徐兵 王哲 王志修 王大国

(西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010)

随矿井开采深度增加，“三高一扰动”的复杂条件下，巷道矿压显现剧烈，冲击危险性增大。许多学者对深部高应力巷道设计进行了研究［1-3］，包括理论分析、物理试验、数值模拟及现场试验，取得了一些成果，但远未成熟，特别是在深部冲击危险性较大的高应力巷道设计中，技术人员大都重点考虑巷道的支护方式及参数，而对巷道断面的形状、水平应力等因素考虑较少，往往导致巷道支护成本提高而效果欠佳。对于矿区煤层巷道变形破坏机理研究有过不少报道。张亮等［4］结合数值模拟对复合顶板松软煤层巷道变形破坏机理进行分析，得到巷道变形破坏原因主要是由于原有支护缺乏主动支护作用。针对复杂围岩环境条件，陈跟马等［5］研究了大佛寺煤矿40108工作面巷道变形破坏特征及支护技术，提出了“高强高预应力锚杆(索)+底角锚杆”支护技术控制巷道围岩稳定性。随着深井巷道的开挖，岩体可能随矿井深度的急剧增大产生软化效益，张志康等［6］研究了不同深度条件下大断面巷道的围岩应力、变形及破裂规律，得到600 m的深度即为研究矿区的岩石软化的临界深度。目前，研究大都从巷道围岩应力及变形角度进行分析，探究巷道破坏机理及其处置措施，而针对巷道断面优化的研究较少，使得高应力巷道设计存在一定的局限。贾陈海［7］对大断面高地应力煤巷断面形状进行了选择。付强等［8］基于有限差分软件FLAC3D，研究了巷道截面形状等对于巷道围岩变形和压力分布的影响规律。然而系统地研究不同断面形状巷道的应力应变关系及塑性区分布规律，并深入分析了不同侧压力系数的影响的研究较少。本文选取矩形、直墙拱形、梯形、圆形和椭圆形5种断面形状的巷道，通过5种典型巷道的应力应变关系及塑性区分布规律，分析不同侧压力系数对圆形和椭圆形断面巷道的影响，进而对巷道断面进行优化设计。

1 模型建立

根据矿区巷道中常用的几种断面，选取矩形、直墙拱形、梯形、圆形和椭圆形5种断面形状的巷道进行分析，其巷道断面形状如图1所示。

本数值模拟以兖州济宁矿区某工程为背景，根据工程地质条件，本文建立模拟区域的长×宽=80 m×80 m，有限元模拟采用如图2所示的计算模型。

本模型边界条件为:侧向和底部处的位移受限;模型上表面施加25 MPa的荷载;采用Mohr-Coulomb破坏准则计算围岩应力应变关系及变形特征、围岩塑性区分布及不同侧压力系数的影响。其中计算参数如表1所示。

2 结果与讨论

图1 巷道断面形状

图2 数值计算模型

表1 计算参数

2.1 不同断面形状巷道应力应变关系

巷道开挖导致一定范围内的围岩应力重新分布，应力从巷道围岩表面向深部转移，且分布不均匀，由“等效开挖”［9，10］理论可知，断面形状不同，巷道矿压规律也不完全一致，由此产生的巷道围岩应力应变关系及塑性区分布也各有不一。

由图3可知，矩形、梯形断面巷道主应力差由巷道轴线向两侧肩、底角逐渐收缩，呈现出不均匀性，越靠近围岩周边，主应力差的分布越不均匀;远离围岩周边，主应力差的分布逐渐趋向均匀;与矩形、梯形巷道相比，直墙圆拱巷道顶板和帮部边界均为规则的曲线，主应力差的分布较矩形、梯形巷道明显改善，均匀性明显增大;椭圆形、圆形巷道全断面为曲线，巷道周边应力分布均匀，且圆形巷道基本处于均压状态;图3表明椭圆形及圆形巷道最小;矩形、梯形巷道主应力差不均匀区域的范围最大，其次是直墙拱形巷道。

图3 不同断面形状巷道围岩主应力差及塑性区分布图（单位：MPa）

2.2 不同断面形状对竖向位移的影响

巷道开挖过程中会导致围岩应力释放，围岩应力释放过程中会沿开挖面产生较大的变形，为了分析研究掌握巷道开挖后围岩变形特征，本文计算了不同断面形状巷道顶板的竖向变形，如图4所示。

