張必昇，婁培杰，方 勇

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 工程概況

Ⅲ1024底板巷施工層位位于10煤層底板，施工區(qū)域上距10煤層底板法距10.4～44.1 m，下距一灰頂板15.5～47.8 m。根據(jù)資料分析，該區(qū)域巖層傾角14°～20°，平均16°，巷道埋深806.7～852 m，該模擬按最大埋深852 m計(jì)算。

該三心拱巷道施工區(qū)域巖性主要為粉砂巖、中粒砂巖及細(xì)砂巖。巷道施工區(qū)域煤系地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，煤層總體表現(xiàn)為一走向北西，傾向北東的單斜構(gòu)造形態(tài)，局部有起伏；10煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，10煤層厚度1.99～2.93 m，平均厚2.47 m，為中厚煤層；煤層內(nèi)發(fā)育1層泥巖夾矸，厚度0.42～2.31 m，平均1.30 m。煤層基本頂為灰白色細(xì)砂巖，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，性較硬，厚度1.00～2.00 m，平均1.50 m；直接頂為灰～淺灰色砂巖，中厚層狀，緩波狀層理，鈣質(zhì)膠結(jié)，里面含炭質(zhì)，底部夾薄層泥巖，層互層狀，厚度10.00～14.79 m，平均12.40 m；直接底為深灰色泥巖，塊狀，含大量植物根莖化石，厚度0～1.40 m，平均0.7 m；基本底為灰色粉砂巖，層狀，夾薄層細(xì)砂巖條帶，厚度8.40～16.47 m，平均12.44 m。

2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)蘆嶺煤礦Ⅲ1024底板巷采礦地質(zhì)條件，建立FLAC3D模型如圖1所示，模型尺寸(長×寬×高)=125.2 m×24 m×54 m。模型四周包括底部施加固定邊界條件(即模型底面垂直方向速度為0，模型四周水平方向速度為0)，施加均布荷載到模型頂部，模型計(jì)算采用摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則。各巖層分布情況如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)Ⅲ1024底板巷道圍巖類別，本模型可分為11層：以巷道中心為起點(diǎn)，上方巖層依次為砂巖、泥巖、粉砂巖、泥巖和細(xì)砂巖；下方巖層依次為泥巖、粉砂巖、煤、粉砂巖以及砂巖。錨桿和錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，全部按照礦方原支護(hù)方案所采用的參數(shù)來計(jì)算?？紤]到施工現(xiàn)場與室內(nèi)條件存在差異，對(duì)部分巖體力學(xué)參數(shù)做了相應(yīng)調(diào)整，模擬所取的詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3 不同斷面巷道圍巖穩(wěn)定性

為探究不同斷面尺寸下巷道圍巖的變形差異，在保持其他條件不變的情況下，選取3組不同的斷面尺寸進(jìn)行一定步數(shù)的數(shù)值模擬，由于本方案斷面形狀為三心拱，則3組斷面尺寸分別為：大斷面(跨度為6 m)、中斷面(跨度為4.8 m)、小斷面(跨度為3.6 m)。不同斷面尺寸巷道圍巖的垂直應(yīng)力分布云圖見圖2。

(a)小斷面

(b)中斷面

(c)大斷面

由圖2可見，隨著斷面尺寸的增大，巷道兩幫附近的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸增大，并且向圍巖深部移動(dòng)。從小斷面巷道到大斷面巷道，巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力不斷減小，但隨著斷面跨度的增大，巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力減少的幅度卻隨之減弱，由此可知，三心拱巷道跨度不易過大，高跨比為1/3左右時(shí)，三心拱巷道最為穩(wěn)定。

通過布置監(jiān)測點(diǎn)得到了不同斷面尺寸巷道兩幫指定水平線上的具體垂直應(yīng)力對(duì)比，見圖3。

圖3 垂直應(yīng)力曲線

由圖3可見圍巖應(yīng)力集中處峰值位置，隨斷面尺寸的增大應(yīng)力不斷向圍巖深部集中，各尺寸斷面應(yīng)力峰值大小為：大斷面>中斷面>小斷面。由此可知，斷面越大，三心拱垂直應(yīng)力也相應(yīng)越大。不同斷面尺寸巷道圍巖的第一主應(yīng)力分布云圖見圖4。

