重要文件初步设计v

1、设计巷道：北一（6-2）上山采区6煤底板回风巷：中国矿业大学矿业设计宁广设 计 人：审 核 人：审核意见：1)结合初始阶段的同步矿压观测和施工信息反馈进行方案优化；落实本设计的施工阶段，安排专人配合矿方开展现场试验工作，规范现场施工操作技术和过程管理； 进一步开展同步的方案优化及支护补强措施。2)3)目录1概述. - 1 -1.11.21.3说明. - 1 -工程地质条件 . - 1 -工程地质特征分析 . - 4 -1.3.1 围岩应力场分析. - 4 -1.3.2 巷道破坏特征. - 4 -2研究现状. - 6 -2.1软道支护理论. - 6 -国外研究现状. - 6 -国内研究现状. -

2、 8 -道支护技术 . - 9 -2.1.12.1.2软2.2软3道支护理论及技术新发展. - 12 -巷道断面形状优化数值计算分析 . - 12 -3.13.1.13.1.23.1.33.1.4数值计算模型及有关参数. - 12 -围岩塑性区分布. - 14 -断面形状选择. - 16 -最小加固长度的确定. - 19 -3.23.3破裂岩体的注浆加固性能. - 21 -. - 22 -3.3.13.3.23.3.3底板锁注技术. - 22 -锚. - 22 -中空注浆锚索. - 23 -4巷道支护设计. - 23 -4.1 支护方案选择 . - 23 -4.2 锚网索支护 . - 25 -

3、4.2.14.2.24.2.3支护形式及参数. - 25 -喷浆. - 27 -支护强度比较. - 27 -4.3架棚+深孔注浆. - 30 -4.3.14.3.24.3.3架棚. - 30 -喷浆. - 31 -深孔注浆. - 31 -4.44.5锚. - 32 -中空注浆锚索. - 34 -5 施工工艺要求. - 38 -5.1 安装要求 . - 38 -5.1.15.1.25.1.2锚杆安装要求. - 38 -顶板锚索安装要求. - 38 -中空注浆锚索施工要求. - 39 -5.2 特别提醒. - 39 -5.2.15.2.25.2.3质量注意事项. - 39 -锚索安装注意事项. -

4、 39 -注浆注意事项. - 40 -6 设计说明及其它要求. - 40 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计1 概述1.1 说明1）本支护方案及参数设计北一（6-2）上山采区6煤底板回风巷，设计依据为矿方已掌握的巷道围岩赋存及相关地质资料。2) 从现场调研及相关矿压显现情况看，北一（6-2）上山采区6煤底板回风巷自拨门开始至结束位置一帮始终毗邻一系列断层所组成的断层群，巷道轴线方向与断层群基本一致，近距断层群将会对巷道掘进及维护产生较大影响；预计巷道掘进过程中将先后穿过7条断层；矿压显现通常具有典型软道的流变特性；加之巷道服务年限在10年以上，其围岩长时稳定性极为

5、。3）本设计依据理论分析结合工程实践经验开展，鉴于巷道围岩变形的分区域特性，性采用锚网索、“架棚+深孔注浆”、“架棚+深孔注浆+锚”和“架棚+深孔注浆+中空注浆锚索”四种方案，并通过实时矿压观测结果对支护效果进行评价，同时确定后续支护方案的调整。1.2 工程地质条件北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷掘进区段位于 6-2 煤及 4 煤层之间，自北一（6-2）采区回风石门拨门，以方位角 303，跟 6 煤底板施工，平均垂距 20m 左右。与之平行布置的巷道包括 6 煤胶带机上山、6 煤底板回风上山、6 煤底板轨道上山三条巷道，平距分别为 30m、40m、60m；6 煤胶带机上山在6-2 煤层

6、中掘进，其余两条巷道与 6 煤底板平剖面图如图 1-1 所示。回风巷层位基本相同。巷道布置6 煤底板回风巷掘进层位主要位于泥岩和砂泥岩互层中，顶板岩性主要为细砂岩、煤线、泥岩，底板主要为砂泥岩互层、粉细砂道岩性综合柱状图如图 1-2 所示。- 1 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计图 1-1 巷道布置平剖面图- 2 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计图 1-2 6 煤底板回风巷岩性综合柱状图6 煤底板回风巷自拨门开始至结束位置一帮始终毗邻一系列断层所组成的断层群，已探明断层有 SF49、SF55、Fs263、Fs905、Fs909、F