图4 不同断面形状巷道顶板位移

由图4计算结果可知，随着距巷道顶板距离的增大，巷道顶板在附加荷载的作用下竖向位移随之减小，但不同断面形状巷道顶板位移存在较大差异。其中圆形断面形状的巷道变形最小，而矩形断面形状的巷道变形最大，两种断面形状巷道顶板位移最大分别为:144.6 mm和97.6 mm。如图4所示5种断面形状的巷道顶板位移大小顺序为矩形＞梯形＞直墙拱形＞椭圆＞圆形，最大位移与最小位移相差32.6%。模拟结果表明巷道边界线越光滑，巷道顶板位移越小。该结果也印证了图3中不同断面形状巷道围岩主应力差及塑性区分布结果。图4同时表明该模拟下不论巷道断面形状如何，荷载作用下对巷道顶板位移的影响距离大约为6 m。

2.3 水平应力作用下的断面形状优化选取

研究表明深部构造应力作用时，随着水平应力的不断提高围岩能量集聚显著增长，冲击地压的发生几率增加［11］。通过上文图4结果可知圆形和椭圆形断面的巷道位移较其他形状断面都要小，因此本文模拟分别取圆形和长轴垂直于地层的椭圆形断面巷道分析水平应力对巷道稳定性的影响，对巷道断面选取进行优化。计算巷道断面面积为9 m2，埋深1 000 m，侧压系数λ分别为0.4，1.0和1.6的巷道主应力。其不同侧压系数条件下两种断面巷道主应力分布如图5～图7所示。

如图5所示，当λ=0.4时，在水平方向上的塑性区范围呈现集中的趋势，在垂直方向上面的变化范围不大，塑性区呈扁平状分布［11］。相比椭圆形巷道，圆形巷道塑性区分布更均匀，椭圆形巷道两帮塑性区集中。因此，根据塑性区分布分析侧压系数为0.4时圆形巷道较椭圆形巷道要好。

如图6所示，当λ=1时，巷道围岩处于等压状态，围岩塑性区在巷道四周基本呈均匀分布，塑性区分布近似圆形。巷道两帮及顶底板主应力差峰值一致。椭圆形巷道围岩的主应力峰值略大于圆形巷道。相比之下，椭圆形巷道四周塑性区较圆形巷道要集中。从而侧压系数λ=1的等压状态条件下宜选取圆形断面巷道。

图5 λ=0.4的圆形/椭圆形断面巷道主应力分布（单位：MPa）

图6 λ=1.0的圆形/椭圆形断面巷道主应力分布（单位：MPa）

图7 λ=1.6的圆形/椭圆形断面巷道主应力分布（单位：MPa）

如图7所示，当λ=1.6时，塑性区在垂直方向的范围上呈递增趋势，在水平方向上的范围则变化不大，但巷道围岩塑性区范围有明显增大的趋势，且塑性区呈瘦高型分布。椭圆形巷道围岩的主应力差峰值比圆形巷道及长轴在垂直方向的椭圆形巷道要小。相比于椭圆形巷道，圆形巷道在顶底两处塑性区集中。椭圆形巷道塑性区分布更为均匀。

综上分析可知:当水平应力较小时，巷道围岩主应力差峰值出现在水平方向，塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大，故需尽量减少水平方向上的主应力差及塑性区的分布，降低巷道两帮的变形量，此时合理的断面形状为圆形巷道［11］。当水平应力较大时，巷道围岩主应力差峰值出现在垂直方向，塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大，故需尽量减少垂直方向上的主应力差及塑性区的分布，降低巷道顶底板的变形量，此时合理的断面形状为长轴在水平方向的椭圆形巷道。

3 结语

本文基于有限元程序分析了矩形、直墙拱形、梯形、圆形和椭圆形5种断面形状的巷道的应力应变关系及塑性区分布规律，并深入分析了不同侧压力系数对圆形和椭圆形巷道的影响。得到了不同断面形状巷道围岩主应力差及塑性区分布;不同断面形状的巷道顶板位移大小顺序为矩形＞梯形＞直墙拱形＞椭圆＞圆形。模拟结果表明巷道边界线越光滑，巷道顶板位移越小;通过不同侧压力系数的模拟研究得到当水平应力较大时，合理的断面形状为长轴在水平方向的椭圆形巷道;当水平应力较小时，合理的断面形状为圆形巷道。

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