原创《千米深井巷道间岩柱荷载分析与其合理间距确定》
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摘 要：根据压力拱理论,结合极限平衡区应力分布规律,研究了非均匀应力场和均匀应力场下的巷道周围应力分布规律,确定了相邻巷道间的合理间距,为深部相邻巷道间的煤岩柱留设距离提供了参考.
关键词：矿井深部；相邻巷道；应力分布；变形破坏；合理间距
中图分类号：TD322文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.07.069
随着矿井深部开采逐渐增加,采矿及岩土工程进入了更深层次的研究[1-2].许多矿井都遇到了相邻巷道之间间距合理留设的问题.深部相邻距离巷道围岩特性及其破坏变形机理和相邻巷道之间煤岩柱载荷的计算成为深部矿井间间距合理布置研究的重点.在矿井设计中,邻近巷道合理间距的设计,不但有利于巷道的工程维护,更能保证矿井巷道的稳定与安全[3].本文通过对巷道间煤岩柱的荷载分析,为深部巷道间合理间距的确定提供了一定依据.
单个巷道掘进所引起的围岩周边应力变化与邻近巷道开掘引起的围岩应力变化有着不可分割的联系.相邻巷道开挖引起的应力重新分布与巷道的原岩应力、巷道本身断面形状、尺寸大小和邻近巷道之间的距离有很大联系.
1深部相邻巷道间的覆岩活动扩大压力拱理论
地下围岩未开挖之前处于原岩应力平衡状态.由于矿井井下巷道的开掘打破了原始的应力平衡状态,致使巷道围岩应力重新分布并且导致巷道的应力集中现象出现.当巷道围岩强度大于巷道周边围岩的集中应力时,巷道维持原有状态不发生围岩物理性质的改变,围岩继续处于弹性状态；如果周围围岩的强度超过了巷道围岩自身的强度时,这部分围岩的物理力学特性就要发生改变,使得巷道周围形成局部一定区域的极限平衡区,同时引起应力向周边围岩的深部转移.
2单个巷道周围有极限平衡区时的应力分析
矿井的开采是在地下深部进行的,深部原岩应力较高,但是巷道周边围岩强度与原岩应力相比较低,所以掘进巷道周围往往出现局部范围的极限平衡区.根据巷道周围的弹塑性变形区及应力分布（见图1）可知,在双向等压状态下,巷道周边的极限平衡的径向应力和切向应力以及极限平衡区半径的计算公式分别为
式中：σr为径向应力；c为围岩的内聚力；φ为内摩擦角；r为离开巷道中心的距离；r0为巷道半径；σθ为切向应力；R为极限平衡区半径；γH为原岩应力；H为巷道埋深.
由式（1）、式（2）、式（3）可知,掘进巷道使得围岩周围应力场的重新分布不只与巷道本身所在的周边原始应力状态、上覆岩层的平均密度、围岩的黏结力相关,还与巷道自身半径有关.由图1可知,当相邻巷道距离较近时存在着相邻巷道之间应力场叠加的相互扰动影响.
3相邻巷道间周围的应力分布规律
由单个圆形巷道周围切向应力的分布规律可知,单一巷道围岩的变形影响范围,应力释放值不超过原岩应力的5%.当一条巷道影响范围的半径为R0、两条巷道间距相邻大于2R0,应力不发生相互重叠,则巷道之间的相互影响可以被忽略不记.若相邻巷道之间的间距小于2R,那么巷道围岩应力值将会出现叠加现象,巷道之间也会产生扰动现象.图2为巷道之间围岩应力值叠加关系图.
由图2可以看出,两巷道直径相同,所受到的围岩原岩应力相同,处于同一个应力场中.其中一条巷道周围的切向应力集中系数为3,而相邻两条巷道的切向应力集中系数为3.26.而在相邻两条巷道的中间点位置处σθ等于1.71σ1,相比之前单条巷道的应力增长了41.7%,由此反映了相邻巷道之间弹塑性变形区间周围应力分布规律.
由于巷道的开掘,巷道周围围岩初始应力被打破,存在极限平衡区,随之巷道周边围岩破坏向可以释放应力的区域转移,从而使得巷道在垂直应力和水平应力的共同作用下处于压缩状态.考虑巷道开挖引起上覆岩运动,运用压力拱理论对单一巷道开掘之后所显现的矿山压力进行理论计算.