7、92 及 F92-3，巷道轴线方向与断层群基本一致。根据 6 煤底板回风上山掘进断层情况，预计 6 煤底板D6-D12 七条断层。对巷道回风巷掘进过程中将先后掘进影响较大的断层及其参数见表 1-1。- 3 -柱 状层厚岩石名称岩性描述10.40.960.262.50中细砂岩泥岩煤线泥岩浅灰色,中细砂质结构，水平层理清晰，岩性坚硬，性脆。灰色,块状,性脆易碎,断口平坦,细小裂隙发育,局部含砂质泥岩。黑色,粉末状为主，发育不稳定，灰分含量较高。灰色,块状,性脆易碎,断口平坦,细小裂隙发育,局部含粉砂质。3.666-2煤黑色,粉末状为主，次为块状，鳞片状，片状，暗煤为主，弱光泽光泽，夹少量镜煤条带及

8、线炭，属半暗型煤,含矸石。1.70泥岩灰色,块状,性脆易碎,断口平坦,细小裂隙发育,局部含砂质泥岩。0.287.9014.20煤线细砂岩砂质泥岩黑色,粉末状为主，发育不稳定，灰分含量较高。浅灰色,细砂质结构，含较多暗色矿物,局部夹泥质条带，岩性坚硬，性脆， 局部含有少量粉砂岩及微量中砂岩。灰色,含砂不均,往下增多,上部含菱铁鲕子,含痕木化石,局部相变为泥岩.6.503.300.74砂泥岩互层粉细砂岩4-2煤粉细砂岩与砂质泥岩互层，灰色到灰白色，致密,块状,以粉细砂岩为主， 局部可见炭屑，水平层理清晰。浅灰色,细砂质结构，含较多暗色矿物,局部夹泥质条带，岩性坚硬， 性脆，局部含有微量中砂岩。黑色

9、，块状为主，局部粉状和片状，油脂光泽,暗煤、为主，夹少量镜煤条带和丝炭，半暗型半亮型，属不稳定局部可采煤层。2.340.72泥岩4-1煤灰色,块状,性脆易碎,断口平坦,细小裂隙发育,局部含粉砂质。黑色,块状为主，弱油脂光泽油脂光泽，暗煤、为主，夹少量镜煤条带及丝炭，常伴生有4-2煤，半暗型半亮型，属不稳定局部可采煤层。7.10泥岩灰色,块状,性脆易碎,断口平坦,细小裂隙发育,局部含砂质泥岩及鲕状铝质泥岩。北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计表 1-1 预计对 6 煤底板回风巷掘进影响较大的断层及其参数断层名称倾向倾角性质落差程度F9230033012021050650

10、35.0m正较高F92-329530820521875正022.0m较高Fs26323714770正2.0m较高Fs9092902060752.5m正较低Fs905295256070正07m较低1.3 工程地质特征分析1.3.1 围岩应力场分析岩体的构造应力尚无法用数学、力学的方法进行计算分析，构造应力的大小只能采用现场应测的方法测定。但是，构造应力的方向可以根据地质力学的方法加以。依据地质构造和岩石强度理论，一般认为自重应力是主应力之一，另一主应力与断裂构造体系正交。对于正断层，自重应力s z 是最大主应力，即s1 = gH ，最小主应力s 3 与断层带正交。与 6 煤底板回风巷相毗邻的一系

11、列断层，多为正断层，且与巷道基本一致，即方位角 303，据此可以对6煤底板回风巷所处位置的应力场作出推断：（1）自重应力s z 为最大主应力，估算s z = gH = 15 MPa；（2）最小主应力s 3 与断层构造体系正交，因此与 6 煤底板正交，其方位角约为 213；回风巷轴向（3）中间主应力s 2 与断层构造体系303。根据最大水平应力理论，从单一的巷道围岩应力场角度分析，巷道方位布置即巷道轴向一致，其方位角约为较为合理，有利于巷道的维护。1.3.2 巷道破坏特征前期课题组对6 煤底板回风巷及其邻近巷道6 煤底板回风上山进行了细致的现场调研及观测工作，掌握了巷道的破坏特征。- 4 -北一

