刘王俊

（山西乡宁焦煤集团 申南凹焦煤有限公司，山西 临汾 042104）

厚中细砂岩中大断面巷道断面形状的确定及其稳定性研究

刘王俊

（山西乡宁焦煤集团 申南凹焦煤有限公司，山西 临汾 042104）

针对国内某大型矿井工程实际，经钻孔取芯及实验室测定获得该矿井的岩层分布及其物理力学参数，后用大型岩土数值计算软件对常用的矩形巷道和直墙半圆拱巷道分析稳定性，并依据应力、位移、破坏区指标判断巷道稳定性。

细砂岩；大断面巷道；稳定性；数值计算

1 概述

近年来，随着煤炭资源的开采，矿井深度越来越深，随着矿井机械化和自动化的进步，煤矿巷道断面越来越大，必须重视巷道稳定性的问题[1-3]。

开挖地下空间后，原始应力场重新分布形成二次应力场，对于煤矿巷道周边产生的应力集中区域和集中程度的大小会受原始应力场、巷道布置方位、巷道断面形状及大小的影响；其中巷道断面形状对应力集中程度的影响很大，加之巷道断面形状影响着巷道的支护方法或支护方案[4，5]。因此，寻求特定条件下巷道断面的合理形状，分析其围岩的稳定性显得非常重要。

为了确定国内某大型煤矿的巷道断面形状，并评估其稳定性，本文以该矿的工程地质条件为背景，利用数值方法分析了常用巷道断面的稳定性，并通过围岩的应力场、位移场、破坏区域分布等的影响因素，确定出了该矿巷道的合理断面形状及尺寸。

2 数值计算模型的建立

通过理论计算巷道断面、通风量、设备运输宽度及高度后，初步确定巷道断面从矩形和直墙半圆拱两种断面形状中进行优选：

1）矩形巷道断面参数为：11800mm×6600mm；

2）墙半圆拱巷道断面参数为：底跨11 800 mm，直墙高1660mm，拱高7560mm。模型中各岩层力学参数，如表1所示。

表1 材料的主要力学参数

建立数值计算模型时，依据大型数值模型的建模原则[6]和尽量简化的原则，以该矿实际条件为准建立了矩形和直墙半圆拱两种断面的模型。整体模型宽度80 m，高度63.7 m，巷道所处岩层厚度19.85 m。模型下边界施加竖立方向的位移约束，左右边界施加水平位移约束，前后边界施加水平位移约束，上边界施加均布载荷（模拟上覆岩层自重载荷）。

3 巷道的稳定性分析

为了掌握不同断面形状时巷道围岩的稳定性，先要了解巷道围岩的应力分布特征、变形分布特征，这就要求评价巷道围岩稳定性应以巷道围岩应力场、位移场、破坏区作为指标。

图1 巷道开挖后的围岩铅垂应力等值线图

从图1看出，铅垂应力分布从上往下逐渐增大，最大值位于巷道帮部上方，矩形巷道应力集中程度稍大于直墙半圆拱巷道；矩形巷道最大铅垂应力约25MPa，而直墙半圆拱巷道大约21MPa。初步判断直墙半圆拱巷道帮部破坏区域略小于矩形巷道。

图2 巷道开挖后的围岩水平应力等值线图

从图2看出水平应力场发生了大的扰动，应力集中主要在矩形巷道的帮部和底角，直墙半圆拱巷道的底角。矩形巷道围岩中最大水平应力约8.5MPa，直墙半圆拱巷道围岩中最大水平应力约9.7 MPa，稍大于矩形巷道。

图3 巷道开挖后的围岩铅垂位移等值线图

从图3得知，矩形巷道和半圆拱巷道，最大铅垂位移都在巷道顶板上方，矩形巷道的最大铅垂位移稍大于直墙半圆拱巷道。

从图4得知，矩形巷道和直墙半圆拱巷道，其最大水平位移都在巷道两帮，矩形巷道的最大水平位移略大于直墙半圆拱巷道，矩形巷道的最大值约6.67cm，直墙半圆拱巷道的最大值约3.98cm。

从图5看出，无论是巷道帮部还是巷道顶、底板，矩形巷道破坏区域都大于直墙半圆拱巷道。从巷道的应力和位移分布来看，矩形巷道应力集中程度大，对维护围岩稳定差于直墙半圆拱巷道，矩形巷道帮部偏移量约6.342 cm，直墙半圆拱为3.946 cm，从位移的角度来看，直墙半圆拱巷道优于矩形巷道。

图4 巷道开挖后的围岩水平位移等值线图

图5 巷道开挖后的围岩破坏区域分布图

4 巷道断面的优选

为了确定巷道断面的最终形状，对两种断面形状的巷道位移、应力、破坏区域的分析，结果如下：（1）巷道是通风运输的通道，断面大小直接决定通风量、施工工程量、运输能力、维护难易程度，从这些方面讲，两种断面巷道基本持平。（2）矩形巷道顶板最大下沉量达到12.3 cm，直墙半圆拱顶板最大下沉量为9.569 cm，从维护顶板的稳定性讲，直墙半圆拱巷道优于矩形巷道。（3）矩形巷道的帮部位移量达到6.342cm，直墙半圆拱为3.946cm，从维护巷道帮部的稳定性讲，直墙半圆拱巷道优于矩形巷道。（4）从巷道围岩的破坏区域讲，矩形巷道无论是帮部还是顶、底板，其破坏区域都大于直墙半圆拱巷道，因此，直墙半圆拱巷道更利于维护围岩的稳定性。

从总体上考虑，直墙半圆拱巷道有利于维护巷道围岩的稳定性，最后确定直墙半圆拱巷道为该矿巷道的合理断面形状。

5 结论

本文从实际出发，通过钻孔取芯并到实验室测定，获得了该矿井的岩层分布及其物理力学参数；利用大型岩土数值计算软件，对常用的矩形巷道和直墙半圆拱巷道进行了稳定性分析，并依据应力、位移、破坏区的指标判断巷道的稳定性；确定了巷道的最终断面形状为直墙半圆拱，可供同类矿井参考。

[1]Shaoqing NIU,Shuangsuo YANG,Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softening Model after Peak Based on Morh-Cloumb Theory Criterion[J].Advanced Materials Research，Vols.261-263(2011)：1439-1443.

[2] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3] 杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京：煤炭工业出版社,2004.

[4] 牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[5] 杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010，35(11):1842-1853.

[6]Itasca Consulting Group,Inc.USA.FLAC3D[M].Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions,version 3.0,User’s Manual.

Abstract:Based on the engineering practice of some large mine in China,the study achieves strata distribution and physical mechanical parameters through core and laboratory methods,then analyzes stability of rectangle roadway and upright wall semi-circular arch roadway with geotechnical numerical calculation software,and evaluates the roadway stability in terms of stress,displacement and failure zone index.

Key words:fine sandstone;large cross-section roadway;stability;numerical calculation

编辑：刘新光

From Finding for Cross-sections of Large Cross-section Roadways in Thick-medium-fine Sandstone and Stability Study

LIU Wang-jun

(Shennanwa Coking Coal Co.,Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042104)

TD322

A

1672-5050（2012）05-0052-03

2011-11-15

刘王俊（1978—），男，山西乡宁人，大专，助理工程师，从事煤矿开采等方面的研究工作。