間，隨矢跨比增大，垂直應力峰值注漿向巷幫淺部圍巖轉移，且應力集中系數有所下降，但矢跨比由0.3到0.5變化過程中，應力集中系數減小不明顯。

3.2 塑性區分布

不同矢跨比條件下，經過運算得到巷道圍巖塑性區分布圖，部分結果見圖4所示。

圖4 部分不同矢跨比塑性區分布圖

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變化不大，但底板圍巖塑性區范圍略有增大，這主要是由于在兩幫壓模效應和水平應力作用下，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比結果量如圖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；巷道頂板下沉量在矢跨比為0.3時出現拐點，變化速率逐漸降低，說明巷道矢跨比達到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

根據上述研究，最優矢跨比為0.3，因此初始設計拱高為1.65m。

4 結論

1）拱形斷面大巷拱高設計應得到足夠的重視，矢跨比為最重要設計因素；

2）建立不同矢跨比下數值計算模型，研究圍巖應力分布、塑性區分布、頂板下沉量三個因素；

3）計算結果表明，矢跨比在0～0.3時，隨矢跨比增大，圍巖應力、塑性區和頂板下沉量減小明顯，矢跨比在0.3～0.5時，隨矢跨比增大，變化速率明顯下降且底鼓有增大區域，因此以0.3作為最優矢跨比，初始設計拱高為1.65m。