MIDAS模拟不同巷道断面形状对围岩稳定性影响
利用MIDAS-GTS数值模拟软件模拟计算，研究了不同断面形状对巷道围岩稳定性的影响。研究表明：巷道掘进过程中，当矩形巷道顶帮结合处采用平滑圆角进行过渡时，能够显著改善周边的围岩应力状况，适当减小围岩变形量，在一定程度上能够提高巷道围岩的稳定性。
标签：断面形状 数值模拟 围岩稳定性
0引言
围岩稳定性的影响因素包括有围岩性质、采深和支承压力等多个方面，煤矿巷道周围介质和初始应力场等条件是客观存在的，只能通过不断对巷道断面的几何形状的调整以改善围岩的应力分布和稳定性。所以巷道断面形状的选择对支护工程的安全具有重要的影响，选择合理的开挖断面具有重要的经济意义和工程应用价值。
1 Midas数值模拟软件概述
应用于岩土工程领域的Midas/GTS有限元软件具有简洁的界面、强大的前后处理功能，且大部分岩土体破坏模式均可满足。因此该软件对煤岩巷道工程所建立的数值模型其计算结果接近真实情况。可利用CAD软件建模之后导入GTS之中，方便快捷，并对其计算分析，结果接近真实情况。
2模拟条件及模型
2.1数值模拟模型
模型是以神华宁煤集团清水营煤矿110203工作面运输顺槽及回风顺槽为例，采用莫尔—库仑屈服准则判断岩体的破坏以及应变软化模型，建立二维数值模拟模型。二维模型的外形尺寸为长×宽=45m×30m，煤层厚度6m，采高3.5m，模型底部采用固定端边界，左右边界采用横向约束，即取x方向位移为零，底部边界同样采用横向约束。模型上边界距地表按300m，采用地层荷载叠加法计算施加垂直地应力6MPa。
计算巷道断面形状为6种：矩形巷道（矢跨比0），宽×高=5.2m×3.5m；圆角矩形巷道（矢跨比0.2），圆角半径0.5m，宽×高=5.2m×3.5m；马蹄形巷道（矢跨比分别为0.1、0.3、0.4和0.5），宽×高=5.2m×3.5m。
其中矢跨比定义为巷道断面形状中其圆弧的高度与宽度的比值。
2.2巷道断面
煤矿巷道施工过程中，掘进机掘进的巷道， 高度、宽度因其截割头可上下、左右摆动， 用户可根据地质情况的变化适时调整， 可掘出梯形、矩形、顶板拱形、圆弧巷道等多种形式的断面。在巷道断面形状理论探讨完成后，用户在设计施工图中已利用这一原理设计断面形状，且效果良好。像神华宁煤集团清水营煤矿110203工作面运输顺槽及回风顺槽、陕煤化工集团蒲白矿务局朱家河煤矿11512工作面回风顺槽均采用的是圆角矩形巷道。
2.3计算参数选择
模型计算参数以神华宁煤集团清水营煤矿110203工作面顶底板实测参数为准，其煤层顶底板岩石力学参数如表1。
3不同断面形状巷道围岩稳定性分析
3.1应力场分析
巷道两帮的主应力变化的趋势为：最大主应力值将随着距帮部位置距离的增大而增大，曲线呈现上升趋势，而后在距帮部10m位置处趋于稳定。
巷道顶部岩层的主应力随其距顶板位置距离的增大而增大，主应力曲线呈现先上升、在10～15m处达到峰值后下降继而趋于稳定的趋势。随着矢跨比的增大，顶板岩层内最大主应力的上升速度越快。矩形巷道最大主应力上升速度最慢，距巷道顶板表面13.4 m处达到应力峰值；当巷道失跨比增大到0.1时，最大主应力峰值位置在距顶板12.3m处；当失跨比继续增大，最大主应力峰值处位置维持在9.8m不再有明显变化。
不同断面形状巷道底板的最大主应力曲线变化趋势相同，可见断面的形式对巷道底板的应力分布影响不大。
3.2位移场分析
可见矩形巷道其顶板的下沉量和帮部位移量数值最大；此外巷道失跨比由0.2继续增大时，顶板沉降量和帮部的最大位移量不会再有显著的变化。同时对于巷道底板，随着巷道的失跨比增加，其底臌量不会有明显的改变。
3.3围岩塑性区分析
通过MIDAS模拟可知，矩形巷道周边存在较大范围的塑性区；矢跨比为0.1时，塑性区较前者有所减小；巷道的失跨比增至0.2时，巷道周边的屈服区域迅速的减小，两帮拉伸屈服区域也随即减小；失跨比继续增加至0.4的直墙拱形巷道时，两帮拉伸屈服区域消失，巷道周边围岩剪切屈服区域减小。
4结论
分析可知，圆角巷道围岩稳定性要大于矩形巷道。采用圆角矩形巷道代替矩形巷道，可显著改善巷道围岩应力状况，提高巷道围岩的稳定性。在一定范围内圆角矩形巷道随着失跨比的增大，巷道的围岩稳定性会有所提高，但对巷道底板无明显影响。
参考文献
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