湖南煤业股份有限公司周源山矿业分公司 谭小华
摘 要: 随着煤炭开采向深部发展，围岩地应力也越来越大，巷道断面积、形状的选择对于降低围岩集中应力和巷道变形尤其重要．首先采用复变函数方法构建矩形巷道的复应力函数，得出矩形巷道的围岩应力计算公式，从理论上分析了矩形巷道围岩应力的主要影响因素; 然后以某一具体矿井的生产地质条件为背景，应用 FLAC5．0 数值模拟软件模拟分析不同巷道尺寸时的围岩应力分布情况，提出了巷道开挖后的支护对策。
关键词: 矩形巷道; 断面优化; 复应力函数; 数值模拟
地下巷道在开挖前，岩体在原岩应力作用下处于 初始地应力平衡状态．巷道的开挖破坏了这种平衡，巷 道周围岩体内各点的应力发生了变化，应力重新调整 达到新的平衡。我国煤矿井下使用的巷道断面形状 主要有矩形、梯形、直墙拱形( 如三心拱形、半圆拱形、 圆弧拱形) 以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。选择合理的断面形状是提高巷道支护效果的重要手段之一。 一般认为圆形巷道四周受力均匀，能够适应于软岩或 高地应力条件．为增强巷道顶板的稳定性，也有采用 1/4圆拱形断面。针对断面形状及尺寸对巷道稳定性的影响，国内外众多专家学者从理论、数值模拟和现场实际等各方面进行了研究，取得了较为丰富的研究成果。
本文以某一矿井的煤层地质条件从理论和数值模拟两方面对厚煤层巷道的断面参数选择进行初步 研究，以期为该矿后继采区上山断面优化选择提供借鉴。
一、厚煤层上山巷道围岩应力的理论分析
在埋深较大的情形下，巷道的二次应力状态可归结为无限域内含孔的平面应变问题，以巷道形心为圆 点，通过圆心的巷道宽度方向为 x 轴，通过圆心的巷道 宽度方向为 y 轴，略去岩石的自重作用，考虑无穷远处 受有水平应力sq 和垂直应力 q 的作用。
1、复应力函数的求解
将矩形巷道外部区域映射到单位圆外，其映射函 数取式( 1) 的形式，即1．2 围岩内任一点的应力分量。
根据复变弹性理论，对于单向压缩状态下的巷道周边及围岩内任一点的应力可由式( 4) 和式( 5) 求得，对于图 1 所示双向应力状态，分别取α= 0°，90°的应力叠加可得。
2、同高宽比的矩形断面应力分析
五阳煤矿现开采深度在700m 左右; 煤层厚度4．69 ~ 7．6 m，平均厚度 6．18 m; 煤层倾角 4°~ 16°，平 均8°，现开采区域为高瓦斯区域．采区上山布置有架空人车巷、皮带巷、1# 轨道巷、2# 轨道巷和专用回风巷，除2# 轨道巷与专用回风巷间巷道中心距为10m 外，其余相邻巷道中心距为30 m，巷道变形较大。工作面采用综采放顶煤回采工艺，工作面巷道为“一进两回”的布置方式，即工作面布置胶带顺槽( 胶带巷)、抽放瓦斯巷、回风顺槽，均沿顶板掘进。
在五阳煤矿76采区上山这种应力条件下，方形巷道和矩形巷道的周边切向应力均衡性差，其周边切向应力最大值出现在方形巷道的4个角点，大于煤层直接顶( 中厚层状黑色泥岩及砂质
泥岩) 的抗压强度 36．6 MPa，即方形巷道开挖将首先在4个角点被压裂; 相对地说，高宽比为0．8 的矩形巷 道周边切向应力均衡性较好; 由于巷道棱角的影响，巷道周边圆滑性差，应力集中现象较明显; 随着高宽比 m 的降低，巷道周边辐角45°处的切向应力降低，而巷道周边辐角30°处的切向应力升高，表明巷道周边切向 应力最大值总是位于矩形巷道的4个角点。
