不同側(cè)壓系數(shù)下直墻半圓拱巷道底腳受力模擬分析

何治良，屈 彪

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 四川綿陽市 621010）

不同側(cè)壓系數(shù)下直墻半圓拱巷道底腳受力模擬分析

何治良，屈 彪

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 四川綿陽市 621010）

摘 要：直墻半圓拱巷道直墻與底板相交的底腳屬于應(yīng)力容易集中的不利部位，巷道的破壞也常發(fā)生于底腳處。利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對不同側(cè)壓系數(shù)下，巷道底腳受力情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，直墻半圓拱巷道最大壓應(yīng)力常出現(xiàn)在巷道直墻與底板相交的底腳處。隨著側(cè)壓系數(shù)增大，巷道底腳位置處所受到的壓應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的趨勢，巷道底腳位置處襯砌的剪力與彎矩也表現(xiàn)出增大的趨勢。若實(shí)際生產(chǎn)中巷道所在的區(qū)域水平應(yīng)力較大，其底腳部分圍巖可能較容易發(fā)生破壞，同時，底腳處襯砌也較易產(chǎn)生破壞，從而威脅到巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：巷道；側(cè)壓系數(shù)；底腳；數(shù)值模擬

0 引 言

直墻半圓拱、直墻三心拱等巷道斷面形式是地下礦山井巷工程的主要斷面形式，而此類直墻拱形巷道直墻與底板相交的底腳屬于應(yīng)力容易集中的不利部位，巷道的破壞也常發(fā)生于底腳處。對于巷道支護(hù)來說，支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位是支護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域，底腳是“幫-底”結(jié)合部位，影響著兩幫與底板的穩(wěn)定性［1］。底角處的應(yīng)力集中易導(dǎo)致底腳處混凝土噴層等支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生折斷、掉落等破壞，即噴層的失腳現(xiàn)象，進(jìn)一步還會影響到巷道兩幫及頂板的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的失效。

在地下礦山開采活動中，隨著開采深度的增加，水平應(yīng)力的大小和方向?qū)ο锏绹鷰r的破壞起到重要作用，國內(nèi)外的研究表明：引起巷道圍巖破壞的主要因素取決于水平應(yīng)力的大小和方向，而不是垂直應(yīng)力，并指出如果巷道走向與最大水平主應(yīng)力的夾角小于25°～30°，則圍巖中的最大主應(yīng)力對巷道的影響可大幅減小［2］。

金川鎳礦隨著礦井開采深度的增加，巷道底腳部分應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越突出，底腳部分破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，部分巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的底腳鼓起等破壞。針對底腳破壞頻發(fā)的狀況，結(jié)合金川礦山的工程地質(zhì)條件，本文對不同側(cè)壓系數(shù)下，巷道底腳受力情況進(jìn)行了研究。

1 工程地質(zhì)概況

金川三礦區(qū)1110m水平分段掘進(jìn)巷道埋深約520m，巷道附近區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力明顯，側(cè)壓系數(shù)在1.5 ～3.0左右。巷道周邊主要地質(zhì)構(gòu)造為F17斷層，巖體完整性較差。礦體的頂板圍巖主要由大理巖、條帶狀混合巖以及少量二輝橄欖巖組成，在二輝橄欖巖與大理巖或條帶狀混合巖接觸處局部有1～3m不等的蛇紋石透閃石綠泥石片巖，且分布不連續(xù)。礦石的容重為3.05 t/m3，礦石的f值為4～6，圍巖的f值為6～8。層間擠壓嚴(yán)重，節(jié)理、裂隙發(fā)育。

2 巷道數(shù)值模型的建立

2.1模型概況

根據(jù)三礦區(qū)1110m水平分段掘進(jìn)巷道現(xiàn)場施工情況，利用FLAC3D建立巷道數(shù)值模型，模型大小取巷道尺寸的3～5倍，以消除邊界效應(yīng)的影響。模型尺寸長×寬×高分別為30m×30m×8m。巷道斷面為直墻半圓拱形，拱頂為半徑2.5m的半圓，直墻高度為2m，錨桿間排距1m×1m，噴射混凝土襯砌厚度0.2m。劃分后的網(wǎng)格如圖1所示。模型施加初始地應(yīng)力場，模型周邊采用應(yīng)力控制，邊界設(shè)置為荷載已知的自由邊界，以模擬深埋巷道應(yīng)力狀態(tài)。網(wǎng)格為放射狀網(wǎng)格，靠近巷道部分網(wǎng)格密集，以精確模擬開挖引起的變化，網(wǎng)格共27600個，總節(jié)點(diǎn)數(shù)30591。

2.2模擬參數(shù)

巷道圍巖選取Mohr-Coulomb模型，通過參閱金川鎳礦相關(guān)工程地質(zhì)與巖石力學(xué)性質(zhì)的資料［3-5］，確定模擬所采用的巖石力學(xué)參數(shù)，以及錨桿與襯砌的力學(xué)參數(shù)等見表1、表2和表3。

圖1　巷道數(shù)值模型

表1　巖體計(jì)算參數(shù)

