不同侧压系数下直墙半圆拱巷道底脚受力模拟分析

何治良，屈 彪

（西南科技大学环境与资源学院， 四川绵阳市 621010）

不同侧压系数下直墙半圆拱巷道底脚受力模拟分析

何治良，屈 彪

（西南科技大学环境与资源学院， 四川绵阳市 621010）

摘 要：直墙半圆拱巷道直墙与底板相交的底脚属于应力容易集中的不利部位，巷道的破坏也常发生于底脚处。利用数值模拟软件FLAC3D对不同侧压系数下，巷道底脚受力情况进行了研究。结果表明，直墙半圆拱巷道最大压应力常出现在巷道直墙与底板相交的底脚处。随着侧压系数增大，巷道底脚位置处所受到的压应力呈现出增大的趋势，巷道底脚位置处衬砌的剪力与弯矩也表现出增大的趋势。若实际生产中巷道所在的区域水平应力较大，其底脚部分围岩可能较容易发生破坏，同时，底脚处衬砌也较易产生破坏，从而威胁到巷道支护结构的整体稳定性。

关键词：巷道；侧压系数；底脚；数值模拟

0 引 言

直墙半圆拱、直墙三心拱等巷道断面形式是地下矿山井巷工程的主要断面形式，而此类直墙拱形巷道直墙与底板相交的底脚属于应力容易集中的不利部位，巷道的破坏也常发生于底脚处。对于巷道支护来说，支护结构的结合部位是支护的关键区域，底脚是“帮-底”结合部位，影响着两帮与底板的稳定性［1］。底角处的应力集中易导致底脚处混凝土喷层等支护结构产生折断、掉落等破坏，即喷层的失脚现象，进一步还会影响到巷道两帮及顶板的稳定性，从而导致支护结构整体的失效。

在地下矿山开采活动中，随着开采深度的增加，水平应力的大小和方向对巷道围岩的破坏起到重要作用，国内外的研究表明：引起巷道围岩破坏的主要因素取决于水平应力的大小和方向，而不是垂直应力，并指出如果巷道走向与最大水平主应力的夹角小于25°～30°，则围岩中的最大主应力对巷道的影响可大幅减小［2］。

金川镍矿随着矿井开采深度的增加，巷道底脚部分应力集中现象越来越突出，底脚部分破坏现象日益严重，部分巷道出现严重的底脚鼓起等破坏。针对底脚破坏频发的状况，结合金川矿山的工程地质条件，本文对不同侧压系数下，巷道底脚受力情况进行了研究。

1 工程地质概况

金川三矿区1110m水平分段掘进巷道埋深约520m，巷道附近区域构造应力明显，侧压系数在1.5 ～3.0左右。巷道周边主要地质构造为F17断层，岩体完整性较差。矿体的顶板围岩主要由大理岩、条带状混合岩以及少量二辉橄榄岩组成，在二辉橄榄岩与大理岩或条带状混合岩接触处局部有1～3m不等的蛇纹石透闪石绿泥石片岩，且分布不连续。矿石的容重为3.05 t/m3，矿石的f值为4～6，围岩的f值为6～8。层间挤压严重，节理、裂隙发育。

2 巷道数值模型的建立

2.1模型概况

根据三矿区1110m水平分段掘进巷道现场施工情况，利用FLAC3D建立巷道数值模型，模型大小取巷道尺寸的3～5倍，以消除边界效应的影响。模型尺寸长×宽×高分别为30m×30m×8m。巷道断面为直墙半圆拱形，拱顶为半径2.5m的半圆，直墙高度为2m，锚杆间排距1m×1m，喷射混凝土衬砌厚度0.2m。划分后的网格如图1所示。模型施加初始地应力场，模型周边采用应力控制，边界设置为荷载已知的自由边界，以模拟深埋巷道应力状态。网格为放射状网格，靠近巷道部分网格密集，以精确模拟开挖引起的变化，网格共27600个，总节点数30591。

2.2模拟参数

巷道围岩选取Mohr-Coulomb模型，通过参阅金川镍矿相关工程地质与岩石力学性质的资料［3-5］，确定模拟所采用的岩石力学参数，以及锚杆与衬砌的力学参数等见表1、表2和表3。

图1　巷道数值模型

表1　岩体计算参数

表2　锚杆结构单元参数

2.3数值模拟工况设置

模型开挖后的巷道选用FLAC3D内置的空模型（Null）。巷道采用全断面开挖，为模拟深埋应力条件下巷道开挖的影响，采用应力边界条件进行初始应力平衡，忽略重力影响，模型上下表面施加10mPa应力边界条件，为验证侧应力系数对底脚附近应力的影响，四周施加水平应力分别为5，10，15，20，25，30mPa，以分别模拟在侧压系数为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0时巷道围岩的应力变化，并在巷道底脚附近的衬砌上设置3个监测点，研究巷道底脚衬砌的剪力和弯矩。A点位于巷道底板与两帮交角上部0.4m处，B点位于巷道底板与两帮交角上部0.2m处，C点则刚好位于巷道底板与两帮交角处。

