断面形状对巷道围岩稳定性影响的数值模拟分析

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Ｉ山吞科筏大学　第２６卷第２期　２００７年６月　Ｖ０Ｉ．２６　Ｎ０．２　学报Ｊ自然科学版　０．２、０．３、０．４，宽×高一４　ｒｆｌ×４　ｒｆｌ；直墙半圆拱巷　道，宽×高：４　ｒｎＸ４　ｒｆｌ。将矩形巷道表示为矢跨比　∞Ｊｕｎ．２００７　道顶板围岩残余强度越高。　３０　０　为０的圆弧拱巷道，将直墙半圆拱巷道表示为矢跨　比为０．５的圆弧拱巷道，则６种巷道断面形状可表　示为矢跨比分别为０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５的圆弧　量２５．０　杂２０．０　Ｉ５．０　：　拱巷道。　１．２计算参数选择　模型采用莫尔一库仑屈服准则：　＝（　１　ｔｏｏ．３）一２ｃ　ｃｏｓｑ－－（　１＋０＂３）ｓｉｎｑｏ　（１）　式中：０．１，０＂３分别是最大和最小主应力；ｃ，　分别为　岩体的粘结力和摩擦角。当　＜０时，岩体将发生　剪切破坏。模型采用单一介质层状岩体，岩体的物　理力学参数见表１。　表１岩体物理力学参数表　Ｔａｂ．１　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋｓ　２不同断面形状巷道围岩稳定性分析　２．１应力场　从图１（ａ）可以看出：６种断面形状的巷道帮部　最大主应力呈相同的变化趋势：巷道帮部表面主应　力值最小，随着距帮部距离的增加，最大主应力呈迅　速上升然后逐渐稳定的发展趋势。断面形状不同，　帮部最大主应力值并无明显差别。　从图１（ｂ）可以看出：６种断面形状巷道顶板岩　层内最大主应力呈相同的变化趋势：巷道顶板表面　主应力值最小，随着距顶板表面距离的增加，最大主　应力呈逐步上升、达到应力峰值后下降、趋于稳定的　发展趋势。矢跨比越大，最大主应力上升速度越快，　应力峰值处距巷道顶板表面的距离越大（图２）。最　大主应力上升最慢的是矩形巷道，顶板最大主应力　峰值处距顶板表面的距离为１３．３　ＩＴＩ；矢跨比为０．１　时，顶板最大主应力峰值处距巷道顶板表面的距离　减小至ｌ１．８　ｍ；矢跨比增加到０．２，顶板最大主应力　峰值处距巷道顶板表面的距离减小至１０．３　ｍ；矢跨　比继续增加，顶板最大主应力峰值处距巷道顶板表　面的距离不再有明显变化。从图３看出：６种断面　形状巷道顶板岩层最大主应力值在距顶板表面距离　为２０　ＩＴＩ处归于一点。说明断面形状对巷道顶板岩　层内最大主应力分布有较大影响，影响范围限于距　巷道顶板表面２０　ＩＴＩ内（图１（ｂ））。矢跨比越大，巷　０．０　０．　００　５．００　１０　００　１５．００　２０　００　２５　００　３０．００　距帮部距离／ｍ　（ａ）帮部　＆　翻　璐　距顶板距离／ｍ　（ｂ）顶板　对　拿　杂　＋Ｈ　斗＜　珥苷　距底板距离／ｍ　（ｃ）底板　图１不同断面形状巷道围岩主应力变化曲线图　Ｆｉｇ．１　Ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ｆｏｒ　ｒｏａｄｗａｙｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｈａｐｅｓ　ｇ　砬　喧　匿　图２不同断面形状巷遭顶板最大主应力峰值位置图　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｖａｌｕｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｏｒ　ｒｏａｄｗａｙｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｈａｐｅｓ　从图１（ｃ）可以看出：６种断面形状巷道底板岩　层内最大主应力呈相同的变化趋势：巷道底板表面　主应力值最小，随着距巷道底板表面距离的增加，最　大主应力呈逐步上升、达到应力峰值后下降、趋于稳　定的发展趋势。矢跨比不同，最大主应力上升速度　基本相同，应力峰值处距巷道底板表面的距离也基　本相同。说明断面形状对巷道底板岩层内最大主应　力分布影响不大。　２．２位移场　图３为不同断面形状巷道周边最大位移曲线　图；图４为不同断面形状巷道顶、底板及帮部位移量　维普资讯 http://www.cqvip.com