(a)小斷面

(b)中斷面

(c)大斷面

由圖4可知，隨著巷道斷面尺寸的增大，巷道圍巖低應(yīng)力區(qū)逐漸增大，導(dǎo)致更大范圍的圍巖通過巷道開挖釋放應(yīng)力。從中斷面巷道到超大斷面巷道，巷道兩幫及頂?shù)装鍛?yīng)力逐漸增大。

通過布置監(jiān)測點(diǎn)，得到了不同斷面尺寸巷道兩幫指定水平線上水平應(yīng)力對(duì)比，結(jié)合第一主應(yīng)力云圖對(duì)比可知，斷面尺寸越大，巷道兩幫水平應(yīng)力回升至原巖應(yīng)力所需的距離越遠(yuǎn)，相對(duì)應(yīng)的，第一主應(yīng)力分布云圖中低應(yīng)力區(qū)范圍也就越大。

為進(jìn)一步對(duì)比不同斷面尺寸圍巖穩(wěn)定性，對(duì)各尺寸斷面巷道塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比，見圖5。

(a)小斷面

(b)中斷面

(c)大斷面

從各斷面巷道圍巖塑性區(qū)范圍可以看出，隨著斷面尺寸的增加，巷道兩幫的塑性區(qū)變化差異不明顯，塑性區(qū)的變化主要集中在巷道的頂?shù)装濉?/p>

為了更清晰地觀測到巷道圍巖的變化情況，在巷道兩幫以及頂?shù)装宀贾帽O(jiān)測點(diǎn)，得到巷道具體位移對(duì)比，見圖6。由圖6可知，隨著巷道開挖進(jìn)程，圍巖破壞逐步加劇，圍巖位移也隨之增加，對(duì)比三種不同三心拱型巷道，其中大斷面三心拱圍巖位移尤為明顯，中、小斷面圍巖破壞情況相對(duì)穩(wěn)定。

(a)巷道幫部位移對(duì)比

(b)巷道頂板位移對(duì)比

(c)巷道底板位移對(duì)比

由圍巖位移對(duì)比曲線(見表2)可得到不同斷面大小的巷道表面位移量。

由各斷面巷道兩幫和頂?shù)装逦灰频膶?duì)比可以看出，各斷面巷道頂、底板表面位移相近，這與塑性區(qū)范圍相對(duì)應(yīng)，而在距離巷道左幫4 m之后，中、小斷面幫部位移相近，表明距幫部越遠(yuǎn)，中、小斷面差異越不明顯。各斷面頂板呈現(xiàn)距頂板越遠(yuǎn)，位移越大的趨勢，而超大、中斷面位移接近，中斷面位移相對(duì)略小，表明中斷面的圍巖更加穩(wěn)定。巷道底鼓隨著巷道大小相應(yīng)減弱，同時(shí)距離底板越遠(yuǎn)的圍巖，變形也越小。由此可見，從小斷面到大斷面巷道，圍巖表面位移隨斷面尺寸的增大而增大。

表2 巷道表面圍巖位移量 單位：mm

4 結(jié) 論

1)三心拱巷道跨度不易過大，高跨比為1/3左右時(shí)，三心拱巷道最為穩(wěn)定。

2)隨斷面尺寸的增大應(yīng)力不斷向圍巖深部集中，三心拱的垂直應(yīng)力也相應(yīng)增大。

3)隨著斷面尺寸的變化，巷道兩幫的塑性區(qū)變化差異不明顯，塑性區(qū)的變化主要集中在巷道的頂?shù)装濉?/p>

4)在距離巷道左幫4 m之后，中、小斷面幫部位移較為接近，距幫部越遠(yuǎn)，中、小斷面差異越不明顯，巷道道底鼓量隨著巷道大小相應(yīng)減弱，同時(shí)距離底板越遠(yuǎn)的圍巖，變形也越小。

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