不同斷面尺寸下三心拱巷道圍巖穩定性分析

張必昇，婁培杰，方 勇

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

1 工程概況

Ⅲ1024底板巷施工層位位于10煤層底板，施工區域上距10煤層底板法距10.4～44.1 m，下距一灰頂板15.5～47.8 m。根據資料分析，該區域巖層傾角14°～20°，平均16°，巷道埋深806.7～852 m，該模擬按最大埋深852 m計算。

該三心拱巷道施工區域巖性主要為粉砂巖、中粒砂巖及細砂巖。巷道施工區域煤系地層產狀穩定，煤層總體表現為一走向北西，傾向北東的單斜構造形態，局部有起伏；10煤層賦存較穩定，結構復雜，10煤層厚度1.99～2.93 m，平均厚2.47 m，為中厚煤層；煤層內發育1層泥巖夾矸，厚度0.42～2.31 m，平均1.30 m。煤層基本頂為灰白色細砂巖，細粒結構，鈣質膠結，性較硬，厚度1.00～2.00 m，平均1.50 m；直接頂為灰～淺灰色砂巖，中厚層狀，緩波狀層理，鈣質膠結，里面含炭質，底部夾薄層泥巖，層互層狀，厚度10.00～14.79 m，平均12.40 m；直接底為深灰色泥巖，塊狀，含大量植物根莖化石，厚度0～1.40 m，平均0.7 m；基本底為灰色粉砂巖，層狀，夾薄層細砂巖條帶，厚度8.40～16.47 m，平均12.44 m。

2 模型設計

根據蘆嶺煤礦Ⅲ1024底板巷采礦地質條件，建立FLAC3D模型如圖1所示，模型尺寸(長×寬×高)=125.2 m×24 m×54 m。模型四周包括底部施加固定邊界條件(即模型底面垂直方向速度為0，模型四周水平方向速度為0)，施加均布荷載到模型頂部，模型計算采用摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)屈服強度準則。各巖層分布情況如圖1所示。

圖1 數值模擬模型

根據Ⅲ1024底板巷道圍巖類別，本模型可分為11層：以巷道中心為起點，上方巖層依次為砂巖、泥巖、粉砂巖、泥巖和細砂巖；下方巖層依次為泥巖、粉砂巖、煤、粉砂巖以及砂巖。錨桿和錨索等支護結構材料參數，全部按照礦方原支護方案所采用的參數來計算。考慮到施工現場與室內條件存在差異，對部分巖體力學參數做了相應調整，模擬所取的詳細參數見表1。

表1 巖體力學參數

3 不同斷面巷道圍巖穩定性

為探究不同斷面尺寸下巷道圍巖的變形差異，在保持其他條件不變的情況下，選取3組不同的斷面尺寸進行一定步數的數值模擬，由于本方案斷面形狀為三心拱，則3組斷面尺寸分別為：大斷面(跨度為6 m)、中斷面(跨度為4.8 m)、小斷面(跨度為3.6 m)。不同斷面尺寸巷道圍巖的垂直應力分布云圖見圖2。

(a)小斷面

(b)中斷面

(c)大斷面

由圖2可見，隨著斷面尺寸的增大，巷道兩幫附近的應力集中區域逐漸增大，并且向圍巖深部移動。從小斷面巷道到大斷面巷道，巷道頂底板垂直應力不斷減小，但隨著斷面跨度的增大，巷道頂底板垂直應力減少的幅度卻隨之減弱，由此可知，三心拱巷道跨度不易過大，高跨比為1/3左右時，三心拱巷道最為穩定。

通過布置監測點得到了不同斷面尺寸巷道兩幫指定水平線上的具體垂直應力對比，見圖3。

圖3 垂直應力曲線

由圖3可見圍巖應力集中處峰值位置，隨斷面尺寸的增大應力不斷向圍巖深部集中，各尺寸斷面應力峰值大小為：大斷面>中斷面>小斷面。由此可知，斷面越大，三心拱垂直應力也相應越大。不同斷面尺寸巷道圍巖的第一主應力分布云圖見圖4。

(a)小斷面

(b)中斷面

(c)大斷面

由圖4可知，隨著巷道斷面尺寸的增大，巷道圍巖低應力區逐漸增大，導致更大范圍的圍巖通過巷道開挖釋放應力。從中斷面巷道到超大斷面巷道，巷道兩幫及頂底板應力逐漸增大。

通過布置監測點，得到了不同斷面尺寸巷道兩幫指定水平線上水平應力對比，結合第一主應力云圖對比可知，斷面尺寸越大，巷道兩幫水平應力回升至原巖應力所需的距離越遠，相對應的，第一主應力分布云圖中低應力區范圍也就越大。

為進一步對比不同斷面尺寸圍巖穩定性，對各尺寸斷面巷道塑性區進行對比，見圖5。

(a)小斷面

(b)中斷面

(c)大斷面

從各斷面巷道圍巖塑性區范圍可以看出，隨著斷面尺寸的增加，巷道兩幫的塑性區變化差異不明顯，塑性區的變化主要集中在巷道的頂底板。

為了更清晰地觀測到巷道圍巖的變化情況，在巷道兩幫以及頂底板布置監測點，得到巷道具體位移對比，見圖6。由圖6可知，隨著巷道開挖進程，圍巖破壞逐步加劇，圍巖位移也隨之增加，對比三種不同三心拱型巷道，其中大斷面三心拱圍巖位移尤為明顯，中、小斷面圍巖破壞情況相對穩定。

(a)巷道幫部位移對比

(b)巷道頂板位移對比

(c)巷道底板位移對比

由圍巖位移對比曲線(見表2)可得到不同斷面大小的巷道表面位移量。

由各斷面巷道兩幫和頂底板位移的對比可以看出，各斷面巷道頂、底板表面位移相近，這與塑性區范圍相對應，而在距離巷道左幫4 m之后，中、小斷面幫部位移相近，表明距幫部越遠，中、小斷面差異越不明顯。各斷面頂板呈現距頂板越遠，位移越大的趨勢，而超大、中斷面位移接近，中斷面位移相對略小，表明中斷面的圍巖更加穩定。巷道底鼓隨著巷道大小相應減弱，同時距離底板越遠的圍巖，變形也越小。由此可見，從小斷面到大斷面巷道，圍巖表面位移隨斷面尺寸的增大而增大。

表2 巷道表面圍巖位移量 單位：mm

4 結 論

1)三心拱巷道跨度不易過大，高跨比為1/3左右時，三心拱巷道最為穩定。

2)隨斷面尺寸的增大應力不斷向圍巖深部集中，三心拱的垂直應力也相應增大。

3)隨著斷面尺寸的變化，巷道兩幫的塑性區變化差異不明顯，塑性區的變化主要集中在巷道的頂底板。

4)在距離巷道左幫4 m之后，中、小斷面幫部位移較為接近，距幫部越遠，中、小斷面差異越不明顯，巷道道底鼓量隨著巷道大小相應減弱，同時距離底板越遠的圍巖，變形也越小。

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