方形巷道的周边法向应力为零，而矩形巷道的周边法向应力多处出现负值(拉应力); 高宽比 m 小于 1 的巷道在辐角30°和 150°周边( 煤帮或帮顶交点)处拉应力大于 2 MPa，而 76 采区煤 层抗拉强度只有0．83 MPa，即矩形巷道首先在帮上产生拉破坏; 随着矩形巷道高宽比 m 的降低，辐角45°处巷道周边法向应力逐渐增大，当巷道高宽比m = 0．5 ( H ︰ L = 3．2 ︰ 6．4) 时，辐角 45°处的最大周边法向压 应力达到46．19 MPa。
方形巷道的周边剪应力为零;随着矩形巷道高宽比m 的降低，辐角45°处的巷道周 边剪应力逐渐降低，而辐角 30°处的巷道周边剪应力逐渐增大，表明周边最大剪应力总是出现在矩形巷道的角点，且高宽比越远离 1，角点剪应力越大，如 m = 0．5 时周边剪应力达到20．88 MPa，而 76 采区煤层直接顶的抗剪强度3．27 MPa，即矩形巷道易在辐角 45°处发生剪切破坏。
为探讨矩形巷道围岩内部切向应力、法向应力和剪应力在巷道开挖后的应力分布情况时，围岩内部应力在巷道周边一定范围内存 在应力升高区，其应力重分布范围与巷道周边的距离达 到 8 m 以上; 辐角为 0°，90°的围岩切向应力随着极距的 增大先增大后降低，而辐角为 45°的围岩切向应力随着极距的增大而逐渐降低，表明开挖引起的应力能在辐角为 0°，90°的围岩内未完全释放，而在辐角为 45°的围岩已完全释放，应在选择支护方式区别对待。
二、厚煤层上山巷道围岩应力的数值模拟
在前述的理论分析中，无法考虑围岩的岩层结构 及围岩力学性质的差异性，而相关的岩土数值模拟软 件可进行相关的计算．这里以五阳煤矿为具体条件，如 表 4; 采用FLAC5．0 数值模拟软件模拟分析矩形尺寸 分别为宽 × 高 = 4．0 × 3．2，3．6 × 3．6，围岩最大水平主 应力17．06 MPa，最小水平主应力10．84 MPa，垂直应力 14．44 MPa 时的巷道周边及围岩应力情况，为矿井设计、优化巷道断面参数提供理论依据．图 6a，图 7a，图 8a 代表宽 × 高 = 4．0 × 3．2 的矩形巷道围岩应力，图 6b，图 7b，图 8b 代表宽 × 高 = 3．6 × 3．6 的方形巷道围 岩应力。
矩 形 尺寸宽 × 高分别为4．0 × 3．2，3．6 × 3．6 的断面积基本相同，从图6 ~ 图 8 的应力云图上可以看出: 图 6 中的最大垂直应力均出现在巷帮，图 6b 的最大垂直应力相对较高，最高达22．5 MPa，说明在相同断面 积情况下，宽 × 高 = 4．0 × 3．2 的矩形巷道比宽 × 高 = 3．6 × 3．6 的方形巷道垂直应力要均匀，宽 × 高 = 4．0 × 3．2 的矩形巷道应力集中系数要小;图 7 中两个应力云图的水平应力基本一样，说明在相同断面积情况下断面尺寸的变化对水平应力影响较小，这是因为未考虑围岩水平方向各向异性所致;老顶与其上方软弱层之间界面存在等应力线，即在支护强度不大 或支护不及时情况下有可能出现离层，峰值区面积( 顶、底板) 明显要大，这是煤层底板松软所导致的。
三、支护对策分析
巷道围岩控制是指控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取措施的总和。其基本原理是: 人们根据巷 道围岩应力、围岩强度以及它们之间的相互关系，选择合适的巷道布置和保护及支护形式．在巷道支护方面， 目前主要采取的支护方法有: 棚式支架支护、预应力锚杆( 锚索) 支护和注浆加固．五阳矿采深大，顶、侧压都 大，采区煤层上山均采用矩形断面，断面积在13 m2 以上，从理论分析和数值模拟结果来看，由于帮和底均为 煤层，煤层的抗压和抗剪强度均偏低，帮和底的塑性区宽度明显高于顶板，且主要体现为剪切破坏，故帮和底 的支护设计中，应着重从防止煤层抗剪破坏出发，适当增加锚杆锚固长度，采用加长锚，同时围岩松动区注浆胶结加固，提高煤层的抗剪强度，增强煤层抗剪切、滑移能力;同时，理论分析和数值模拟结果都表明，矩形巷道4个角点的应力集中现象都比较明显，应增加角锚杆(或角锚索)，以控制角点的压剪滑移破坏，保证围岩整体性完整。
