断面形状对巷道围岩稳定性影响数值模拟分析
杨昊鹏
（神木汇森凉水井矿业有限责任公司）
摘 要：在煤矿巷道支护工序实施和施工应用中，一般认为有效提高支护质量的关键问题是支护方式的选择及支护参数的确定，而对巷道断面形状产生的影响考虑不足。通过现场实践调研得知，巷道断面形状对巷道围岩稳定性有比较大的影响，进而影响支护质量。采用FLAC5.0数值模拟软件，选取六种不同断面形状在相同条件下进行模拟比较，通过对模拟结果的分析研究不同断面形状对巷道围岩稳定性的影响。关键词：断面形状 支护 数值模拟 围岩稳定性中图分类号：TD325.1 文献标识码：A
文章编号：1674-098X(2014)02(b)-0118-03
巷道围岩的稳定性取决于多种因素的耦合作用结果，其中不同的巷道断面形状对围岩的稳定性有重要影响[1～2]。现有矿井典型巷道断面形状分为矩形、直墙半圆拱形、马蹄形和三心拱形、圆形以及椭圆形共6种，如图1所示。各巷道外接于半径为2.5 m圆，从巷道塑性区分布、应力场分布以及围岩变形特征等几个方面，研究静水压力条件下（即水平应力与垂直应力相等）
断面形状对巷道围岩稳定性的影响。=50 m×50 m，共划分200×200=40000个单元。模型左右两侧限制水平位移，底部限制垂直移动，模型上部取应力边界，按上覆岩层厚度施加均布载荷，为18.75 MPa。如图2所示，模型处于静水压力状态。采用Mohr-Coulomb模型。模型采用均质岩体，其物理力学参数见表1。
1 数值模型建立及有关参数
某矿煤层底板岩石回风大巷设计长度877 m，按+3‰坡度施工，巷道布置在11煤顶板与13煤底板中施工，设计标高-890～-906 m，平均埋深910 m。
采用FLAC5.0数值模拟软件建立和计算模型。模型外部尺寸为长×宽
-2
-1
2 模拟结果 分析
2.1 围岩塑性区分布
不同断面形状的巷道围岩塑性区分布情况如图3所示。
由图3可以看出，巷道开挖后，顶底板基础位于两帮，在所设置的垂直应力作用
(a) 矩形 (b) 直墙半圆拱 (c) 三心拱 (d) 马蹄形 (e) 椭圆 (f)圆形
图1 巷道断面
下，应力向围岩深部转移，在两帮形成应力集中区，因此巷道两帮塑性区影响范围普遍略大于顶底板的影响范围。同时，这几种断面的巷道围岩塑性区大小及分布基本一致，与开挖半径为2.5 m的圆形巷道形成的塑性区等效，即开挖不同断面的巷道时，相当于开挖了同径的圆形巷道，这里存在一个等效开挖的概念，以直墙半圆拱巷
(a) 矩形 (b)直墙半圆拱 (c) 三心拱
道为例，见图4。
矩形巷道为折线形巷道，巷道四周会产生较大的拉应力，超过了围岩的抗拉强度，其围岩不仅发生剪切破坏，同时在巷道两帮及顶底板还产生拉应力破坏，出现拉破坏区（见图3中a）；直墙半圆拱巷道和三
(d)马蹄形 (e)椭圆 (f)圆形
图3 不同断面形状的巷道围岩塑性区分布
图4 巷道等效开挖过程示意图
表1 岩体物理力学参数
密度/(kg·m-3)2500
体积模量/MPa2500
剪切模量/MPa1600
内摩擦角/(º)26
抗拉强度/MPa0.6
图2 数值模型
粘聚力/MPa0.6
118
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.工程技术
2014 NO.05Science and Technology Innovation Herald科技创新导报高巷道的稳定性。
不同断面形状的巷道围岩拉应力分布情况如图5所示，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。矩形巷道四周拉应力区明显大于其它断面的巷道拉
(a) 矩形 (b) 直墙半圆拱 (c) 三心拱
应力区，尤其是巷道的顶部；在顶部采用拱形后，顶部的拉应力区显著减小，甚至在巷道肩角位置出现了小范围的压应力区，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，帮部断面形状对拉应力的影响较大。同时可以看出，随着帮部
(d)马蹄形 (e)椭圆 (f)圆形
图5 不同断面形状的巷道围岩拉应力分布
断面弯曲弧度的增加，帮部拉应力逐渐减小，断面周边局部也出现压力，巷道底板与巷道帮部呈现相同的规律，随着底板底拱程度的增加，底板的拉应力也逐渐减小。
2.2.2 围岩主应力差分布
巷道围岩主应力差导致围岩发生剪切破坏，并从根本上决定了破坏的范围[4]。为掌握巷道围岩主应力差分布规律，沿垂直于巷道顶板、帮部以及底板方向分别设置15 m的监测线，每条线均匀布置30个监测点，结果如图6、图7、图8所示。
图6 不同断面巷道顶板主应力差区分布
由图6可知：
(1）除矩形断面外，其他主应力差曲线相对比较接近，无明显差异，巷道断面越接近等效开挖断面，主应力差分布曲线越平滑；
(2）不同断面巷道主应力差最大值差别很小，基本相同，约为15 MPa，除矩形巷道外，其他主应力差的最大值位于顶板上方约7.0m处；
(3）矩形巷道主应力差曲线有较大起
图7 不同断面巷道底板主应力差区分布
