巷道断面形状对围岩稳定性的影响数值分析

摘 要：为探讨巷道断面形状对围岩稳定性的影响，本文结合丁集煤矿实际情况，采用FLAC软件对矩形、直墙半圆拱、圆形三种断面形状与围岩塑性区、应力场分布之间的关系进行了模拟。结果表明：不同形状巷道围岩塑性区几乎一致；矩形巷道顶部出现了较大的拉应力顶部采用拱形后拉应力区显著减小。

关键词：巷道 断面形状 围岩 塑性区 应力场

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0152-01

影响巷道围岩稳定性的主要因素有三个：岩体应力、围岩强度和支护技术。同理，与其相对应的，巷道围岩控制就有三个基本途径：（1）降低岩体应力；（2）提高围岩强度；（3）选择合理的支护技术。

1 数值计算模型及有关参数

FLAC软件所构模型尺寸为长×宽=50 m×50m，共划分200×200=40000个单元，上覆岩层施加18.75 MPa载荷，整个模型处于静水压力状态。模型采用均质材料，该材料服从Mohr-Coulomb模型，材料的物理力学参数见表1。

2 围岩塑性区分布

不同断面形状的巷道围岩的塑性区分布，由于巷道的采掘，顶底板基础位于两帮，在垂直应力作用下，使得由于采掘而产生的矿山压力不断向围岩深部位移，在巷道的两帮处形成高集中应力，所以该巷道两帮的塑性区范围要比顶底板影响范围要大，从巷道围岩塑性区的分布和大小可以看出，这几种断面形状的巷道塑性区分布基本一致，和开挖半径为2.5 m的圆形巷道受压所造成的塑性分布区等效，也就是说，不同断面形状巷道的采掘，相当于采掘了同等直径的圆形巷道。

3 围岩应力场分布

巷道围岩中的应力大小、分布和巷道断面形状有关。由于断面由曲线构成的巷道对于采掘巷道周边的拉应力有一定的优化作用，从而使掘进巷道周围的拉应力降低，保证巷道的自稳。

巷道围岩拉应力分布情况：（1）矩形巷道断面周边均出现了较大的拉应力，四周均出现了拉应力破坏区，与围岩塑性区的分布相吻合；（2）矩形巷道四周拉应力区明显大于其它断面的巷道拉应力区，尤其是巷道的顶部；（3）在顶部采用拱形后，顶部的拉应力区显著减小，巷道帮部的拉应力区也有所缩小，避免了帮部发生拉破坏，但顶部断面形状对帮部拉应力的影响作用十分有限，而帮部断面形状对拉应力的影响较大。

4 巷道围岩变形特征

虽然巷道断面形状不同，但是他们的位移矢量局势指向巷道的周边，越是靠近巷道的周边距离，其位移量愈大。可以看出矩形巷道周边位移量明显高于其它巷道，尤其是巷道顶角和底角围岩受应力集中影响出现两种位移方向，变形不一致，而半圆拱和圆形巷道顶板位移较均匀，整体变形较一致，巷道稳定性较好。

为了更深入了解和全面分析巷道围岩的变形特征，沿垂直于巷道顶板设置了一条10 m长的监测线，每条监测线均匀布置20个监测点，结果如图1所示。

5 结论

综合本文数值模拟及现场观测分析可知，不同形状巷道围岩塑性区几乎一致，由曲线所构成的巷道周边所受拉应力比折线所构成的巷道所受的拉应力小，从而有效控制巷道周边发生拉应力的破坏；矩形巷道顶部出现了较大的拉应力顶部采用拱形后拉应力区显著减小，故当巷道采用矩形断面时，可把矩形巷道的顶角做成圆弧形，减小顶部拉应力尤其是可消除顶板顶角的应力集中。

参考文献

[1] 何满潮，邹正盛，邹友峰.软岩巷道工程概论[M].徐州：中国矿业大学出版社，1993：12-16.

[2] 朱微申，何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学[M].北京：科学出版社，1996：24-26.