3 数值模拟结果分析

3.1巷道围岩应力分布分析

如图2（a）所示，在侧压系数为0.5时，拉应力区主要出现于巷道顶板、底板、两帮处。最大拉应力出现在巷道底板，为0.28mPa，表明巷道底板易发生拉张破坏。最大压应力则出现在巷道两底脚处，为6.39mPa，这与实际生产中，直墙半圆拱巷道底脚处受压应力较大，易产生破坏这一状况是相符的。如图2（b）所示，当侧压系数为1.0时，最大压应力位置仍然出现在巷道底脚处，最大压应力为11.37mPa。如图2（c）所示，当侧压系数为1.5时，底脚处压应力最大，最大值为12.80mPa。如图2（d）所示，当侧压系数为2.0时，最大压应力值为13.49mPa。如图2（e）所示，当侧压系数为2.5时，最大压应力值为15.00mPa。如图2（f）所示，当侧压系数为3.0时，最大压应力值为18.68mPa。

图2　巷道围岩最大主应力云图

根据上述围岩应力分布分析，可以得出，在巷道开挖后，直墙半圆拱巷道底脚产生的压应力最大，压应力主要集中在巷道底脚处，且随着侧压系数的增加，即在垂直应力不变的情况下，水平应力增加，巷道底脚位置处所受到的压应力呈现出增加的趋势。因此，在实际生产中，在水平应力越大的区域开挖的巷道，其底脚部分可能更容易发生破坏。

3.2底脚处衬砌剪力与弯矩分析

为研究巷道在不同侧压系数下支护结构的稳定性，对A、B、C 3个监测点处衬砌的剪力与弯矩进行分析，不同侧压系数下底脚A、B、C 3处衬砌的剪力曲线如图3所示。分析后可发现，底脚处衬砌剪力随着侧压系数的增加而增加，表明随着侧压系数的增加会导致衬砌中剪力的增大，底脚处衬砌有可能更易产生剪切破坏，从而导致巷道支护失稳。图4为不同侧压系数下底脚A、B、C 3处衬砌的弯矩曲线。分析后可发现，底脚处衬砌弯矩也随着侧压系数的增加而增加，表明随着侧压系数的增加会导致衬砌弯矩的增大，底脚处衬砌有可能更易发生破坏，从而导致巷道整体支护结构的失稳。

图3　不同侧压系数下底脚处衬砌剪力

图4　不同侧压系数下底脚处衬砌弯矩

4 结 论

（1）数值模拟表明，在水平应力较大的条件下，直墙半圆拱巷道最大压应力常出现在巷道直墙与底板相交的底脚处，在实际生产过程中常可能导致巷道支护结构整体失稳破坏，从而威胁巷道整体稳定性。

（2）随着侧压系数增大，即垂直应力不变，水平应力不断增加的情况下，巷道底脚位置处所受到的压应力呈现出增加的趋势，若实际生产中巷道所在区域的水平应力越大，其底脚部分可能更容易发生破坏。

（3）随着侧压系数增大，巷道底脚位置处衬砌的剪力与弯矩也表现出增大的趋势，因此巷道周边围岩水平应力的增加，可能更容易导致底脚处衬砌产生破坏，从而威胁到巷道支护结构的整体稳定性。

参考文献：

［1]黄庆享，刘玉卫.巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论［J］.采矿与安全工程学报，2014（03）：354-358.

［2]康红普，王金华，林 健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析［J］.岩石力学与工程学报，2010（04）：649-664.

［3]岳 斌，王永才.金川二矿区深部工程地质研究与岩体质量评价［J］.岩石力学与工程学报，2003（S2）：2615-2619.

［4]杨春丽，王永才.金川矿区深部巷道支护方式优化数值模拟研究［J］.金属矿山，2008（03）：71-74.

［5]马崇武，慕青松，陈晓辉，等.金川二矿区上盘巷道变形破坏与水平矿柱的关系［J］.矿业研究与开发，2007，27（05）：13-16.

［6]陈怀利，张海军，陈仲杰.金川二矿区受采动影响巷道的变形特征及支护探讨［J］.采矿技术，2007，7（04）：19-20，24.

［7]马建青.金川二矿区1138m分段道变形特征及稳定性研究［J］.矿业研究与开发，2003（S1）：88-91.

［8]屈 彪，何治良，王大国，等.复杂应力条件下不同锚杆支护的巷道稳定性［J］.金属矿山，2016（01）：147-152.

［9]高富强.最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响的数值分析［J］.矿业研究与开发，2008，28（01）：62-64.

收稿日期：（2016-04-11）

作者简介：何治良（1988-），男，四川绵阳人，助教，现主要从事采矿工程与岩土工程方向的研究，Email：hzlscmy@outloou. com。