12、（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计1）底板回风巷维护情况调研巷道的范围包括底板回风巷下山方向 135m，上山方向 105m 左右，最早掘出的巷道距调研时两左右，具体巷道破坏情况如下：（1）巷道整体变形明显，掘进初期标示的整齐腰线，在掘进一呈现左右摆动和上下起伏状；后基本（2）大部分支架顶梁尚未出现压平及扭曲现象，但部分支架肩角开始出现变形，一般靠近断层群一侧变形大于远离断层群一侧；（3）棚腿在顶梁下沉的作用下，发生内挤，使得与回填矸石之间产生较大空隙，最大空隙可以达到 15cm 左右，使得原本背护不实的棚后出现洞，支架受力进一步；空（4）在巷道掘出 1，棚间金属笆片普遍

13、鼓出，顶板笆片鼓出尤为明显；（5）下山方向由于岩性较差，与上山方向相比变形更为严重。2）底板回风上山维护情况底板回风上山 11 年 1 月开始掘进。整条巷道的维护情况呈现明显的分区特性，自联巷口开始大致依次分为 3 个区域，以联巷口 A 点为原点，各区域大致范围如图 1-3 所示。顶板破坏严重，呈“V”字300m底鼓明显170m ACBDFE300m300m600m底鼓、棚腿内挤区顶板剧烈变形区相对稳定区图 1-3底板回风上山矿压显现分区示意图各区域典型变形特征如下：（1）底鼓、棚腿内挤区（AB）：该区域的大致范围是前 300m，其显著特征是底鼓明显，棚腿普遍内挤，且远离断层群一帮内挤超过靠近

14、断层群一帮；前170m 范围（AC）内底鼓尤为明显，轨道倾斜，巷道最小高度仅为 2900mm，相比设计高度 3830mm，减少了 930mm，占设计高度的 24%；（2） 相对稳定区（BD）：该区域的大致范围是 300-600m，与前一区域相比底鼓及棚腿内挤程度明显降低，巷道高度普遍在 3700mm 以上；（3） 顶板剧烈变形区（DE）：该区域的大致范围是 600-1200m，这一区域- 5 -联巷北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计巷道的显著特征是顶板变形明显，顶梁扭曲压平；其中 900-1200m（FE）区域顶板破坏最为严重，虽然顶板及肩角施工了锚索或锚杆，但顶梁

15、仍然被拧为麻花状，多个地点顶梁呈向下的“V”字形，甚至折断；一处地点发生漏矸。6 煤底板回风巷与 6 煤底板回风上山层位、方位角、倾角、掘进长度、巷道跨度、支护形式大致相同，两者具有很好的可比性。而 6 煤底板回风巷更为靠近断层群，服务年限更长，因此与 6 煤底板回风上山相比其难度更大。6 煤底板回风上山应用现有支护形式发生了较大程度的变形，因此将单一的架棚支护应用于难度更大的 6 煤底板回风巷，不能适应围岩变形的分区特性，矿压显现将更为剧烈。2 研究现状2.1 软道支护理论2.1.1 国外研究现状（1）古典理论20世纪初发展起来的以、朗肯和金理论为代表的的各种古典是其上覆岩层的重量gH ，它

16、们的不同之处理论认为，作用在支护结构上的认为是 1 ，朗肯根据松散体理论认为是是对侧压系数的定义方式： tan 2 (45 -j / 2) ，金根据弹性理论认为是m(1- m) 。其中，m 、j 、g 分别表示岩体的泊松比、内摩擦重。由于当时工程埋藏深度不大，因而度认为这些理论是正确的。（2）散体理论随着开挖深度的增加，人们发现古典理论在许多方面都与实际不符，于是，出现了散体理论。该理论认为：工程埋藏深度较大时，作用在支护上的，不是上覆岩体重量，而只是围岩内松动岩体重量，的高度与工程跨度和围岩性质有关。可作为代表的有普氏理论和太沙基冒落拱理论。普氏认为在松散介质中开挖巷道后，其上方会形成一个抛

