鄂尔多斯市神东工程设计有限公司内蒙古自治区鄂尔多斯市017200
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；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。
2模型的建立
模型取自神东煤炭集团保德煤矿81309胶运顺槽，地层从上到下为黄土、砂岩。采用大型有限元软件ABAQUS建立三维数值模型。模型高80m、宽100m、深20m，巷道宽5m×高3.8m，位于模型中部。在巷道顶部施加垂直应力，用来模拟巷道顶部300m厚砂岩及100m厚黄土重力。巷道支护方式见图1、图2。模型中岩体采用摩尔-库伦塑性本构模型，锚杆、锚索、金属网片采用经典塑性本构模型。锚杆、锚索、网片与岩体采取ABAQUS中“内置区域”约束。岩体采用“C3D8”八结点六面体单元，锚杆、锚索、网片采用“T3D2”杆单元。模型底部施加“XYZ”三个方向约束，左右施加“X”方向约束，前后施加“Y”方向约束。模型建立了4个分析步，第一步用来平衡地应力，模拟开挖前的情况；第二至四步为开挖段，每步的开挖进尺均为2m。
3数值计算结果分析
3.1围岩应力分布
从图3、图4可以看出，矩形巷道在顶板和底板出现了受拉区，最大拉应力近1.3MPa，深度约为0.8m，受拉区的出现对矩形巷道顶板和底板的稳定是非常不利的。从图5、图6可以看出，在矩形巷道的四个角部，围岩出现了明显的压应力集中现象，应力值在22MPa左右；巷道两帮处出现了耳朵形压应力区，应力值在12MPa左右，深度达到了3m。总体来说，在有无支护的情况下，矩形巷道围岩应力差别不大。以上分析得出，矩形巷道的顶、底板容易出现受拉破坏，此处应在开挖后及时支护；四个角部及两帮容易出现压剪破坏，这对支护结构是很不利的。
3.2围岩变形
从图7-图10可以看出，矩形巷道两帮约1.3m范围内水平位移较大，顶板和底板约5m范围内竖向位移较大，围岩从四周向巷道中心挤压，但顶板和底板竖向位移大小及影响范围都要远大于两帮水平位移，所以顶板和底板的位移都应是监测的重点；经过支护后的围岩变形都在一定程度上有所减小，这说明支护结构发挥了作用。
3.3围岩塑性区
从图11、图12可以看出，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；在矩形巷道两帮处，有无支护的塑性区范围虽然没有很大不同，但是有支护的塑性应变量的值比无支护的要小，支护结构发挥了作用。
3.4支护内力
从图13-图15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。
（2）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。
（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：
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[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
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[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．
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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