不同巷道断面形态下围岩力学性能研究

2021-10-11姬书强

煤 2021年10期

姬书强

(潞安集团蒲县隰东煤业有限公司，山西临汾 041200)

巷道是井下生产的重要运输通道，选择合理的巷道断面，不仅对矿业的经济效益产生重要的影响，还直接关系着矿业的生产安全。由于井下巷道纵横交错，且开拓掘进形式各异，进而巷道的设计对安全尤为重要[1-2]。因此，研究巷道形状对围岩的力学重分布特征，对巷道的安全设计具有重要的作用[3-5]。

在岩层中，巷道掘进对围岩的应力重分布具有重要影响，而巷道断面形状是重要的影响因素之一。为研究巷道围岩在各种形状断面下的力学效应，众多学者采用不同的方法对不同断面围岩应力、变形开展了大量研究[6-7]。李桂臣[8]、冯伟[9]、孟庆彬[10]采用FLAC软件，数值计算了6种断面形状的巷道围岩应力分布、位移分布及塑性区分布等，通过对比分析得到了深部巷道围岩的最优断面形状——圆形断面或椭圆形断面。陈新年[11]、李海军[12]、崔立文[13]、侯化强[14]采用理论分析和相似模拟试验的方法，数值分析了矩形断面巷道围岩的力学特征，同时，研究了围岩松动区受巷道矩形断面形状影响的围岩变形规律。

本文采用有限元工程软件Abaqus，开展了不同巷道断面形状对围岩力学性能的影响研究，分析其力学分布规律。

1 巷道断面形状数值模型

1.1 数理模型的建立

本文分别选取矩形巷道断面、梯形巷道断面、不规则巷道断面、直墙圆拱形巷道断面、椭圆形巷道断面和圆形巷道断面等6种巷道断面周围的应力应变分布情况进行数值模拟研究，巷道断面尺寸如图1所示。其中，前3种断面形态为折线形断面，后3种断面形态为曲线形断面。

图1 巷道断面尺寸

有限元计算模型采取位于地面以下约500 m深度的均匀岩体，选择的模型尺寸为40 m×40 m，巷道位于模型的中间部位。根据实际情况，将模型近似简化为平面应变模型，如图2所示，在模型的上表面施加局部荷载，以模拟煤层深度所在环境的地应力，约束两侧的水平方向位移和底部的竖向位移，岩体基本力学参数见表1。忽略地质构造中的褶曲及断层等因素影响，根据岩层的深度和重度，在模型上表面施加11 MPa的均布荷载(埋深500 m)。模型底部位移为零，即底部为固定边界。

图2 模型示意

表1 岩体的物理力学参数

1.2 煤岩力学模型准则

本部分主要论述数值计算过程中运用到的屈服函数，根据弹塑性力学理论，当材料内部应力使屈服函数大于零或等于零时，说明材料进入塑性屈服阶段，会产生塑性应变，产生塑性区。

鉴于煤岩体力学特征的复杂性，建立简化的弹性-理想塑性物理模型，本文选择摩尔-库仑屈服准则。拉应力封闭区：

(1)

屈服面：

(2)

压应力封闭区：

(3)

基于弹性流动法则，建立塑性应力-应变的本构关系为：

dεij=cεpdσij

(4)

式中:cεp为弹性塑性矩阵。a、k为屈服函数，表示岩石强度，可由粘聚力C和内摩擦角φ表示为：

(5)

(6)

2 巷道围岩力学特征模拟结果及分析

2.1 Mises应力

Mises应力的表达式为：

式中：σ1、σ2、σ3分别为第一、二、三主应力。Mises应力作为材料内部应力状态的一个综合指标，应力分量表达式为：

不同断面Mises应力变形云图如图3所示。从图3可以看出，无论巷道是何种断面形状，断面附近巷道围岩的应力普遍比较大，应力峰值主要集中在断面的两帮，应力值从两帮向四周逐渐减小，形成“蝴蝶翅膀”形状。同时，不规则断面造成应力重分布的影响区域远大于其他断面，而椭圆形断面和圆形断面的应力影响带最小，如图4所示。从断面变形可以看出，折线形巷道断面更容易被挤压成向内凸的变形，而曲线形断面巷道抵抗这种变形的能力较强，即变形较小，发生应力集中的最大值也较大。在实际情况中，必须加强对容易内凸变形区域的支护。