表2　錨桿結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

2.3數(shù)值模擬工況設(shè)置

模型開挖后的巷道選用FLAC3D內(nèi)置的空模型（Null）。巷道采用全斷面開挖，為模擬深埋應(yīng)力條件下巷道開挖的影響，采用應(yīng)力邊界條件進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，忽略重力影響，模型上下表面施加10mPa應(yīng)力邊界條件，為驗(yàn)證側(cè)應(yīng)力系數(shù)對底腳附近應(yīng)力的影響，四周施加水平應(yīng)力分別為5，10，15，20，25，30mPa，以分別模擬在側(cè)壓系數(shù)為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0時巷道圍巖的應(yīng)力變化，并在巷道底腳附近的襯砌上設(shè)置3個監(jiān)測點(diǎn)，研究巷道底腳襯砌的剪力和彎矩。A點(diǎn)位于巷道底板與兩幫交角上部0.4m處，B點(diǎn)位于巷道底板與兩幫交角上部0.2m處，C點(diǎn)則剛好位于巷道底板與兩幫交角處。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1巷道圍巖應(yīng)力分布分析

如圖2（a）所示，在側(cè)壓系數(shù)為0.5時，拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)于巷道頂板、底板、兩幫處。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在巷道底板，為0.28mPa，表明巷道底板易發(fā)生拉張破壞。最大壓應(yīng)力則出現(xiàn)在巷道兩底腳處，為6.39mPa，這與實(shí)際生產(chǎn)中，直墻半圓拱巷道底腳處受壓應(yīng)力較大，易產(chǎn)生破壞這一狀況是相符的。如圖2（b）所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.0時，最大壓應(yīng)力位置仍然出現(xiàn)在巷道底腳處，最大壓應(yīng)力為11.37mPa。如圖2（c）所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1.5時，底腳處壓應(yīng)力最大，最大值為12.80mPa。如圖2（d）所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為2.0時，最大壓應(yīng)力值為13.49mPa。如圖2（e）所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為2.5時，最大壓應(yīng)力值為15.00mPa。如圖2（f）所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為3.0時，最大壓應(yīng)力值為18.68mPa。

圖2　巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖

根據(jù)上述圍巖應(yīng)力分布分析，可以得出，在巷道開挖后，直墻半圓拱巷道底腳產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大，壓應(yīng)力主要集中在巷道底腳處，且隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，即在垂直應(yīng)力不變的情況下，水平應(yīng)力增加，巷道底腳位置處所受到的壓應(yīng)力呈現(xiàn)出增加的趨勢。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在水平應(yīng)力越大的區(qū)域開挖的巷道，其底腳部分可能更容易發(fā)生破壞。

3.2底腳處襯砌剪力與彎矩分析

為研究巷道在不同側(cè)壓系數(shù)下支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對A、B、C 3個監(jiān)測點(diǎn)處襯砌的剪力與彎矩進(jìn)行分析，不同側(cè)壓系數(shù)下底腳A、B、C 3處襯砌的剪力曲線如圖3所示。分析后可發(fā)現(xiàn)，底腳處襯砌剪力隨著側(cè)壓系數(shù)的增加而增加，表明隨著側(cè)壓系數(shù)的增加會導(dǎo)致襯砌中剪力的增大，底腳處襯砌有可能更易產(chǎn)生剪切破壞，從而導(dǎo)致巷道支護(hù)失穩(wěn)。圖4為不同側(cè)壓系數(shù)下底腳A、B、C 3處襯砌的彎矩曲線。分析后可發(fā)現(xiàn)，底腳處襯砌彎矩也隨著側(cè)壓系數(shù)的增加而增加，表明隨著側(cè)壓系數(shù)的增加會導(dǎo)致襯砌彎矩的增大，底腳處襯砌有可能更易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致巷道整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

圖3　不同側(cè)壓系數(shù)下底腳處襯砌剪力

圖4　不同側(cè)壓系數(shù)下底腳處襯砌彎矩

4 結(jié) 論

（1）數(shù)值模擬表明，在水平應(yīng)力較大的條件下，直墻半圓拱巷道最大壓應(yīng)力常出現(xiàn)在巷道直墻與底板相交的底腳處，在實(shí)際生產(chǎn)過程中?？赡軐?dǎo)致巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)破壞，從而威脅巷道整體穩(wěn)定性。

（2）隨著側(cè)壓系數(shù)增大，即垂直應(yīng)力不變，水平應(yīng)力不斷增加的情況下，巷道底腳位置處所受到的壓應(yīng)力呈現(xiàn)出增加的趨勢，若實(shí)際生產(chǎn)中巷道所在區(qū)域的水平應(yīng)力越大，其底腳部分可能更容易發(fā)生破壞。

（3）隨著側(cè)壓系數(shù)增大，巷道底腳位置處襯砌的剪力與彎矩也表現(xiàn)出增大的趨勢，因此巷道周邊圍巖水平應(yīng)力的增加，可能更容易導(dǎo)致底腳處襯砌產(chǎn)生破壞，從而威脅到巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

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收稿日期：（2016-04-11）

作者簡介：何治良（1988-），男，四川綿陽人，助教，現(xiàn)主要從事采礦工程與巖土工程方向的研究，Email：hzlscmy@outloou. com。