对新掘巷道围岩及时进行锚杆锚索支护并施加足够的预紧力，可有效控制围岩裂隙的张开，使围岩形成 次生承载结构，充分发挥围岩承载能力，进而防止围岩扩容破坏的发生，是根本解决高应力、大断面巷道围岩 变形破坏的可靠方法，五阳煤矿煤层强度普遍较围岩低，且侧压力系数不等于1，厚煤层中掘进矩形上山巷道 时，在满足设备、行人、运输等要求情况下，若因通风需增加巷道断面积时，应尽量使巷道高宽比接近侧压力系 数，降低巷道围岩应力集中系数; 矩形巷道的4个角点和边中点存在明显的应力集中现象，巷道开挖后应立即对其进行支护主动控制，减弱因巷道断面形状上突变所引起的应力突变影响程度，限制围岩松动圈的发展。
四、结论
1.矩形巷道的高宽比系数 k 值直接影响周边围岩应力状态，在设计巷道断面时应充分考虑侧压力系数 的影响。
2.应尽量使巷道高宽比接近侧压力系数，高宽比接近侧压力系数的巷道应力集中系数要小。
3.因煤层普遍较围岩强度低，当在厚煤层中掘进矩形巷道时，应加强帮、底的支护强度，保证围岩整体 完整性。
4.矩形巷道的角点、边中点都存在明显的应力集中现象，巷道开挖后应立即对其进行支护主动控制，减 弱因巷道断面形状上突变所引起的应力突变影响程度，最终限制围岩松动圈的发展。
参考文献:
[1] 钱鸣高，石平伍．矿山压力与岩层控制 [M]．徐州: 中国矿业大学出版社，2003．QIAN Minggao，SHI Pingwu． Mining pressure and strata control [M]。Xuzhou: China University of Mining and Technology Press，2003。
[2] 宋宏伟，刘刚．井巷工程[M]．北京: 煤炭工业出版社，2007。SONG hongwei， LIU Gang． Roadway engineering [M]．Beijing: Coal Industry Press，2007。
[3] 吕爱钟，张路青．地下隧洞力学分析的复变函数方法 [M]．北京: 科学出版社，2007。
LU Aizhong， ZHANG Luqing． Complex variable method of mechanical analysis on underground tunnel[M]。
[4] 吴忠，罗运军，秦本东．断面形状对巷道稳定性影响的研究．矿山压 力与顶板管理，2004，21( 4) : 41－43． WU Zhong， LUO Yunjun， QIN Bendong． Cross section shape influence research on stability of roadway[J]。
[5] 汪伟，韩磊，邵康．基于 UDEC 数值模拟的巷道断面形状优化设计． 煤炭工程，2007( 12) : 54－55．WANG Wei， HAN Lei， SHAO Kang． The optimized design of roadway cross －section shape based on UDEC numerical simulation [J]。
本网作者 谭小华 责编 陈茂春