何治良，屈 彪

（西南科技大學環(huán)境與資源學院， 四川綿陽市 621010）

不同側壓系數(shù)下直墻半圓拱巷道底腳受力模擬分析

何治良，屈 彪

（西南科技大學環(huán)境與資源學院， 四川綿陽市 621010）

摘 要：直墻半圓拱巷道直墻與底板相交的底腳屬于應力容易集中的不利部位，巷道的破壞也常發(fā)生于底腳處。利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對不同側壓系數(shù)下，巷道底腳受力情況進行了研究。結果表明，直墻半圓拱巷道最大壓應力常出現(xiàn)在巷道直墻與底板相交的底腳處。隨著側壓系數(shù)增大，巷道底腳位置處所受到的壓應力呈現(xiàn)出增大的趨勢，巷道底腳位置處襯砌的剪力與彎矩也表現(xiàn)出增大的趨勢。若實際生產中巷道所在的區(qū)域水平應力較大，其底腳部分圍巖可能較容易發(fā)生破壞，同時，底腳處襯砌也較易產生破壞，從而威脅到巷道支護結構的整體穩(wěn)定性。

關鍵詞：巷道；側壓系數(shù)；底腳；數(shù)值模擬

0 引 言

直墻半圓拱、直墻三心拱等巷道斷面形式是地下礦山井巷工程的主要斷面形式，而此類直墻拱形巷道直墻與底板相交的底腳屬于應力容易集中的不利部位，巷道的破壞也常發(fā)生于底腳處。對于巷道支護來說，支護結構的結合部位是支護的關鍵區(qū)域，底腳是“幫-底”結合部位，影響著兩幫與底板的穩(wěn)定性［1］。底角處的應力集中易導致底腳處混凝土噴層等支護結構產生折斷、掉落等破壞，即噴層的失腳現(xiàn)象，進一步還會影響到巷道兩幫及頂板的穩(wěn)定性，從而導致支護結構整體的失效。

在地下礦山開采活動中，隨著開采深度的增加，水平應力的大小和方向對巷道圍巖的破壞起到重要作用，國內外的研究表明：引起巷道圍巖破壞的主要因素取決于水平應力的大小和方向，而不是垂直應力，并指出如果巷道走向與最大水平主應力的夾角小于25°～30°，則圍巖中的最大主應力對巷道的影響可大幅減小［2］。

金川鎳礦隨著礦井開采深度的增加，巷道底腳部分應力集中現(xiàn)象越來越突出，底腳部分破壞現(xiàn)象日益嚴重，部分巷道出現(xiàn)嚴重的底腳鼓起等破壞。針對底腳破壞頻發(fā)的狀況，結合金川礦山的工程地質條件，本文對不同側壓系數(shù)下，巷道底腳受力情況進行了研究。

1 工程地質概況

金川三礦區(qū)1110m水平分段掘進巷道埋深約520m，巷道附近區(qū)域構造應力明顯，側壓系數(shù)在1.5 ～3.0左右。巷道周邊主要地質構造為F17斷層，巖體完整性較差。礦體的頂板圍巖主要由大理巖、條帶狀混合巖以及少量二輝橄欖巖組成，在二輝橄欖巖與大理巖或條帶狀混合巖接觸處局部有1～3m不等的蛇紋石透閃石綠泥石片巖，且分布不連續(xù)。礦石的容重為3.05 t/m3，礦石的f值為4～6，圍巖的f值為6～8。層間擠壓嚴重，節(jié)理、裂隙發(fā)育。

2 巷道數(shù)值模型的建立

2.1模型概況

根據(jù)三礦區(qū)1110m水平分段掘進巷道現(xiàn)場施工情況，利用FLAC3D建立巷道數(shù)值模型，模型大小取巷道尺寸的3～5倍，以消除邊界效應的影響。模型尺寸長×寬×高分別為30m×30m×8m。巷道斷面為直墻半圓拱形，拱頂為半徑2.5m的半圓，直墻高度為2m，錨桿間排距1m×1m，噴射混凝土襯砌厚度0.2m。劃分后的網(wǎng)格如圖1所示。模型施加初始地應力場，模型周邊采用應力控制，邊界設置為荷載已知的自由邊界，以模擬深埋巷道應力狀態(tài)。網(wǎng)格為放射狀網(wǎng)格，靠近巷道部分網(wǎng)格密集，以精確模擬開挖引起的變化，網(wǎng)格共27600個，總節(jié)點數(shù)30591。

2.2模擬參數(shù)

巷道圍巖選取Mohr-Coulomb模型，通過參閱金川鎳礦相關工程地質與巖石力學性質的資料［3-5］，確定模擬所采用的巖石力學參數(shù)，以及錨桿與襯砌的力學參數(shù)等見表1、表2和表3。

圖1　巷道數(shù)值模型

表1　巖體計算參數(shù)

表2　錨桿結構單元參數(shù)