17、物线形自然平衡拱，该平衡拱曲线上方的地层处于自平衡状态，其下方是潜在的破裂范围。该理- 6 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计论将平衡拱内的围岩作为支护对象，支护荷载只是内的岩石重量。太沙基松散介质理论的立论基础与普氏理论基本相同，只是认为为矩形，也未考虑围岩的变形因素。因此，松散介质地压理论只适用于变形小的浅部（能够形成自然平衡拱的深度）松散地层。（3）新奥法（NATM）20 世纪 60 年代，奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 在总结前人经验的基础上， 提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法（New AustrianTunneling

18、Method），简称“新奥法（NATM）”。新奥法目前已成为工程的主要设计施工方法之一。1978 年，L.Mller 教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思理和主要原则，并将其概括为 22 条。1980 年，奥地利土木工程学会空间分会把“新奥法”定义为：“在岩体或土体中设置的以使空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计施工方法”。“新奥法”的是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环。（4）能量支护理论20 世纪 70 年代，M.D.Salamon 等人提出了能量支护理论。该理论认为，支护结构与围岩相互作用、共

19、同变形，在变形过程中，围岩一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动多余能量的功能。（5）应力应用围岩应力理论理论是对巷道围岩进行的最有效的途径。应力理论也称为围岩弱化法、卸压法等，于，其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，通过局部弱化围岩来调整围岩的应力分布状态，围岩内力及能量分布，人为降低支承区围岩的承载能力，使支承向围岩深部转移，使巷道始终处于良好的应力环境，从而达到提高其稳定性的目的。（6）应变理论- 7 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数

20、初步设计围岩支护的应变理论由和樱井春辅提出。该理论认为，隧道围岩的应变随支护强度的增加而减小，而容许应变则随支护强度的增加而增大。因此，通过增加支护强度，能较容易地将围岩应变在容许应变范围之内。（7）20 世纪 90 年代，澳大利亚等人又提出了最大水平主应力理论。该理论认为：全球范围内原岩应力的实测结果表明，最大主应力常为水平方向。当巷道的轴线方向与最大主应力方向一致时，巷道稳定性好；两者相垂直时，巷道稳定性差。采矿工程巷道因受矿置的制约，不便于选择巷道的轴向，当条件时，应尽量按最大水平主应力方向予以调整。（8）数值计算方法目前，数值计算方法的发展日趋成熟，限单元法、边界元法、离散元法等，以此

21、为理论基础的计算软件大量涌现，如 ADINA、NOLM、UDEC、SAP、FLAC 等程序都为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在程支护中得到了广泛的应用。工2.1.2 国内研究现状我国软道支护系统研究工作始于 1958 年，当时辽宁的沈北矿区开发，在前屯矿建设中出现井口报废事故，导致停工数年。此后，蒲河矿、大桥矿、京西木城涧矿也出现技术事故。为此，原煤炭工业部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术，在前屯矿二、三井进行了多种巷道支护形式的试验和测试工作，在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面都取得了初步经验。20 世纪 80 年代以来，与软岩工程相关的软岩工程问题的理论研究进入了个

22、新的阶段。性会议召开 20，使（1）等提出“轴变论”理论，认为巷道塌落可以自行稳定，可以用弹性理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变巷道轴比，导致应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。近年来，教授等人运用系统论、热力学等理论提出开挖系统理论。该理论认为，开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。（2）松动圈理论是由中国矿业大学等提出的，其主要内容是：凡是- 8 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计坚硬围岩的巷道，其围

23、岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。（3）主次承载区支护理论是由提出的，他认为巷道开挖后，在围岩中形成拉压域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自承能力，是维护巷道稳定的主承载区；形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。支护对象为，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定。支护强度原则上要求一次到位。（4）软岩工程力学支护理论该理论是由

