相邻平行巷道围岩应力数值分析

王 吉

（大同煤矿集团 四台矿，山西 大同 037032）

引言

在煤矿建设过程中，巷道开挖后，其围岩应力会发生很大的变化，在它的周围会产生一个影响带，这个影响带会对巷道的稳定性和支护产生一定的影响。当两条巷道平行开挖时，每条巷道都会产生一个影响带［1］，只要两个巷道之间的影响带彼此之间不重叠，就可以认为它们之间不会产生相互影响。如果两个巷道之间距离比较近，影响带相互叠加，岩柱将会承受比较大的应力，当应力超过岩柱所能承受的最大应力时，岩柱就会发生破坏，从而给巷道维护造成一定的影响。

岩石一般认为是脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，决定直墙拱形巷道围岩是否破坏的主要因素是巷道围岩强度是否达到其抗拉强度，其中关键点是巷道围岩的拱顶、拱基、墙中、墙基几个点的应力水平［2］。这些关键点的应力与巷道采深，岩柱宽度有直接的关系［3，4］。

本文基于有限元软件ANSYS，通过建立不同巷道采深，不同岩柱间距的相邻平行拱形直墙巷道模型，模拟巷道围岩应力分布特点，确定这些关键点的应力规律，为安全生产提供必要的参考。

1 数值模型建立

为分析简便，采用二维建模形式，将巷道布置在同一种岩石的岩层中，模型宽100m，高40m，岩层为砂岩，此岩石的密度为2 600kg／m3，弹性模量为28GPa，泊松比为0.2，岩石容重为25kN／m3。巷道宽5m，高4.5m，由于巷道周边是研究重点，所以将巷道周围网格密集划分，整个模型如图1所示。左右边界施加Y方向位移及自由度约束条件，下边界施加Y方向位移约束，上边界在每一个单元节点上施加Y方向压力，左右边界按照侧压系数为1施加压力，压力值都为容重与采深的乘积。

图1 相邻平行拱形巷道数值模型

2 数值模拟结果

2.1 不同采深巷道围岩应力分布

下页图2所示为岩柱宽度在30m，侧压系数设置为1时，在不同采深下，巷道围岩水平方向应力分布图。由图2可见，在某一采深下，两巷道应力分布呈对称分布，巷道变形在断面积缩小的同时多偏向与岩柱一侧，岩柱应力分布呈马鞍状。在不同的采深下，巷道应力分布趋势基本相同，只是由于上覆岩层压力变化，导致巷道各个关键点应力值发生变化，具体数据如表1所示。

图2 不同采深巷道围岩水平应力分布

表1 不同采深巷道关键点水平、垂直应力值

由表1可以看出，在巷道不同的关键点，不管是水平应力还是垂直应力，都随着采深的增加而增加，采深越大，巷道围岩所承受的应力水平越高，巷道越容易破坏。根据数值模拟结果可以看出，在巷道拱顶，垂直应力很小，水平应力相对较大，那么拱顶的破坏可以认为是水平构造应力作用的结果。拱基是直墙和半圆拱的连接处，此处的水平应力相对较小而垂直应力比较大，当采深达到600m时，此处垂直应力会达到61.74MPa，是所有关键点中应力最大值，此处也是巷道最容易产生破坏的地方。直墙中间位置处，水平应力很小，这与圆形巷道巷道壁处轴向应力为0的理论分析是相似的，垂直应力随着采深的增加而增加，所以采深越大，巷帮移近量越大。由于岩石的抗拉强度远低于抗压强度，所以当应力达到一定值时，巷道壁岩石会产生劈裂破坏，即发生层裂现象；墙底位置是直墙与底板的交界处，此关键点可以认为处于三向应力状态，虽然水平应力和垂直应力都比较大，但是由于岩石三轴抗压、抗拉强度远大于单轴抗压、抗拉强度，所以此关键点不容易发生破坏，从而为底鼓的形成提供了条件。

综上所述，随着采深的增加，拱基处是巷道最容易破坏的地方，需要在实际巷道维护中加强支护。

2.2 不同岩柱宽度巷道围岩应力分布

下页图3所示为在采深500m，侧压系数为1的情况下，不同岩柱宽度，相邻平行巷道围岩水平应力分布图。从图3中可以看出，不同的岩柱宽度，巷道应力分布是不同的。当岩柱宽度大于20m时，岩柱受力比较平缓，相邻巷道产生的应力相互影响比较弱，岩柱中央受力基本上可以认为是原岩应力。当岩柱宽度小于20m时，相邻巷道产生的应力分布相互影响比较严重，靠近巷道两端出现比较大的应力，对巷道支护会产生比较大的影响。岩柱宽度为20m时，应力分布图呈现出深马鞍状，两巷道在岩柱中央产生的应力叠加小于靠近巷道壁处的应力叠加，说明岩柱靠近巷道两端容易发生破坏。当岩柱宽度为10m，5m时，应力分布呈现拱形，此时两巷道在岩柱中央产生的应力叠加大于靠近巷道壁处的应力叠加，此时说明两巷道的影响带已经重合，岩柱会很容易被压坏，失去原来的作用。

图3 不同岩柱宽度巷道围岩水平应力分布

由图4－1可见，在水平方向上，拱基和墙中两个关键点的应力随着岩柱宽度的增加变化不大，拱顶的应力随着岩柱宽度的增加有幅值较小的增加，墙底的应力随着岩柱宽度的增加在减小。由图4－2可见，在垂直方向上，拱顶的应力随着岩柱宽度的增加变化不大，拱基、墙中和墙底三个关键点的应力随着岩柱宽度的增加而减小。所以，岩柱宽度越大，巷道周边所受到的应力越小，对于巷道的维护越有利。但是，岩柱宽度越大，两条平行巷道之间的联络巷就越远，不仅带来经济上的损失，而且实际生产中也会增加运输成本、增加工人劳动力，所以学者通过大量总结实际工程中的平行巷道岩柱宽度，总结了一个经验公式［1］：

式中：B为岩柱宽度；a为巷道宽度的一半；b为岩柱周边破裂区宽度；H 为采深；h为岩柱高度。

3 结论

1）巷道采深越大，各个关键点所承受的应力越大。不管是水平应力还是垂直应力，基本上随着采深的增加呈线性增加。

图4 巷道围岩应力与岩柱宽度之间的关系

2）在各个关键点中，随着采深的增大，巷道拱基处的应力增加最多，承受的应力也最大，也是直墙拱形巷道最容易破坏的地方。

3）当岩柱宽度较小时，容易造成相邻巷道影响带的叠加，使岩柱承受很大的应力，造成岩柱损坏，巷道失稳。垂直方向上，拱顶的应力随着岩柱宽度的增加变化不大，拱基、墙中和墙底三个关键点的应力随着岩柱宽度的增加而减小。水平方向上，拱基和墙中两个关键点的应力随着岩柱宽度的增加变化不大，墙底的应力随着岩柱宽度的增加在减小。

［1］ 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1994：33－39.

［2］ 刘加冬，陆文，陆洪斌，等.半圆拱形巷道围岩应力分布规律的研究［J］.矿业快报，2008（3）：22－24.

［3］ 邹喜正，李华祥.平行相邻巷道间距的确定［J］.江苏煤炭，1997（1）：38－40.

［4］ 冯大福，贺英魁.两巷道间的最短净岩柱计算［J］.矿业安全与环保，2006，33：70－71.