影响不对称软岩巷道掘进支护时间的数值模拟

宫能平　考四明

（安徽理工大学应用力学研究所，安徽 淮南 232001）

摘 要： 利用不对称有限元模型模拟软岩巷道掘进，使用巷道岩石应力释放比例确定支护时间 。分析了不同应力释放比例对巷道变形的影响，通过观察支护时间-应力曲线和支护时间- 位 移曲线，确定软岩巷道支护应在应力部分释放后实施，提前或滞后实施将影响施工效果，对 现场施工具有指导意义。

关键词：软岩巷道；数值模拟；支护时间

Asymmetric Roadway Excavation in Soft Rocks GONG Neng-ping, KAO Si-ming

(Institute of Applied Mechanics, Anhui University of Science and Technology, Hu ainan Anhui 232001, China)

Abstract: Roadway excavation in soft rocks was simulated by use of finite elemen t model. Support time was determined by roadway rocks stress release proportion. Influence of different stress release proportion on roadway deformation was ana lyzed. On the basis of support time-stress curve and support time-displacemen t c urve observation, it's proposed that roadway support in soft rocks should be per formed after stress partially released, ahead or lag support will affect perform ance effect, which has signification to guide roadway support performace.

Key words:soft-rock roadway; numerical simulation; support time

随着中国现代化建设和经济迅速发展，中国的能源消费必将迅速增长，对煤炭的需求也将迅 速增加［1］。随着人类对矿产需求量的日益增加，开采规模不断扩大，浅部易采的 矿产资源日趋枯竭，开采向深部发展是地下矿山的必然趋势。深部开采条件下岩石的性质不 同于浅部，而目前国内大部分生产单位仍按以前的施工设计方法进行生产，导致巷道变形过 大，维护费用高，甚至报废。在巷道支护设计中，巷道的支护时间往往容易被人忽视，从而 给后期巷道稳定带来影响。

工程实践表明，岩体工程开挖后的应力调整和变形并不是瞬间完成的［2］，而是在 随着时间推移慢慢变化，直至变形速率趋近于零，巷道基本保持稳定，变形与应力是与时间 相关联的。而现在大部分数值模拟巷道开挖及支护过程，没有考虑应力释放问题，有的是巷 道开挖后及时加锚杆和衬砌支护，有的是等巷道围岩应力完全释放后再进行支护，因此这样 的数值模拟没有真实地模拟出实际施工过程，从而造成了锚杆应力计算值偏大，围岩塑性区 偏小，不能真实反映出围岩及支护结构的受力状况。地下巷道开挖是一个破坏地下岩体边界 条件，应力重分布的过程。模拟巷道开挖的方法有很多，目前采用的主要有反转应力释放法 与刚度折减法［3］。反转应力释放法即在开挖边界上作用一等效释放荷载，这一等 效荷载等价于原来作用在该边界上的初始地应力，但方向相反。通过等效荷载的分级释放， 模拟不同的施工过程。刚度折减法是通过不断折减被开挖对象的刚度来模拟隧道开挖过程。 此法可以考虑被开挖对外刚度和对总体刚度的贡献，更加符合实际情况。

本文将采用数值分析软件，模拟淮北矿业集团涡北煤矿北翼轨道大巷开挖和支护过程，分别 计算了没有应力释放和应力释放(10%、20%、30%、40%、50%、60%)的再进行支护几种不同情 况下围岩的稳定性情况。

1 基本情况ノ斜泵嚎蟊币砉斓来笙铮设计断面为直墙圆拱形巷道， 净宽4.8 m，净 高4.05 m，巷道埋深-640 m。巷道大部分岩层与水平方向的夹角约 30°，以砂岩为主和分层伴有碳质泥岩，岩体较破碎，中间裂纹发育明显。根据地质钻探资 料，北翼轨道大巷附近还有几处小断层。由于特殊的地质环境，本文采用不对称模型，支护 方式为锚喷支护。