24、何满潮运用工程地质学和现代力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出的一种新的软道支护理论。该理论将软岩变形力学机制分为物化膨胀类、应力扩容类和结构变形类三大类。在每一类中又依据引起变形的严重程度分为 A、B、C、D 四个等级。其理论要点是：软道的变形力学机制通常是三种以上的变形力学机制的复合类型，支护时要“对症下药”，合理有效地将复合型转化为单一型，并强调软岩支护是一个力学过程，这个过程中的每个环节都必须适应其复合型变形力学机制的特点。（5）二次支护原理软岩的二次支护理论是在实践中形成的，它是实现软岩加固承载圈的施工方法。它根据围岩变形量测结果，确定二次支护时间、方法和支护刚度，以达到

25、最佳支护效果。软道和硬道围岩变形的主要差别在于软岩变形有着明显的时间特性，其塑性能的和围岩的变形不可能在短时间内完成，而一般要经历较长的时间，因此，在初次支护的基础上，需要采用二次支护措施来适应软岩的这个力学变形特点。二次支护的关键是二次最佳支护时间和最佳支护时段的确定。2.2 软道支护技术随着软道理论的研究和现场实践的经验积累，已经形成了比较完善的支护技术方法和支护，国外采用的主要是金属可缩性支架。我国在锚网支护技术研究与应用中取到了长足的进展。目前，形成的成套支护技术有锚网索喷- 9 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计支护技术、锚网索喷注浆加固技术、U可缩性金

26、属支架、U支架+喷注、混凝土注浆加固、壁后充填全断面封闭式 U可缩支架、壁后充填大弧板支护、网壳支架，以及上述部分支护形式和锚网喷、卸压等支护技术。（1）支护、陆家梁、郑雨天、等提出的支护是在“新奥法”的基础上发展起来的，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。支护系指采用多种不同性能的单一支护的组合结构，即在支护中各自充分发挥其所固有的性能，扬长避短，共同作用，以适应围岩变形的要求，最终达到围岩和巷道稳定的目的。（2）锚喷-弧板支护孙钧、郑雨天和等提出的锚喷-弧板支护是对支护的发展。该技术的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到

27、一定程度，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。（3）基于应力理论的躲压、卸压系列技术以应力理论为基础，逐渐发展起来的系列技术包括：躲压、钻孔卸压、钻孔松动卸压、加固法、开槽（缝）卸压。躲压主要表现为巷道位置的选择，即通过对巷道位置的优化合理布置，使巷道“躲开”支承应力叠加区等高应力区域，巷道所处应力环境，从而降低支护难度的方法。由于煤层的天然赋存状态以及井下巷道的错综复杂，这种方法只能适应于部分巷道，具有一定的局限性。钻孔卸压技术通过在被保护的巷道围岩内钻孔，使掘进引起的支承峰值向围岩深部转移，从而使巷道处于应力降低区

28、。同时，钻孔还为巷道围岩变形提供了一定补偿空间，吸收一部分变形，从而减小巷道变形量。钻孔松动卸压是在巷道底板或两帮钻深度较小的孔，在进行限制性，在）体中形成续的松散、破碎带。将产生的支承峰值转移到巷道围岩深部，从而达到卸压的目的。（4）刚柔层（RFL）和刚隙柔层（RGFL）支护技术等基于软岩工程力学支护理论提出了刚柔层（RFL）何满潮、- 10 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计和刚隙柔层（RGFL）支护技术。预留刚柔层支护技术的工作原理是：开挖巷道时，首先在巷道的周边预留一定范围的变形层，并在一定刚度的主护作用下形成刚柔层，然后量测刚柔层外侧（巷道设计轮廓）的变

29、形，待到变形稳定时，去掉刚柔层并完成支护。预留刚隙柔层支护技术的工作原理是在柔性喷层和刚架之间预留一定量的空隙，围岩变形能量，待柔性喷层与钢架接触时，再喷混凝土支护，故其毛断面要大于设计断面。（5）滞后注浆对软道滞后注浆技术开展了深入的理论实验和工程实践研究。通过对破裂岩体注浆固结规律的试验研究，总结了巷道围岩特定赋存状态下的注浆固结规律，提出破裂岩石注浆固结体的破坏形式、变形及强度特征，固结性能的主要影响因素，分析了注浆固结前后岩体力学性能的主要变化。通过对破裂体注浆骨节规律、裂隙岩体注浆渗流规律、滞后注浆围岩稳定性分析等问题进行研究，提出了适合软道加固的滞后注浆技术和软道锚注分阶段加固技术

