分类：建筑论文 时间：2021-10-18 热度：220
摘要:巷道是矿山工程的重要运输通道，它为矿山井下生产、通道换风、给排水及生产动力等提供重要交通便利。根据巷道的不同用途，选择合适的巷道断面形状对施工、维护等有重要的意义。因此，文章采用有限元工程软件，开展了巷道断面形状对围岩力学性能的影响研究。研究结果表明:无论巷道是何种断面形状，断面附近巷道围岩的应力普遍比较大，应力峰值主要集中在断面的两帮，应力值以“蝴蝶翅膀”形状从两帮向围岩四周逐渐减小。同时，不规则断面造成应力重分布的影响区域远大于其他断面，而椭圆形断面和圆形断面的应力影响带最小。巷道两帮是围岩塑性的主要集中区，并从此位置向围岩体深部扩展，而且各种断面形状所引起的塑性区形态各异。
关键词:巷道;断面形态;围岩;力学性能
巷道是井下生产的重要运输通道，选择合理的巷道断面，不仅对矿业的经济效益产生重要的影响，还直接关系着矿业的生产安全。由于井下巷道纵横交错，且开拓掘进形式各异，进而巷道的设计对安全尤为重要[1-2]。因此，研究巷道形状对围岩的力学重分布特征，对巷道的安全设计具有重要的作用[3-5]。
在岩层中，巷道掘进对围岩的应力重分布具有重要影响，而巷道断面形状是重要的影响因素之一。为研究巷道围岩在各种形状断面下的力学效应，众多学者采用不同的方法对不同断面围岩应力、变形开展了大量研究[6-7]。李桂臣[8]、冯伟[9]、孟庆彬[10]采用FLAC软件，数值计算了6种断面形状的巷道围岩应力分布、位移分布及塑性区分布等，通过对比分析得到了深部巷道围岩的最优断面形状———圆形断面或椭圆形断面。陈新年[11]、李海军[12]、崔立文[13]、侯化强[14]采用理论分析和相似模拟试验的方法，数值分析了矩形断面巷道围岩的力学特征，同时，研究了围岩松动区受巷道矩形断面形状影响的围岩变形规律。
本文采用有限元工程软件Abaqus，开展了不同巷道断面形状对围岩力学性能的影响研究，分析其力学分布规律。
1巷道断面形状数值模型
1.1数理模型的建立
本文分别选取矩形巷道断面、梯形巷道断面、不规则巷道断面、直墙圆拱形巷道断面、椭圆形巷道断面和圆形巷道断面等6种巷道断面周围的应力应变分布情况进行数值模拟研究，巷道断面尺寸如图1所示。其中，前3种断面形态为折线形断面，后3种断面形态为曲线形断面。
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有限元计算模型采取位于地面以下约500m深度的均匀岩体，选择的模型尺寸为40m×40m，巷道位于模型的中间部位。根据实际情况，将模型近似简化为平面应变模型，如图2所示，在模型的上表面施加局部荷载，以模拟煤层深度所在环境的地应力，约束两侧的水平方向位移和底部的竖向位移，岩体基本力学参数见表1。忽略地质构造中的褶曲及断层等因素影响，根据岩层的深度和重度，在模型上表面施加11MPa的均布荷载(埋深500m)。模型底部位移为零，即底部为固定边界。
1.2煤岩力学模型准则
本部分主要论述数值计算过程中运用到的屈服函数，根据弹塑性力学理论，当材料内部应力使屈服函数大于零或等于零时，说明材料进入塑性屈服阶段，会产生塑性应变，产生塑性区。
2.2最大主应力和最小主应力
不同断面最大、最小主应力云图如图5～图6所示。由图5可知，断面的顶板、底板以及两帮的轴线上受影响较大，其中两帮主应力值较大。而且曲线形断面形状的最大、最小主应力峰值分布范围要大于折线形断面，见表2。
2.3塑性区分布
分别对不同断面形状的巷道围岩等效塑性应变(PEEQ)进行计算分析，如图7所示。
从图7可以看出，巷道围岩的塑性区主要集中在断面的两帮，并从巷道两帮逐渐向外扩展，但断面形状不同，塑性区的扩展形态也不同。其中折线形断面中，折点处向煤层延伸出现相对较长的塑性区。图8为不同断面形状巷道围岩的PEEQ最大值，圆形断面形状的PEEQ最大值最大，而不规则断面的PEEQ最大值最小。
3结语
本文采用有限元工程软件，开展了不同巷道断面形状对围岩力学性能的影响研究。结论如下:
1)断面附近巷道围岩的应力普遍比较大，应力峰值主要集中在断面的两帮，应力值从两帮向四周逐渐减小，形成“蝴蝶翅膀”形状。
2)在荷载作用下，曲线形断面巷道变形较小，发生应力集中的最大值也较大。
3)曲线形断面形状的最大、最小主应力峰值分布范围要大于折线形断面。
4)巷道围岩的塑性区主要集中在断面的两帮，并从巷道两帮逐渐向外扩展。——论文作者：姬书强
文章名称：不同巷道断面形态下围岩力学性能研究