…ｏｆｓｈ—ＵｎｉＮｖｅａｒｓｉｔｙｕｏｆ　断面形状对巷追围岩稳定性影响的教１：　状对巷道围岩稳定性影响的数值模拟分析　ｊ－稷弘　州　４２８　ｍｍ；矢跨比为０．１时，顶板下沉量减小至　从图３、图４（ａ）可以看出：对巷道帮部，帮部位　３６０　ｍｍ；矢跨比增加到０．２，顶板下沉量减小至　３２０　ｍｍ；矢跨比继续增加，顶板下沉量不再有显著　变化。　从图３、图４（ｃ）可以看出：对巷道底板，随着矢　移量最大的是矢跨比为０的矩形巷道，位移量为　４０５　ｍｍ；矢跨比为０．１时，位移量减小至３７２　ｍｍ；　矢跨比增加到０．２，位移量减小至３２６　ｍｍ；矢跨比　继续增加，巷帮最大位移量不再有显著变化。从图　４（ａ）上看出：矢跨比对巷道帮部围岩移动的影响范　围为２．５　ｍ，巷帮２．５　ｍ之外，矢跨比的改变对巷帮　ｌｆｉｌ￣＂位移量不再有明显影响。　跨比的增加，底臌量无明显改变。　２．３围岩塑性区　图５为不同断面形状巷道围岩塑性区分布图。　矢跨比为０时，巷道两帮及顶、底板存在大范围剪切　屈服区域，两帮还存在小范围的拉伸屈服区域。矢　跨比增加到０．１，巷道周边围岩剪切屈服区域迅速　减小，两帮的拉伸屈服区域消失不见。矢跨比继续　增加，巷道周边围岩剪切屈服区域不再有明显改变。　３结果分析　图３不同断面形状巷道周边最大位移图　Ｆｉｇ．３　Ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ。ｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒ０　ｋ　从分析可知，巷道断面形状对巷道围岩的稳定　性有着较大的影响。与圆弧拱巷道相比，矩形巷道　围岩稳定性较差，而若将矩形巷道平面顶板改为圆　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｈａｐｅｓ　弧拱，则可大大加强巷道顶板和两帮的稳定性。由　５００　４００　于圆弧拱降低了矩形巷道顶角处的应力集中，同时，　圆弧拱较平面顶板更有利于承载拱的形成，提高了　顶板岩层的承载能力。　圆弧拱巷道矢跨比越大，巷道围岩稳定形越高。　距帮部距离／　（８）帮部　霎　ｏ０　２００　＊１００　０　矢跨比小于０．２时，随着矢跨比的增加，巷道围岩稳　５００　定形迅速提高。矢跨比在０．２～０・５之间时，随着矢　跨比的增加，巷道围岩稳定性提高不大。圆弧拱巷　道矢跨比对巷道底板无明显影响。　ｌ　４００　：　ｌ００　０　４结论　距顶板距离，　（ｂ）顶板　（１）在同样的地应力、围岩条件及支护强度下，　断面形状对巷道围岩稳定性有着较大的影响。巷道　支护设计应首先从选择巷道断面形状开始。　（２）圆弧拱巷道围岩稳定性远大于矩形巷道。　采用矢跨比为０．２的圆弧拱巷道代替矩形巷道，显　著改善巷道围岩应力状况，减小巷道围岩变形量，减　（ｃ）底板　少围岩塑性屈服区域，加强巷道围岩的稳定性。　图４不同断面形状巷道围岩位移曲线图　Ｆｉｇ．４　ＤｉｓｐＩａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　０ｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ｆ０　ｍａｄｗａｙｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｈａｐ　（３）只讨论了矩形、圆弧拱形、半圆拱形三种类　型巷道断面情况，对马蹄形、圆形、三心拱形、梯形巷　道等没有涉及；地应力、围岩性质对不同断面形状巷　５ｋｌ￣ｔ　３、图４（ｂ）可以看出：对巷道顶板，顶板下　沉量最大的是矢跨比为０的矩形巷道，下沉量为　道的影响也有差别，还需作进一步讨论。　维普资讯 http://www.cqvip.com