基于SMP准则的巷道松动圈计算及数值模拟研究

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摘要：为了研究巷道开挖后巷道周边应力分布特征及松动圈半径的大小，根据SMP准则探讨了松动圈形成的力学机理，提出了松动圈半径的计算公式，并应用数值模拟的方法得出了巷道围岩应力、位移、破坏的分布特征。结果表明理论分析与数值模拟的结果是一致的，对井下支护设计具有借鉴意义。

关键词：围岩；巷道支护；松动圈

中图分类号：TD313.1文献标志码：A

巷道开挖后应力将重新分布，在周围产生松动圈，目前关于围岩松动圈的形成范围，国内外众多学者提出了很多研究方法，但是多数处于现场测试的层面上，还很少有从力学机制上分析其机理的；也有一些学者从莫尔-库伦准则提出了一些理论取得了一些成果。但是采用M-C 屈服准则，它们的主要缺点是不能考虑中主应力的影响。SMP准则既符合 Mohr-Coulomb 屈服准则，又克服了偏平面内M-C屈服准则的奇异性和 Drucker-Prager 准则的抗压强度相等性。本文基于smp准则从力学上研究其机理，并且通数值模拟证明其理论的正确性[1]。

1SMP 准则的基本形式

3巷道围岩力学特征数值模拟

本数值模拟是以淮南国投新集一矿的地质资料为基础，模拟巷道开挖以后，在无支护的条件下巷道围岩破坏区范围以及应力、位移分布状态。

3.1巷道周边围岩的应力分布

巷道围岩破坏松动范围与巷道围岩应力分布息息相关，在巷道开挖以后巷道围岩的应力分布如图2所示，其中图2a为垂直巷道轴线的切面，图2b为平行巷道轴线的切面。

（a）巷道周边围岩应力分布

（b） 沿着掘进方向巷道围岩应力分布

由图2可以看到，巷道开挖以后巷道周边形成低应力区域，最低应力可以到达0 MPa，最高8 MPa，在巷道的顶板和底板的应力比较低，在巷道的帮部有一定的低应力区范围，大概是2～3 m的位置，但是由于巷道开挖应力的重新分布，在巷道帮部形成应力集中，这都是由于巷道采空后应力转移至帮部所致。

3.2巷道周边围岩的位移分布

在巷道开挖以后巷道周边的围岩产生变形，围岩位移分布在垂直巷道轴线、 平行与巷道轴线的切面（见图3）。

（a）巷道周边围岩垂直位移分布

（b）掘进方向巷道围岩垂直位移分布

（c）巷道围岩水平位移分布

（d）掘进方向巷道围岩水平位移分布

由图3（a～b）可以看出，巷道开挖以后在无支护的条件下顶板的垂直位移量是最大的（12 mm）；在巷道底板形成反向位移（即底鼓），但是底鼓量比较小，维持在8 mm左右；在巷道掘进方向上，顶底板垂直位移随着巷道掘进垂直位移逐渐增大。由图3（b～c）可知，在巷道的两帮垂直位移量相对比较小，主要体现为巷道两帮的内敛也就是水平位移为主，在巷道掘进方向上，巷道两帮的水平位移随着巷道掘进水平逐渐增大。因为模拟的为近水平煤层，所以两帮的内敛量是一直相等的。与应力分布相比可以得出：在应力比较低得地方位移相对比较大，这主要是由于应力释放所致。

3.3巷道周边围岩的破坏特征

巷道开挖以后在巷道周边就会形成围岩破坏区域，其分布特征与图2～ 图3 是非常一致的（见图4）。

由图4可以看到，在巷道开挖以后，巷道周边形成一定厚度的围岩松动区域，形成的破坏以剪切破坏为主，只有很少的区域才是拉破坏。这说明在巷道围岩破坏区域计算的过程中，采用剪切的破坏准则是适合的，符合SMP准则。此外松动圈范围约为1.55 m，这与理论计算的结果1.476 m基本一致；在巷道的肩部是破坏最严重的地方，说明巷道肩部是最需要加强支护的地方。

4结论

1） 采用SMP准则计算巷道围岩破坏区，与莫尔-库伦准则相比考虑了岩石的完整性，更加与现场相一致，SMP准则更适合计算巷道围岩破坏区。

2） 巷道的围岩破坏区半径与围岩的单轴抗压强度σc、岩石的岩性、岩石的完整性巷道的埋藏深度等有关，因此现场在布置巷道时应尽量布置在岩性较好的地方。

3） 数值模拟结果表明：巷道周边围岩的破坏大部分是剪破坏并形成连续的围岩破坏区，为巷道的合理支护提供了一个理论依据。

4） 由数值模拟的结果得出在巷道的肩部是破坏最严重的地方，说明巷道肩部是最需要加强支护的地方，对现场有一定的指导意义。

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