不同断面尺寸下三心拱巷道围岩稳定性分析

张必昇，娄培杰，方 勇

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

1 工程概况

Ⅲ1024底板巷施工层位位于10煤层底板，施工区域上距10煤层底板法距10.4～44.1 m，下距一灰顶板15.5～47.8 m。根据资料分析，该区域岩层倾角14°～20°，平均16°，巷道埋深806.7～852 m，该模拟按最大埋深852 m计算。

该三心拱巷道施工区域岩性主要为粉砂岩、中粒砂岩及细砂岩。巷道施工区域煤系地层产状稳定，煤层总体表现为一走向北西，倾向北东的单斜构造形态，局部有起伏；10煤层赋存较稳定，结构复杂，10煤层厚度1.99～2.93 m，平均厚2.47 m，为中厚煤层；煤层内发育1层泥岩夹矸，厚度0.42～2.31 m，平均1.30 m。煤层基本顶为灰白色细砂岩，细粒结构，钙质胶结，性较硬，厚度1.00～2.00 m，平均1.50 m；直接顶为灰～浅灰色砂岩，中厚层状，缓波状层理，钙质胶结，里面含炭质，底部夹薄层泥岩，层互层状，厚度10.00～14.79 m，平均12.40 m；直接底为深灰色泥岩，块状，含大量植物根茎化石，厚度0～1.40 m，平均0.7 m；基本底为灰色粉砂岩，层状，夹薄层细砂岩条带，厚度8.40～16.47 m，平均12.44 m。

2 模型设计

根据芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷采矿地质条件，建立FLAC3D模型如图1所示，模型尺寸(长×宽×高)=125.2 m×24 m×54 m。模型四周包括底部施加固定边界条件(即模型底面垂直方向速度为0，模型四周水平方向速度为0)，施加均布荷载到模型顶部，模型计算采用摩尔库伦(Mohr-Coulomb)屈服强度准则。各岩层分布情况如图1所示。

图1 数值模拟模型

根据Ⅲ1024底板巷道围岩类别，本模型可分为11层：以巷道中心为起点，上方岩层依次为砂岩、泥岩、粉砂岩、泥岩和细砂岩；下方岩层依次为泥岩、粉砂岩、煤、粉砂岩以及砂岩。锚杆和锚索等支护结构材料参数，全部按照矿方原支护方案所采用的参数来计算。考虑到施工现场与室内条件存在差异，对部分岩体力学参数做了相应调整，模拟所取的详细参数见表1。

表1 岩体力学参数

3 不同断面巷道围岩稳定性

为探究不同断面尺寸下巷道围岩的变形差异，在保持其他条件不变的情况下，选取3组不同的断面尺寸进行一定步数的数值模拟，由于本方案断面形状为三心拱，则3组断面尺寸分别为：大断面(跨度为6 m)、中断面(跨度为4.8 m)、小断面(跨度为3.6 m)。不同断面尺寸巷道围岩的垂直应力分布云图见图2。

(a)小断面

(b)中断面

(c)大断面

由图2可见，随着断面尺寸的增大，巷道两帮附近的应力集中区域逐渐增大，并且向围岩深部移动。从小断面巷道到大断面巷道，巷道顶底板垂直应力不断减小，但随着断面跨度的增大，巷道顶底板垂直应力减少的幅度却随之减弱，由此可知，三心拱巷道跨度不易过大，高跨比为1/3左右时，三心拱巷道最为稳定。

通过布置监测点得到了不同断面尺寸巷道两帮指定水平线上的具体垂直应力对比，见图3。

图3 垂直应力曲线

由图3可见围岩应力集中处峰值位置，随断面尺寸的增大应力不断向围岩深部集中，各尺寸断面应力峰值大小为：大断面>中断面>小断面。由此可知，断面越大，三心拱垂直应力也相应越大。不同断面尺寸巷道围岩的第一主应力分布云图见图4。

(a)小断面

(b)中断面

(c)大断面

由图4可知，随着巷道断面尺寸的增大，巷道围岩低应力区逐渐增大，导致更大范围的围岩通过巷道开挖释放应力。从中断面巷道到超大断面巷道，巷道两帮及顶底板应力逐渐增大。

通过布置监测点，得到了不同断面尺寸巷道两帮指定水平线上水平应力对比，结合第一主应力云图对比可知，断面尺寸越大，巷道两帮水平应力回升至原岩应力所需的距离越远，相对应的，第一主应力分布云图中低应力区范围也就越大。

为进一步对比不同断面尺寸围岩稳定性，对各尺寸断面巷道塑性区进行对比，见图5。

(a)小断面

(b)中断面

(c)大断面

从各断面巷道围岩塑性区范围可以看出，随着断面尺寸的增加，巷道两帮的塑性区变化差异不明显，塑性区的变化主要集中在巷道的顶底板。

为了更清晰地观测到巷道围岩的变化情况，在巷道两帮以及顶底板布置监测点，得到巷道具体位移对比，见图6。由图6可知，随着巷道开挖进程，围岩破坏逐步加剧，围岩位移也随之增加，对比三种不同三心拱型巷道，其中大断面三心拱围岩位移尤为明显，中、小断面围岩破坏情况相对稳定。

(a)巷道帮部位移对比

(b)巷道顶板位移对比

(c)巷道底板位移对比

由围岩位移对比曲线(见表2)可得到不同断面大小的巷道表面位移量。

由各断面巷道两帮和顶底板位移的对比可以看出，各断面巷道顶、底板表面位移相近，这与塑性区范围相对应，而在距离巷道左帮4 m之后，中、小断面帮部位移相近，表明距帮部越远，中、小断面差异越不明显。各断面顶板呈现距顶板越远，位移越大的趋势，而超大、中断面位移接近，中断面位移相对略小，表明中断面的围岩更加稳定。巷道底鼓随着巷道大小相应减弱，同时距离底板越远的围岩，变形也越小。由此可见，从小断面到大断面巷道，围岩表面位移随断面尺寸的增大而增大。

表2 巷道表面围岩位移量 单位：mm

4 结 论

1)三心拱巷道跨度不易过大，高跨比为1/3左右时，三心拱巷道最为稳定。

2)随断面尺寸的增大应力不断向围岩深部集中，三心拱的垂直应力也相应增大。

3)随着断面尺寸的变化，巷道两帮的塑性区变化差异不明显，塑性区的变化主要集中在巷道的顶底板。

4)在距离巷道左帮4 m之后，中、小断面帮部位移较为接近，距帮部越远，中、小断面差异越不明显，巷道道底鼓量随着巷道大小相应减弱，同时距离底板越远的围岩，变形也越小。

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