摘要：以神东煤炭集团保德煤矿81309顺槽为背景，运用有限元软件ABAQUS，建立了矩形巷道三维弹塑性模型，分析了巷道开挖产生的围岩应力、变形、塑性区及支护内力。结果表明：矩形巷道的顶、底板出现受拉区，容易出现受拉破坏；巷道四个角部存在压应力集中现象，两帮处出现了耳朵形压应力区，以上部位容易出现压剪破坏，而且对支护也是不利的；掌子面也整体为受压区，而且无支护，发生破坏的可能性较大，在施工时必须加强监测。矩形巷道顶、底板竖向位移大于两帮水平位移，应注意顶、底板的位移监测；围岩塑性区主要集中在矩形巷道四角、两帮及顶、底板中心处，这与围岩应力图也是相对应的，其中两帮塑性区面积较大，深度将近1m；增加支护后，围岩变形和塑性应变都降低了，这说明支护结构发挥了作用，但两帮处塑性区深度较大，锚杆未能完全发挥出应有作用，需进一步对支护参数进行调整。
关键词：矩形巷道；支护结构；ABAQUS；数值模拟
0 引言
我国能源资源的显著特点是“富煤、贫油、少气”，煤炭资源储量5.9万亿吨，占一次能源资源总量的94.22%，而石油、天然气不足6%。由于目前我国处于经济结构转型发展的重要阶段，受经济增速放缓、经济结构优化、能源结构变化、生态环境约束等因素影响，煤炭行业经过“十年黄金发展期”后，进入了产能过剩、市场疲软和转型发展的新时期。“十三五”规划提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”发展的新理念，为煤炭行业注入了新的活力。根据《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》，到2020年，非化石能源占一次能源消费比重达到15%，天然气比重达到10%以上，而煤炭消费比重将控制在62%以内。虽然煤炭行业在转型发展，但煤炭作为我国能源的主体地位在很长时期内是不会改变的。
随着煤炭资源的不断开采。一方面，由于煤矿开采规模和深度的不断增加，深部巷道围岩处于典型的高地应力、高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖动力扰动(“三高一扰动”)的特殊复杂力学环境[1]；另一方面，由于煤矿开采技术的迅速发展，大型机械设备逐渐被运用到煤矿生产，巷道断面不断加大[2]。综合以上因素，导致巷道支护难度越来越大。受生产技术条件、采煤工艺、支护措施、地质构造及煤炭赋存条件等因素的综合影响，使得矿井巷道围岩变形破坏现象频发。此外，在动压及高地应力的共同作用下，部分巷道的顶底板及两帮围岩严重变形破坏，并导致巷道断面严重收缩，使巷道失去基本生产功能甚至报废。圆形和椭圆形巷道围岩的变形破坏机理研究已形成较为完善的理论体系，但对于矩形巷道而言，目前尚无完善的理论体系，所以对矩形巷道围岩破坏变形及支护结构作用机理进行深入的研究，具有重要的意义。
1 研究现状
李廷春、卢振[3]等研究了泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程；结果表明，巷道开挖支护后，受断面形状影响，矩形巷道四角出现压应力集中和顶板受拉区，巷道顶板下沉量大，底板底臌严重，两帮向巷道挤出；受围岩岩性影响，围岩进入塑性的时间快短、范围大，塑性区超出了支护体的作用范围，造成锚杆（索）的锚固效果难以完全发挥，围岩出现整体滑动的现象；巷道变形呈现出流变变形的特性，变形量随时间持续增加，持续的蠕变变形超出了支护体的可控范围，最终引起巷道的失稳破坏。曹日跃、吴德义[4]分析了巷道围岩在深部高应力条件下的围岩蠕变变形破坏特征，得到了该区域巷道围岩的应力应变分布规律。结果表明，在巷道蠕变初期整个巷道应力分布不均匀且波动很大，随着蠕变时间增加，应力变化基本处于稳定阶段；在巷道蠕变初期，位移变化很大，且在巷道中部位移变化量最为集中和明显，而且水平位移变化量大于竖直位移变化量，说明帮部支护对围岩稳定性尤为重要。王文才等[5]对预应力锚杆作用下围岩中产生的附加应力场进行数值模拟及分析。得出增加锚杆长度利于预应力向围岩深部扩散，但同时会减小预应力在围岩中的横向扩散范围；增大预紧力可以有效提高主动支护效果。廖向阳、谭晓华等[6]研究了厚煤层矩形巷道的应力分布特征和相应支护对策，指出矩形巷道容易在角点、边中点部位出现应力集中现象。巷道开挖后应立即对其进行主动支护以保持巷道围岩稳定。于远祥、谷拴成[7]通过实测矩形巷道围岩松动圈范围，指出在矩形巷道埋深一定的情况下，巷道项板平均松动范围与巷道的高跨比呈正相关，而与顶板岩石的抗压强度呈负相关；在巷道两帮围岩岩性一定的情况下，矩形巷道两帮平均松动范围与巷道埋深呈正相关。