30、。通过大量的工程实践，研究了围岩动态变形过程中，注浆时机、注浆方式、注浆施工等相关问题。（6）锚索与锚注支护与锚杆支护相比，锚索支护具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大的预紧力等诸多优点，是大松动圈巷道支护加固不可缺少的重要。其加固范围、支护强度、可靠性是普通锚杆支护所无法比拟的。锚索主要起悬吊作用，它把下部松动圈及可能不稳定的岩层吊在上部稳定的岩层，或者大松动圈之外。作为软道矿压显现与巷道维护的有效之一，近年来锚注加固技术特别是全断面锚注加固技术受到了人们越来越多的重视。岩体锚注加固技术是利用特种中空锚杆（索）兼作注浆管，融锚固、注浆工艺为一体，对岩体实施外锚内注加固处理的一种加固方式。它是

31、岩体注浆加固技术同岩体锚杆（索）加固技术的有机结合，充分利用注浆加固与锚杆（索）加固的各自优点，全力调动整个巷道围岩自身的承载能力。（7）井下移动式冻结装置冻结围岩法莫斯科近郊煤炭科学，对在流沙型岩层中掘进水平巷道的方法和设备- 11 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计做了研究与改进工作，最终，研制运用了自动化的井下移动式冻结装置，确定出主要参数并制定了井下冻结岩体的工艺。的莫斯科近郊和顿涅茨煤田的各矿井以及捷克斯洛伐克的一些矿井，复杂的水文地质条件下掘进井下巷道时，运用了所开发的岩体冻结工艺和设备。3 软道支护理论及技术新发展3.1 巷道断面形状优化数值计算分析

32、在煤矿巷道支护工程实际应用过程中，支护方式的选择及支护参数的确定往往是重点考虑的问题，而对巷道断面形状常常考虑不足，事实上，巷道断面形状以及围岩对巷道围岩稳定性有着比较大的影响。为此，利用 FLAC 数值模拟软件研究了不同断面形状对巷道围岩稳定性的影响。3.1.1 数值计算模型及有关参数数值计算采用 FLAC5.0 模型。模型外形为长宽=50m50m ，共划分200200=40000 个单元。该模型左右两侧限制水平位移，底部限制垂直移动，模型上面取应力边界，施加均布载荷，为 18.75MPa，见图 3-1。采用 Mohr-Coulomb模型。模型采用均质材料，材料的物理力学参数见表 3-1。-

33、 12 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计P图 3-1 数值模拟模型图表 3-1 岩体的物理力学参数密度/kgm 3体积模量/MPa剪切模量/MPa内摩擦角/()抗拉强度/MPa粘聚力/MPa250025001600260.60.6巷道围岩的稳定性决定于多种因素，其中断面形状对围岩的稳定性有重要影响。巷道围岩失稳的形式很多，比较有代表性的如图 3-2 所示。a-顶板；b-巷帮破坏；c-断面严重收缩图 3-2 巷道围岩失稳的三种形式我国矿井使用巷道断面形状主要有折线形和曲线形两大类，综合这两大类型的巷道，结合淮南矿业实际使用巷道断面情况，性选取了几种典型巷道- 13

34、 -岩体巷道50m50m北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计断面形状，如图 3-3 所示，分别为矩形、直墙半圆拱形、马蹄形和三心拱形、圆形以及椭圆形，各断面均外接于半径为 2.5m 圆，从巷道塑性区分布、应力场分布以及围岩变形特征等几个方面，研究静水条件下（即水平应力与垂直应力相等）断面形状对巷道围岩稳定性的影响。(a) 矩形(b)(c) 三心拱直墙半圆拱(d) 马蹄形(e) 椭圆(f) 圆形图 3-3 巷道断面形状3.1.2 围岩塑性区分布图 3-4 为不同断面形状的巷道围岩的塑性区分布。从图中可以看出，巷道开挖后，顶板的基础位于两帮，在垂直应力作用下，应力不断向围