根据压力拱理论（见图3）,利用开挖巷道的设计高度和跨度可以计算出压力拱的高度与跨度,继而能够得出巷道上方覆岩的铅直压应力,即最大载荷qmax.
压力拱高度的计算公式为
h等于b2/fk.（4）
压力拱跨度的计算公式为
B等于2b2等于2b1+2h1tan45°-φk/2.（5）
最大极限荷载计算公式为
qmax等于γh.（6）
式中：b2为跨度的一半；fk为岩石的坚固系数,fk等于σc/10,φk等于arctanfk,σc为岩石的单轴抗压极限强度；γ为应力集中系数.
3.1巷道间距的合理布置
在深部煤矿开采中,对相邻巷道布置平行巷道是比较普遍的.合理布置相邻巷道的间距,不但能够很好地保障巷道围岩的稳定,确保矿井安全有序生产,而且能够减小巷道的维修费用与工程量,进而降低矿井的生产成本[4].
判断巷道间距布置是否合理一般采取以下3种方法[5].一是巷道间的影响带相互之间互不影响,即可判定巷道间的间距设计是合理的；二是巷道间的影响带相互之间相互影响,但影响带边界的应力值还没达到支撑压力的峰值,即可判定巷道间的间距设计是合理的；三是即便影响带边界的应力值达到支撑压力的峰值,只要没有超过岩体所承受的最大抗压、抗剪强度,即可判定巷道间的间距设计是合理的.
3.2巷道间距的确定
3.2.1弹性阶段巷道间距
假设岩体在弹性范围内,可通过圆形巷道力学数值计算得出巷道围岩应力的分布规律.具体为：在静水压应力场中,在圆形巷道中应力影响带的影响范围是圆中半径的6倍.在非静水压应力场中,应力影响带的影响区域并不是呈现圆形形状,而是呈现出椭圆形状,影响范围为椭圆长轴的12倍.
从上可知,在设计相邻巷道断面时,如果设计断面为圆形巷道,巷道间距D的范围为6a＜D＜12a；如果设计断面为圆形巷道,且巷道断面的尺寸不相同时,巷道间距D的范围为6A＜D＜6a+A（式中：A为大圆形巷道的半径；a为小圆形巷道的半径）.
在设计相邻非圆形巷道间距时,可参考上述公式采用近似计算法,具体情况应根据巷道断面实际形状进行计算分析.
3.2.2塑性阶段巷道间距
巷道的围岩应力大于岩体的抗压、抗剪强度时,巷道附近的应力向岩层深部转移重新分布,即形成了塑性区.塑性区周围的应力分布特征如下：塑性区外由弹性区和应力区组成,通过理论力学计算可知巷道围岩应力容易在塑性区与弹性区交界处形成应力集中区.因此,在设计相邻巷道间距时,为了避免相邻巷道间形成巷道围岩应力集中区,应确保相邻巷道应力影响带的边界小于塑性区与弹性区交界处.采用极限平衡理论数值计算,假设围岩应力各向等压,通过公式推导及解算,算出巷道围岩应力分布情况及塑性区半径.巷道围岩应力分布情况与塑性区半径大小跟原岩应力、岩石的物理力学性质有关.
断面相同两圆形巷道的间距D为
Ka+R＜D＜2Ka.（7）
断面不相同两圆形巷道的间距D为
KA+R＜D＜Ka+A.（8）
式中：K为原岩石应力系数.
4结论
1）相邻巷道间合理间距的确定由巷道周围的围岩应力,巷道断面的尺寸、形状、巷道周围存在的巷道条数等因素决定,其中巷道间周围的应力分布主要由巷道之间的间距决定.
2）在相邻巷道之间,巷道间的煤柱或岩柱承受力的大小,跟巷道之间的间距与煤柱或岩柱的宽度之比有着紧密的联系,它们之间的比值随着煤柱或岩柱宽度的减少而呈现增加的趋势,煤岩柱的尺寸越大,作用在煤岩柱上的力就越小.
参考文献：
[1]李德忠,夏新川,韩家根,等.深部矿井开采技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.
[2]唐杰兵.平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究[D].焦作:河南理工大学,2010.
[3]谭云亮,刘传孝,韩宪军.巷道围岩破坏发育规律诊断研究[J].煤炭学报,2000,25(S1):62-66.
[4]刘同有.国际采矿技术发展的趋势[J].中国矿山工程,2005,34(1):35-40.
[5]何满潮.深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2854-2858.
（责任编辑尚晓春）
井巷论文参考资料：
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