朱大勇、钱七虎[8,9]通过对任意形状洞室映射函数的计算方法求解，将地下洞室弹性力学解析分析过程计算机程序化，加快了计算强度和效率。同时充分利用超长项级数形式的映射函数，从而得到了复杂形状洞室围岩弹性力学的解析逼近解。侯化强等[10]将煤矿矩形巷道围岩的应力求解简化为弹性力学中的求解矩形孔口区域的应力问题。首先利用复变函数理论中的保角变换，求得矩形孔口向单位圆的映射函数，然后将其应用到弹性力学中的孔口应力问题的求解中，最终求得了方形孔口区域及矩形巷道围岩的弹性解析解。施高萍等[11]利用隧洞围岩应力复变函数分析法中的解析函数通式和单位圆外域-洞室外域共形映射函数计算方法，计算了不同跨高比和侧压力系数下的矩形 巷道孔边应力，分 析并获得了其对孔边应力分布的影响规律。
从图15-图17可以看出，锚索最大应力近660MPa，顶锚杆最大应力近85MPa，帮锚杆最大应力61MPa，网片最大应力28MPa。锚索、顶锚杆最大应力集中在巷道顶板处，帮锚杆最大应力集中在巷道两帮处，网片最大应力集中在巷道顶板中心处。巷道围岩塑性区的未超过锚杆的长度，所以锚杆仍在发挥作用，但两帮处塑性区深度较大，锚杆未能完全发挥出应有作用，需进一步对支护参数进行调整。
4 结论
本论文以神东煤炭集团保德煤矿81309胶运顺槽为背景，利用ABAQUS建立三维数值模型，通过分析巷道开挖产生的围岩应力、变形、塑性区及支护内力，得出以下结论：
（1）矩形巷道的顶、底板出现受拉区，容易出现受拉破坏；巷道四个角部存在压应力集中现象，两帮处出现了耳朵形压应力区，以上部位容易出现压剪破坏，而且对支护也是不利的。掌子面也整体为受压区，而且无支护，发生破坏的可能性较大，在施工时必须加强监测。
（2）矩形巷道顶、底板竖向位移大于两帮水平位移，这与实际情况相符，应注意顶、底板的位移监测；另外掌子面沿开挖相反方向的位移也较大。
（3）围岩塑性区主要集中在矩形巷道四角、两帮及顶、底板中心处，这与围岩应力图也是相对应的，其中两帮塑性区面积较大，深度将近1m。
（4）增加支护后，围岩变形和塑性应变都降低了，这说明支护结构发挥了作用，但两帮处塑性区深度较大，锚杆未能完全发挥出应有作用，需进一步对支护参数进行调整。
参考文献
[1]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社,1996.
[2]康红普.煤巷锚杆支护理论与成套技术.北京:煤炭工业出版社,2007
[3]李廷春,卢振,刘建章,等.泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析[J].岩土力学,2014,35(4):1077-1083．
[4]曹日跃,吴德义.深部高应力矩形巷道围岩蠕变的数值模拟[J].成都工业学院学报,2016,19(2):1-4．
[5]王文才,魏文彬,等.矩形巷道预应力锚杆群支护作用的研究[J].煤炭技术, 2015,34(3):42-44．
[6]廖向阳,谭晓华,李青峰.厚煤层矩形巷道应力分布及支护对策研究[J].矿业工程研究,2011,26(1):l-6．
[7]于远祥,谷栓成.矩形巷道围岩松动范围实测及控制技术研究[J].采矿与安全工程学报,2013, (6):828-835．
[8]朱大勇,钱七虎,周早生,等.复杂形状洞室映射函数的新解法[J].岩石力学与工程学报,1999,18(3):279-282.
[9]朱大勇,钱七虎,周早生,等.复杂形状洞室围岩应力弹性解析分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(4) :402-404．
[10]侯化强,王连国,陆银龙,张蓓.矩形巷道围岩应力分布及其破坏机理研究[J].地下空间与工程学报,2011,7(增2) :1625-1629.
[11]施高萍,祝江鸿,李保海,杨建辉.矩形巷道孔边应力的弹性分析[J].岩土力学,2014,35(9):2587-2593.
[12]李映.隧道喷锚支护结构承载作用机理及应用研究[D].南京理工大学硕士学位论文,南京,2009
作者简介
李映，男，1985年1月生，陕西绥德人，结构工程专业硕士研究生，注册监理工程师、注册一级建造师（建筑、市政），研究方向：结构、岩土、工程管理。
论文作者:李映
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/13
标签：巷道论文; 围岩论文; 应力论文; 矩形论文; 塑性论文; 位移论文; 底板论文; 《基层建设》2017年第22期论文;