王 吉

（大同煤礦集團 四臺礦，山西 大同 037032）

引言

在煤礦建設(shè)過程中，巷道開挖后，其圍巖應(yīng)力會發(fā)生很大的變化，在它的周圍會產(chǎn)生一個影響帶，這個影響帶會對巷道的穩(wěn)定性和支護產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)兩條巷道平行開挖時，每條巷道都會產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過巖柱所能承受的最大應(yīng)力時，巖柱就會發(fā)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(guān)鍵點是巷道圍巖的拱頂、拱基、墻中、墻基幾個點的應(yīng)力水平［2］。這些關(guān)鍵點的應(yīng)力與巷道采深，巖柱寬度有直接的關(guān)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(yīng)力分布特點，確定這些關(guān)鍵點的應(yīng)力規(guī)律，為安全生產(chǎn)提供必要的參考。

1 數(shù)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(wǎng)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(jié)點上施加Y方向壓力，左右邊界按照側(cè)壓系數(shù)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(shù)值模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同采深巷道圍巖應(yīng)力分布

下頁圖2所示為巖柱寬度在30m，側(cè)壓系數(shù)設(shè)置為1時，在不同采深下，巷道圍巖水平方向應(yīng)力分布圖。由圖2可見，在某一采深下，兩巷道應(yīng)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(cè)，巖柱應(yīng)力分布呈馬鞍狀。在不同的采深下，巷道應(yīng)力分布趨勢基本相同，只是由于上覆巖層壓力變化，導(dǎo)致巷道各個關(guān)鍵點應(yīng)力值發(fā)生變化，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 不同采深巷道圍巖水平應(yīng)力分布

表1 不同采深巷道關(guān)鍵點水平、垂直應(yīng)力值

由表1可以看出，在巷道不同的關(guān)鍵點，不管是水平應(yīng)力還是垂直應(yīng)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(yīng)力水平越高，巷道越容易破壞。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在巷道拱頂，垂直應(yīng)力很小，水平應(yīng)力相對較大，那么拱頂?shù)钠茐目梢哉J為是水平構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。拱基是直墻和半圓拱的連接處，此處的水平應(yīng)力相對較小而垂直應(yīng)力比較大，當(dāng)采深達到600m時，此處垂直應(yīng)力會達到61.74MPa，是所有關(guān)鍵點中應(yīng)力最大值，此處也是巷道最容易產(chǎn)生破壞的地方。直墻中間位置處，水平應(yīng)力很小，這與圓形巷道巷道壁處軸向應(yīng)力為0的理論分析是相似的，垂直應(yīng)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(dāng)應(yīng)力達到一定值時，巷道壁巖石會產(chǎn)生劈裂破壞，即發(fā)生層裂現(xiàn)象；墻底位置是直墻與底板的交界處，此關(guān)鍵點可以認為處于三向應(yīng)力狀態(tài)，雖然水平應(yīng)力和垂直應(yīng)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(guān)鍵點不容易發(fā)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(yīng)力分布

下頁圖3所示為在采深500m，側(cè)壓系數(shù)為1的情況下，不同巖柱寬度，相鄰平行巷道圍巖水平應(yīng)力分布圖。從圖3中可以看出，不同的巖柱寬度，巷道應(yīng)力分布是不同的。當(dāng)巖柱寬度大于20m時，巖柱受力比較平緩，相鄰巷道產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)力。當(dāng)巖柱寬度小于20m時，相鄰巷道產(chǎn)生的應(yīng)力分布相互影響比較嚴(yán)重，靠近巷道兩端出現(xiàn)比較大的應(yīng)力，對巷道支護會產(chǎn)生比較大的影響。巖柱寬度為20m時，應(yīng)力分布圖呈現(xiàn)出深馬鞍狀，兩巷道在巖柱中央產(chǎn)生的應(yīng)力疊加小于靠近巷道壁處的應(yīng)力疊加，說明巖柱靠近巷道兩端容易發(fā)生破壞。當(dāng)巖柱寬度為10m，5m時，應(yīng)力分布呈現(xiàn)拱形，此時兩巷道在巖柱中央產(chǎn)生的應(yīng)力疊加大于靠近巷道壁處的應(yīng)力疊加，此時說明兩巷道的影響帶已經(jīng)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(yīng)力分布

由圖4－1可見，在水平方向上，拱基和墻中兩個關(guān)鍵點的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱頂?shù)膽?yīng)力隨著巖柱寬度的增加有幅值較小的增加，墻底的應(yīng)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?shù)膽?yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱基、墻中和墻底三個關(guān)鍵點的應(yīng)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(yīng)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(lián)絡(luò)巷就越遠，不僅帶來經(jīng)濟上的損失，而且實際生產(chǎn)中也會增加運輸成本、增加工人勞動力，所以學(xué)者通過大量總結(jié)實際工程中的平行巷道巖柱寬度，總結(jié)了一個經(jīng)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(qū)寬度；H 為采深；h為巖柱高度。

3 結(jié)論

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

圖4 巷道圍巖應(yīng)力與巖柱寬度之間的關(guān)系

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

3）當(dāng)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(yīng)力，造成巖柱損壞，巷道失穩(wěn)。垂直方向上，拱頂?shù)膽?yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，拱基、墻中和墻底三個關(guān)鍵點的應(yīng)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(guān)鍵點的應(yīng)力隨著巖柱寬度的增加變化不大，墻底的應(yīng)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(yè)大學(xué)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(yīng)力分布規(guī)律的研究［J］.礦業(yè)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(yè)安全與環(huán)保，2006，33：70－71.