2.3數(shù)值模擬工況設置

模型開挖后的巷道選用FLAC3D內置的空模型（Null）。巷道采用全斷面開挖，為模擬深埋應力條件下巷道開挖的影響，采用應力邊界條件進行初始應力平衡，忽略重力影響，模型上下表面施加10mPa應力邊界條件，為驗證側應力系數(shù)對底腳附近應力的影響，四周施加水平應力分別為5，10，15，20，25，30mPa，以分別模擬在側壓系數(shù)為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0時巷道圍巖的應力變化，并在巷道底腳附近的襯砌上設置3個監(jiān)測點，研究巷道底腳襯砌的剪力和彎矩。A點位于巷道底板與兩幫交角上部0.4m處，B點位于巷道底板與兩幫交角上部0.2m處，C點則剛好位于巷道底板與兩幫交角處。

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1巷道圍巖應力分布分析

如圖2（a）所示，在側壓系數(shù)為0.5時，拉應力區(qū)主要出現(xiàn)于巷道頂板、底板、兩幫處。最大拉應力出現(xiàn)在巷道底板，為0.28mPa，表明巷道底板易發(fā)生拉張破壞。最大壓應力則出現(xiàn)在巷道兩底腳處，為6.39mPa，這與實際生產中，直墻半圓拱巷道底腳處受壓應力較大，易產生破壞這一狀況是相符的。如圖2（b）所示，當側壓系數(shù)為1.0時，最大壓應力位置仍然出現(xiàn)在巷道底腳處，最大壓應力為11.37mPa。如圖2（c）所示，當側壓系數(shù)為1.5時，底腳處壓應力最大，最大值為12.80mPa。如圖2（d）所示，當側壓系數(shù)為2.0時，最大壓應力值為13.49mPa。如圖2（e）所示，當側壓系數(shù)為2.5時，最大壓應力值為15.00mPa。如圖2（f）所示，當側壓系數(shù)為3.0時，最大壓應力值為18.68mPa。

圖2　巷道圍巖最大主應力云圖

根據(jù)上述圍巖應力分布分析，可以得出，在巷道開挖后，直墻半圓拱巷道底腳產生的壓應力最大，壓應力主要集中在巷道底腳處，且隨著側壓系數(shù)的增加，即在垂直應力不變的情況下，水平應力增加，巷道底腳位置處所受到的壓應力呈現(xiàn)出增加的趨勢。因此，在實際生產中，在水平應力越大的區(qū)域開挖的巷道，其底腳部分可能更容易發(fā)生破壞。

3.2底腳處襯砌剪力與彎矩分析

為研究巷道在不同側壓系數(shù)下支護結構的穩(wěn)定性，對A、B、C 3個監(jiān)測點處襯砌的剪力與彎矩進行分析，不同側壓系數(shù)下底腳A、B、C 3處襯砌的剪力曲線如圖3所示。分析后可發(fā)現(xiàn)，底腳處襯砌剪力隨著側壓系數(shù)的增加而增加，表明隨著側壓系數(shù)的增加會導致襯砌中剪力的增大，底腳處襯砌有可能更易產生剪切破壞，從而導致巷道支護失穩(wěn)。圖4為不同側壓系數(shù)下底腳A、B、C 3處襯砌的彎矩曲線。分析后可發(fā)現(xiàn)，底腳處襯砌彎矩也隨著側壓系數(shù)的增加而增加，表明隨著側壓系數(shù)的增加會導致襯砌彎矩的增大，底腳處襯砌有可能更易發(fā)生破壞，從而導致巷道整體支護結構的失穩(wěn)。

圖3　不同側壓系數(shù)下底腳處襯砌剪力

圖4　不同側壓系數(shù)下底腳處襯砌彎矩

4 結 論

（1）數(shù)值模擬表明，在水平應力較大的條件下，直墻半圓拱巷道最大壓應力常出現(xiàn)在巷道直墻與底板相交的底腳處，在實際生產過程中?？赡軐е孪锏乐ёo結構整體失穩(wěn)破壞，從而威脅巷道整體穩(wěn)定性。

（2）隨著側壓系數(shù)增大，即垂直應力不變，水平應力不斷增加的情況下，巷道底腳位置處所受到的壓應力呈現(xiàn)出增加的趨勢，若實際生產中巷道所在區(qū)域的水平應力越大，其底腳部分可能更容易發(fā)生破壞。

（3）隨著側壓系數(shù)增大，巷道底腳位置處襯砌的剪力與彎矩也表現(xiàn)出增大的趨勢，因此巷道周邊圍巖水平應力的增加，可能更容易導致底腳處襯砌產生破壞，從而威脅到巷道支護結構的整體穩(wěn)定性。

參考文獻：

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收稿日期：（2016-04-11）

作者簡介：何治良（1988-），男，四川綿陽人，助教，現(xiàn)主要從事采礦工程與巖土工程方向的研究，Email：hzlscmy@outloou. com。