深部巷道構造應力作用下的巷道變形分析

李 翔

（汾西礦業集團兩渡煤業， 山西 靈石 030600）

1 工程概況

某煤礦現在正在開采-1 100 m水平，現在向-1 300m水平延深。根據目前-1100m大巷及各個主要設備硐室的變形情況來看-1 100 m地壓特別大，地壓造成的巷道收縮和底臌變形對設備的運行會產生比較大的影響。六水平的矸石井絞車安裝在-1100 m水平，再按照常規方式進行安裝大絞車，絞車基礎是比較容易受地壓影響產生變形，提升絞車基礎變形后對絞車的運行影響會非常大，在使用過程中會對絞車的各個主要部件間產生擠壓造成相對位移，嚴重時絞車將不能正常工作，需要重新打基礎安裝[1-2]。

底板一般為較堅硬的泥灰巖，但本區三灰不發育，相變為0.46～1.10 m泥巖或粉砂巖，平均0.74 m。質軟，具可塑性，遇水易膨脹，支柱易陷入，但因厚度小、底臌危害不嚴重?？箟簭姸?0.5～70.1 MPa，平均54.3 MPa，吸水率4.09%。除東西部露頭和尖滅線附近有不可采條帶外，其余區域全部可采。煤層的控制程度較高，除開拓開采巷道控制外，有鉆孔控制點33個。煤層較為穩定。下距第13層煤26.03～38.99 m，平均32.47 m，間距較為穩定。

2 高水平應力巷道底臌的變形數值模擬分析

本文僅對水平應力作用下的巷道進行分析，開挖后的巷道不作支護處理，模型僅巷道原巖和開挖部分兩個模塊，均用平面二維斷面模型，選用Plane42單元，平面應變模型[3-5]。

巷道分別受豎直荷載和側壓力系數λ不同的水平荷載。λ分別為0.5、1.0、1.5、2.0。所得結果見圖1—圖 8。

λ=0.5時的模擬圖：

圖1 λ=0.5時的模擬圖

圖2 λ=1.0時的模擬圖

圖3 λ=1.5時的模擬圖

圖4 λ=2.0時的模擬圖

當側壓力系數λ=0.5時，巷道兩幫出現塑性區，頂板、底板靠近兩幫附近也出現塑性區，塑性區主要在兩幫處，巷道水平變形較小，最大變形出現在頂板處，巷道四個角點處受較大的剪應力作用。

當側壓力系數λ=1.0時，巷道四周均出現塑性區，即巷道四周巖體出現塑性變形，與頂板相比，底板塑性區范圍更大，巷道水平向有一定的變形，最大變形出現在頂板處，巷道四個角點處受較大的剪應力作用。

當側壓力系數λ=1.5時，除兩幫靠近頂板處沒有出現塑性區，巷道四周均出現塑性區，底板塑性區明顯增大，兩幫靠近底板處的塑性區比兩幫靠近頂板處的塑性區更大巷道水平向有較大的變形，最大變形出現在底板處，巷道四個角點處受較大的剪應力作用。

當側壓力系數λ=2.0時，巷道頂板和底板出現塑性區，兩幫基本只在靠近底板附近有塑性區，巷道水平向有較大的變形，最大變形出現在頂板處，巷道四個角點處受較大的剪應力作用。

從以上數值模擬分析可以看出：

1）在巷道無支護條件下，頂板和底板的位移相差不明顯。

2）在巷道無支護條件下，當側壓力系數λ＜1.0時，最大變形出現在頂板處，主要塑性區出現在巷道兩幫；當側壓力系數λ＞1.0時，最大變形出現在底板處，主要塑性區出現在巷道頂板和底板處，其中隨側壓力系數λ增大，水平應力逐步增加，底板處塑性區增大范圍明顯比頂板塑性區增大范圍大。

3）在巷道無支護條件下，在減去初始應力場后，頂板明顯有較大的位移矢量。隨著側壓力系數λ增大，水平應力逐步增加，巷道底板的位移矢量逐漸增大。

3 結論

文中重點研究了高水平應力作用下，巷道變形，特別是底板破壞、變形的機理，通過ANSYS數值模擬，分析了豎直應力相同，不同水平應力作用、無支護條件下巷道開挖后的變形破壞機理。在側壓力系數λ相同時，巷道開挖后的頂板、兩幫及底板位移差異較小，巷道穩定；隨著側壓系數的增加，頂板和底板位移增大明顯，而兩幫位移相對較小，說明兩幫的破壞范圍小于頂板和底板。所以在高水平應力作用下，控制頂板和底板的變形是巷道穩定的重點。在巷道無支護條件下，頂板和底板的位移相差不明顯，當側壓力系數λ＜1.0時，最大變形出現在頂板處，主要塑性區出現在巷道兩幫；當側壓力系數λ＞1.0時，最大變形出現在底板處，主要塑性區出現在巷道頂板和底板處，其中隨側壓力系數λ增大，水平應力逐步增加，底板處塑性區增大范圍明顯比頂板塑性區增大范圍大。在減去初始應力場后，頂板明顯有較大的位移矢量。隨著側壓力系數λ增大，水平應力逐步增加，巷道底板的位移矢量逐漸增大。