2 模型的建立

数值模拟岩体采用三维实体单元，为计算和显示结果的方便，混凝土喷层同样采用三维实体 ，锚杆和围岩的相互作用通过嵌入单元进行连接，实施全长锚固计算。对原问题进行简化分 析，忽略次要因素，最后建立模型（见图1）。考虑边界条件对模型巷道部分的影响 ，模型的高30 m，宽32 m，厚16 m，模型中间夹两个 软弱岩层的厚度分别为0.5 m和0.6 m，混凝土喷层厚度为100 mm。锚杆支护参数采用涡北煤矿现行使用的参数，采用直径为22 mm的 普通螺纹钢锚杆， 长2 200 mm， 锚杆间排距为800 mm×800 mm进行支护。

衬 砌 ，然后依次进行， 直到全部巷道开挖完成。 由于计算机资源的限制， 本文仅模拟16.0 m巷道， 每步开挖1.6 m，采用刚度折剪法，利用单元生死技术来控制 开挖过程，分析步骤如下：

（1） 初始地应力平衡；

（2） 第一步隧道开挖（释放部分荷载）；

（3） 安装该段内锚杆与衬砌；

（4） 释放该段内剩余应力；

（5） 重复（2）~（4）步至整条巷道开挖完成。

6 计算结果及分析

由整段巷道开挖完成后有限元分析的结果，绘出Mises应力云图（见图2）。

从图2可以看出，应力总体上围绕巷道断面成圈状分布，由于结构的不对称，造成整体应 力分布不对称，并且在有软弱岩层的地方，应力发生明显变化，相对于附近位置的应力偏小 。由于锚杆和围岩相互作用，形成一个整体，在顶板附近形成了一个应力分布均匀的承压带 。巷道在锚杆作用下，将高应力区向巷道深部延伸（见图3~图4）。图2 计算完成后Mises应力分布图3 应 力释放后巷道围岩应力图图4 第一步开挖后围岩应力图

从图3~图4中可以看出，应力释放和岩体被开挖，巷道的受力情况变化很大，而在什么时间 开始支护得到的结果自然不同。如果支护时间过早，大部分应力没有释放，造成锚杆受力过 大，可能使锚杆被拔出或拉断锚杆杆体，巷道变形难以支护。如果支护时间过晚，巷道应力 释放基本完成，变形趋于稳定，这时候有可能出现顶板离层，两帮变形过大，围岩失去自承 能力，导致支护不起作用，后期维护成本增加。

有限元计算还可以进一步得到巷道开挖后应力场、位移场随应力释放率的变化趋势，进而指 导巷道的支护设计(见图5～图6)ネü观察图5~图6可以发现，在40% 以前部分，Mises应力变化曲线较为平缓，40%以 后，Mis es应力变化曲线较为突然，巷道围岩的位移也趋向减小。如不及时支护，可能造成顶板离层 ，巷道围岩释放较多，难以支护或支护效果不理想。

通过分析得出，对于不对称巷道，其围岩的应力分布和结构有很大关系，本文选择的巷道可 以针对实际情况实施不对称支护。支护时间对巷道的稳定影响较大，巷道开挖完成后可先进 行临时支护，保证施工安全，待巷道基本稳定后，再进行二次永久支护。具体什么时间适合 支护，可以通过观测巷道的变形情况决定。

参考文献：

［1］ 谢和平.可持续发展与煤炭工业［C］∥谢和平.中国科协第31次“青年科学 家论坛”暨首届“煤炭青年学者论坛”报告文集.北京:煤炭工业出版社,1998.

［2］ 刘豆豆,陈卫忠,杨建平，等,二道垭隧道开挖与支护的数值模拟分析［J］. 山东大学学报(工学版)，2007,37(1):80-85.

［3］ 王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用［M］.杭州:浙江大学出版社,2 006：201-220.

(责任编辑：何学华)第4期