伏，其最大主应力位于巷道顶板上方约8.0 m处，主要原因是受顶板1.0 m厚的无效加固区的影响。当去除无效加固区的影响，将主应力差曲线向X负轴方向平移1.0 m后，与其他巷道主应力差的总体规律也是一致的。
由图7和图8可知，去除无效加固厚度对主应力差值的影响，底板和帮部主应力差的规律与顶板的规律基本一致，但其最大值和位置发生了明显的变化，底板主
图8 不同断面巷道帮部主应力差区分布
心拱巷道由折线和曲线组成，由于局部采用曲线，可以降低巷道顶帮和帮部周边拉应力，低于围岩的抗拉强度，巷道断面为曲线的部分没有发生拉应力破坏，仅在巷道底板出现拉破坏（见图3中的b和c）；马蹄形巷道、椭圆形巷道及圆形巷道断面全部为曲线形，巷道周边的拉应力均较小，因此，巷道围岩只发生剪切破坏，未产生拉应力破坏（见图3中的d、e和f）。模拟结果说明曲线形巷道的周边的拉应力较折线断面巷道的
拉应力小，可以有效抑制巷道周边发生拉应力破坏。
2.2 围岩应力场分布
2.2.1 围岩拉应力分布
岩石抗压不抗拉，因此易在较低的拉应力作用下发生破坏，进而导致巷道围岩失去稳定性，发生片帮，冒顶等情况。巷道围岩应力的大小、分布和巷道断面形状有关[3]。曲线形断面能够对周围拉应力起到一定的优化作用，使其降低，甚至出现压应力，提
应力差最大值约为16.5 MPa，位于底板下方7.5 m处；帮部主应力差最大值约为18.5 MPa，距巷帮约8.5 m。
综上所述，帮部主应力差值的最大值是最大的，其次为底板，最后为顶板，位置分别为8.5 m、7.5 m和7.0 m。因此，巷道帮部塑性区的扩展范围比底板和顶板大，而底板和顶板的塑性区扩展范围相当，与围岩塑性区分布一致。2.3 巷道围岩变形特征
巷道围岩的变形特征对支护工作有重要意义。因此，沿垂直于巷道顶板、帮部以
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.119
科技创新导报2014 NO.05Science and Technology Innovation Herald工程技术
图9 不同断面巷道顶板位移
图10 不同断面巷道底板位移
大于其它断面的巷道拉应力区，尤其是巷道的顶部，相比之下，曲线形巷道围岩稳定性较好。
（3）曲线形断面形状的巷道主应力差曲线差异不明显，矩形巷道主应力差曲线与其他曲线差异较大，巷道断面帮部主应力差值最大，其次为底板，最后为顶板。
（4）无效加固区的松动变形在根本上决定着巷道周边位移大小和范围，无效加固区越小，在巷道表面产生的变形也就越小，巷道围岩也就越稳定。
图11 不同断面巷道帮部位移
及底板方向分别设置一条10 m长的监测线并均匀布置20个监测点，结果如图9、图10、图11所示。
由图9可知，矩形巷道的顶板位移最大，其他顶板的位移曲线差别很小。但顶板位移量均随着至顶板距离的增加而减小。矩形巷道顶板1.0 m范围即无效加固区的变形比其他顶板表面变形大，说明无效加固区的松动变形是矩形巷道顶板周边位移的根本原因，在现场实施中应加以注意。
不同断面形状的巷道底板的位移如图10所示。直墙半圆拱巷道、矩形巷道和三心拱巷道在底板的无效加固区范围比较接近，三者的位移曲线也大体相同。从平底巷道到马蹄形巷道，无效加固区急剧降低，松动变形大幅减小，底板表面变形也随之降低，变形减小约50 mm；采用椭圆形和圆形巷道，无效加固区依次减小，但减小幅度各
不相同，巷道底板变形的减小幅度也不尽相同，分别减小5 mm和15 mm。
不同断面形状的巷道帮部位移如图11所示，由于左右对称施工，其位移基本相同，故只选取左帮来研究分析。巷道在帮部的无效加固最大，因此帮部的位移最大，随着无效加固区的减小，巷道周边的位移也逐渐减小，当巷道为圆形时，没有无效加固，帮部的位移量达到极小值，约为140 mm。
参考文献
[1] 贾陈海.大断面高地应力煤巷断面形
状选择的探讨[J].江西煤炭科技，2008（3）：72-74.
[2] 高富强.断面形状对巷道围岩稳定性影
响的数值模拟分析[J].山东科技大学学报，2007，26（2）：43-46.
[3] 汪伟，韩磊，邵康.基于UDEC数值模拟
的巷道断面形状优化设计期[J].煤炭工程，2007（12）：54-55.
[4] 李思峰.急倾斜煤层断面形状及支护方
式的选择及应用[J].2009，28（5）：69-70.
3 结语
(1）开挖不同断面形状的巷道，都存在一个等效开挖区，即相当于开挖了一个同径圆形巷道，且不同断面的巷道围岩塑性区呈现对称分布的现象。
(2）折线形巷道周围拉应力区明显大于曲线形巷道，矩形巷道周围拉应力区明显
《中外医疗》投稿说明
1.稿件应具有科学性、先进性和实用性，论点明确、数据准确、逻辑严谨、文字通顺。
2.计量单位以国家法定计量单位为准；统计学符号按国家标准《统计学名词及符号》的规定书写。3.所有文章标题字数在20字以内。
4.参考文献应引自正式出版物，在稿件的正文中依其出现的先后顺序用阿拉伯数字加方括号在段末上角标出。5.参考文献按引用的先后顺序列于文末。
6.正确使用标点符号，表格设计要合理，推荐使用三线表。7.图片要清晰，注明图号。
120
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容