35、岩深部转移，在两帮形成较高的应力集中，因此巷道两帮塑性区影响范围（至巷帮约为 9m）普遍略大于顶底板的影响范围。- 14 -北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计(a) 矩形(b)直墙半圆拱(c) 三心拱(d) 马蹄形(e) 椭圆(f) 圆形图 3-4不同断面形状的巷道围岩塑性区分布由于模型及巷道关于 Y 轴对称，因此对不同断面的巷道围岩塑性区也呈现对称分布的现象；巷道围岩塑性区在垂直方向上的受围岩自重应力的影响相对较小，若巷道断面对称于 X 轴，塑性区的影响范围也几乎关于 X 轴对称（见图 3-4中 a、d、e 和 f），随着巷道断面关于 X 轴对称的程度升高，其塑性

36、区的对称程度也随之升高。矩形巷道为折线形巷道，巷道四周产生较大的拉应力，超过了围岩的抗拉强- 15 -JOB TITLE : yuanxing(* 0 )0000 5000 0000 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 1 :58step 9186-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plastic ty Indicator* at y eld in shear or vol. X elastic, at yield in past sta eContour interval= 2.50E-01

37、 Minimum: 0.00E 00um: 2.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : tuoyuan(* 0 )0000 5000 000-0 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND6-Nov-09 20:17step 11388-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plasticity Ind cator* at yie d in shear or vol. X e ast c, at y eld in past s ateContour interval=

38、 2.50E-01 Minimum: 0.00E 00um: 2 00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : yuanxing(* 0 )0000 5000 000-0 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 20:07step 8 91-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plasticity Ind cator* at yie d in shear or vol. X e as ic, at y eld in past s ateContour

39、 in erval= 2.50E-01 Minimum: 0.00E 00um: 2.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : sanxingong(* 0 )0000 5000 0000 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 21:15step 929-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01Plasticity Indica or* at yie d in shear or vol. X e as ic, at y eld in past o

40、at y eld in tens ons ateContour in erval= 5.00E-01 Minimum: 0.00E 00um: 3.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : banyuangong(* 0 )0000 5000 0000 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND27-Oct-09 13:18step 12618-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01P ast c ty Ind cator* at y eld in shear or v

41、ol. X elastic, at y eld in past o at yie d in tension stateContour interval= 5 00E-01 Minimum: 0.00E 00um: 3 00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )JOB TITLE : juxing(* 0 )0000 5000 000-0 500- 000FLAC (Version 5.00)LEGEND5-Nov-09 21:02step 1330-1. 00E 01 x 1. 00E 01-1. 00E 01 y 1. 00E 01P ast city Indi

42、cator* at y eld in shear or vol. X elastic, at yie d in past o at yie d in ens on stateContour interval= 5 00E-01 Minimum: 0.00E 00um: 3.00E 00- 000-0 5000 0000 500000(* 0 )北一（6-2）上山采区 6 煤底板回风巷支护方案及参数初步设计度，其围岩除发生剪切破坏外，同时在巷道两帮及顶底板还产生拉应力破坏，出现拉破坏区（见图 3-4 中 a）；直墙半圆拱巷道和三心拱巷道由折线和曲线组成，由于局部采用曲线，降低巷道顶帮周边拉应力，

43、低于围岩的抗拉强度，巷道断面为曲线的部分没有发生拉应力破坏，仅在巷道底板出现拉应力破坏（见图 3-4 中的 b 和 c）；马蹄形巷道、椭圆形巷道及圆形巷道断面全部为曲线形，巷道周边的拉应力均较小，因此，巷道围岩只发生剪切破坏，未产生拉应力破坏（见图3-4 中的 d、e 和 f）。说明曲线形巷道周边的拉应力较折线断面巷道的拉应力小，可以有效抑制巷道周边发生拉应力破坏。yyy围岩围岩围岩承载环直墙半圆拱开挖断面直墙半圆拱开挖断面直墙半圆拱开挖断面xxxx等效开挖区等效开挖区yyy = x(b) 等效开挖同径巷道断面y(a) 实际开挖巷道断面(c) 产生开挖无效加固区图 3-5 巷道等效开挖过程示意图从围岩塑