深部巷道構(gòu)造應(yīng)力作用下的巷道變形分析

李 翔

（汾西礦業(yè)集團兩渡煤業(yè)， 山西 靈石 030600）

1 工程概況

某煤礦現(xiàn)在正在開采-1 100 m水平，現(xiàn)在向-1 300m水平延深。根據(jù)目前-1100m大巷及各個主要設(shè)備硐室的變形情況來看-1 100 m地壓特別大，地壓造成的巷道收縮和底臌變形對設(shè)備的運行會產(chǎn)生比較大的影響。六水平的矸石井絞車安裝在-1100 m水平，再按照常規(guī)方式進行安裝大絞車，絞車基礎(chǔ)是比較容易受地壓影響產(chǎn)生變形，提升絞車基礎(chǔ)變形后對絞車的運行影響會非常大，在使用過程中會對絞車的各個主要部件間產(chǎn)生擠壓造成相對位移，嚴重時絞車將不能正常工作，需要重新打基礎(chǔ)安裝[1-2]。

底板一般為較堅硬的泥灰?guī)r，但本區(qū)三灰不發(fā)育，相變?yōu)?.46～1.10 m泥巖或粉砂巖，平均0.74 m。質(zhì)軟，具可塑性，遇水易膨脹，支柱易陷入，但因厚度小、底臌危害不嚴重。抗壓強度20.5～70.1 MPa，平均54.3 MPa，吸水率4.09%。除東西部露頭和尖滅線附近有不可采條帶外，其余區(qū)域全部可采。煤層的控制程度較高，除開拓開采巷道控制外，有鉆孔控制點33個。煤層較為穩(wěn)定。下距第13層煤26.03～38.99 m，平均32.47 m，間距較為穩(wěn)定。

2 高水平應(yīng)力巷道底臌的變形數(shù)值模擬分析

本文僅對水平應(yīng)力作用下的巷道進行分析，開挖后的巷道不作支護處理，模型僅巷道原巖和開挖部分兩個模塊，均用平面二維斷面模型，選用Plane42單元，平面應(yīng)變模型[3-5]。

巷道分別受豎直荷載和側(cè)壓力系數(shù)λ不同的水平荷載。λ分別為0.5、1.0、1.5、2.0。所得結(jié)果見圖1—圖 8。

λ=0.5時的模擬圖：

圖1 λ=0.5時的模擬圖

圖2 λ=1.0時的模擬圖

圖3 λ=1.5時的模擬圖

圖4 λ=2.0時的模擬圖

當側(cè)壓力系數(shù)λ=0.5時，巷道兩幫出現(xiàn)塑性區(qū)，頂板、底板靠近兩幫附近也出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)主要在兩幫處，巷道水平變形較小，最大變形出現(xiàn)在頂板處，巷道四個角點處受較大的剪應(yīng)力作用。

當側(cè)壓力系數(shù)λ=1.0時，巷道四周均出現(xiàn)塑性區(qū)，即巷道四周巖體出現(xiàn)塑性變形，與頂板相比，底板塑性區(qū)范圍更大，巷道水平向有一定的變形，最大變形出現(xiàn)在頂板處，巷道四個角點處受較大的剪應(yīng)力作用。

當側(cè)壓力系數(shù)λ=1.5時，除兩幫靠近頂板處沒有出現(xiàn)塑性區(qū)，巷道四周均出現(xiàn)塑性區(qū)，底板塑性區(qū)明顯增大，兩幫靠近底板處的塑性區(qū)比兩幫靠近頂板處的塑性區(qū)更大巷道水平向有較大的變形，最大變形出現(xiàn)在底板處，巷道四個角點處受較大的剪應(yīng)力作用。

當側(cè)壓力系數(shù)λ=2.0時，巷道頂板和底板出現(xiàn)塑性區(qū)，兩幫基本只在靠近底板附近有塑性區(qū)，巷道水平向有較大的變形，最大變形出現(xiàn)在頂板處，巷道四個角點處受較大的剪應(yīng)力作用。

從以上數(shù)值模擬分析可以看出：

1）在巷道無支護條件下，頂板和底板的位移相差不明顯。

2）在巷道無支護條件下，當側(cè)壓力系數(shù)λ＜1.0時，最大變形出現(xiàn)在頂板處，主要塑性區(qū)出現(xiàn)在巷道兩幫；當側(cè)壓力系數(shù)λ＞1.0時，最大變形出現(xiàn)在底板處，主要塑性區(qū)出現(xiàn)在巷道頂板和底板處，其中隨側(cè)壓力系數(shù)λ增大，水平應(yīng)力逐步增加，底板處塑性區(qū)增大范圍明顯比頂板塑性區(qū)增大范圍大。

3）在巷道無支護條件下，在減去初始應(yīng)力場后，頂板明顯有較大的位移矢量。隨著側(cè)壓力系數(shù)λ增大，水平應(yīng)力逐步增加，巷道底板的位移矢量逐漸增大。

3 結(jié)論

文中重點研究了高水平應(yīng)力作用下，巷道變形，特別是底板破壞、變形的機理，通過ANSYS數(shù)值模擬，分析了豎直應(yīng)力相同，不同水平應(yīng)力作用、無支護條件下巷道開挖后的變形破壞機理。在側(cè)壓力系數(shù)λ相同時，巷道開挖后的頂板、兩幫及底板位移差異較小，巷道穩(wěn)定；隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，頂板和底板位移增大明顯，而兩幫位移相對較小，說明兩幫的破壞范圍小于頂板和底板。所以在高水平應(yīng)力作用下，控制頂板和底板的變形是巷道穩(wěn)定的重點。在巷道無支護條件下，頂板和底板的位移相差不明顯，當側(cè)壓力系數(shù)λ＜1.0時，最大變形出現(xiàn)在頂板處，主要塑性區(qū)出現(xiàn)在巷道兩幫；當側(cè)壓力系數(shù)λ＞1.0時，最大變形出現(xiàn)在底板處，主要塑性區(qū)出現(xiàn)在巷道頂板和底板處，其中隨側(cè)壓力系數(shù)λ增大，水平應(yīng)力逐步增加，底板處塑性區(qū)增大范圍明顯比頂板塑性區(qū)增大范圍大。在減去初始應(yīng)力場后，頂板明顯有較大的位移矢量。隨著側(cè)壓力系數(shù)λ增大，水平應(yīng)力逐步增加，巷道底板的位移矢量逐漸增大。