不同水平應力下深部回采巷道圍巖變形破壞特征

楊睿

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

不同水平應力下深部回采巷道圍巖變形破壞特征

楊睿

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

采用UDEC離散元程序，對不同水平應力埋深下的深部回采巷道圍巖變形特征進行了分析。結(jié)果表明：側(cè)向系數(shù)相同時，隨巷道埋深逐漸增大，圍巖塑性區(qū)范圍及變形量都逐漸增大，但圍巖塑性區(qū)在增長過程中存在突增現(xiàn)象，而巷道圍巖變形量基本呈線性增長；當水平應力較大時，巷道圍巖塑性區(qū)在垂直方向的發(fā)育范圍較水平方向的范圍大，需加強巷道頂板及底板的支護；當水平應力較小時，巷道圍巖塑性區(qū)在水平方向的發(fā)育范圍較垂直方向的范圍大，需加強巷道兩幫支護。

水平應力；深部；巷道；U D EC；塑性區(qū)

1 引言

地應力是引起地下工程圍巖破壞的根本因素，初始地應力場的研究更是地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的前提和必要條件。長期以來，人們只注重自重應力及其引起的支承壓力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，而由構(gòu)造應力引起巷道破壞的機理也不是很清楚[1～3]。隨著開采深度的增加，造成采場礦壓顯現(xiàn)劇烈，特別是在構(gòu)造影響強烈的地區(qū)，圍巖壓力的增大不僅表現(xiàn)在垂直應力的增加上，更表現(xiàn)在水平應力的增加上，較大的水平構(gòu)造應力往往大于自重應力[4]。關(guān)于水平應力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)外的研究表明，巷道頂?shù)装迤茐牡闹饕蛩厥撬綉Χ皇谴怪睉5～7]。許多學者利用相似模擬和數(shù)值模擬的方法，對水平應力下巷道圍巖變形破壞特征也做了許多研究。勾攀峰等[8]通過相似模擬試驗和數(shù)值模擬的方法，研究了不同水平應力作用下錨桿支護以及無支護條件下巷道圍巖變形破壞特征；靖洪文[9]等對水平應力軟巖巷道破壞機理進行了研究。

不同水平應力下巷道圍巖變形破壞特征的研究方面雖取得了許多成果，但對不同水平應力下深部回采巷道頂?shù)装寮皞?cè)幫塑性區(qū)演化規(guī)律和圍巖變形特征方面的研究還不夠完善，基于此，本文選用UDEC離散元程序，對不同水平應力作用下深部回采巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律及其變形量進行分析。

2 數(shù)值試驗設計

以山東西南部某礦運輸順槽為工程背景，巷道斷面為矩形，根據(jù)采礦地質(zhì)條件，圍巖彈性模量為7.2GPa，容重為25 kN/m3，黏聚力為2.2MPa，泊松比為0.28，抗拉強度為1.3MPa，內(nèi)摩擦角為38°；模型的長×高=20m×20m，限制底部的位移，上表面施加載荷，側(cè)面采用應力邊界，采用摩爾-庫倫破壞準則。試驗設計方案如表1所示。

表1 試驗方案設計

3 不同深度巷道圍巖變形破壞特征

對側(cè)壓系數(shù)相同、埋深不同的巷道進行開挖計算，圍巖塑性區(qū)分布如圖1所示。不同深度下巷道圍巖塑性區(qū)最大范圍及圍巖變形量最大值如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到巷道圍巖塑性區(qū)及變形量最大值的變化曲線如圖2、圖3所示。

圖1 不同深度巷道圍巖塑性區(qū)分布

表2 不同埋深巷道塑性區(qū)范圍及圍巖變形量

根據(jù)計算結(jié)果可知，隨巷道埋深的逐漸增大，圍巖塑性區(qū)范圍及變形量都逐漸增大，但塑性區(qū)范圍與變形量的增加形式不同。巷道埋深小于1 000m時，圍巖塑性區(qū)范圍穩(wěn)步增長，埋深從1 000m增加到1 100m時，塑性區(qū)范圍突然增大，特別是巷道側(cè)幫的塑性范圍，其突增程度比頂?shù)装甯鼮槊黠@，埋深大于1100后，塑性區(qū)范圍又趨于穩(wěn)步增長；與塑性區(qū)范圍變化曲線不同，巷道圍巖變形量曲線隨著埋深的增大基本成線性增長。

圖2 不同埋深巷道塑性區(qū)范圍最大值

圖3 不同埋深巷圍巖變形量最大值

對比巷道頂板、底板及側(cè)幫塑性區(qū)范圍及變形量曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同巷道埋深下，頂板的塑性區(qū)范圍及圍巖變形量比底板、側(cè)幫都要大，表明巷道圍巖最難控制的區(qū)域為其頂板；此外，巷道底板塑性區(qū)范圍要大于側(cè)幫，底板與側(cè)幫的圍巖變形量則無明顯的差別，變化規(guī)律一致。

4 不同側(cè)壓次數(shù)巷道圍巖變形破壞特征

對側(cè)壓系數(shù)不同、埋深相同的巷道進行開挖計算，圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示。不同深度下，巷道圍巖塑性區(qū)最大范圍及圍巖變形量最大值如表3所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，得到巷道圍巖塑性區(qū)及變形量最大值的變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)巷道圍壓塑性區(qū)分布

表3 不同側(cè)壓系數(shù)巷道塑性區(qū)范圍及圍巖變形量

由表3可知，λ<1時，隨著側(cè)壓系數(shù)的降低，塑性區(qū)范圍在水平方向上的呈遞增趨勢，在垂直方向上面呈遞減的趨勢，塑性區(qū)分布呈現(xiàn)扁平狀；λ=1時，巷道圍巖處于均壓狀態(tài)，圍巖塑性區(qū)在巷道四周分布基本均勻，各方向塑性區(qū)分布相差不大；λ>1時，隨側(cè)壓系數(shù)的增大，在垂直方向上，塑性區(qū)的范圍呈遞增趨勢，在水平方向上塑性區(qū)則成遞減趨勢，但遞減幅度較低，然而巷道圍巖整體的塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢，分布形狀呈瘦高型。

圖5 不同埋深巷道塑性區(qū)范圍最大值

圖6 不同埋深巷道圍巖變形量最大值

與塑性區(qū)的分布規(guī)律不同，巷道圍巖變形量隨側(cè)壓系數(shù)的增加而增加，并且頂板圍巖變形量始終大于底板及側(cè)幫圍巖的變形量。

綜合分析可知，側(cè)壓系數(shù)對巷道圍巖塑性區(qū)分布影響規(guī)律為：當水平應力較大時,巷道圍巖塑性區(qū)在垂直方向的發(fā)育范圍較水平方向的范圍大，故需加強巷道頂板及底板的支護，盡量減少垂直方向上的塑性區(qū)的分布范圍，降低巷道頂?shù)装宓淖冃瘟?；當水平應力較小時,巷道圍巖塑性區(qū)在水平方向的發(fā)育范圍較垂直方向的范圍大，故需加強巷道兩幫支護，盡量減少水平方向上塑性區(qū)的分布，降低巷道兩幫的變形量。

5 結(jié)論

1）側(cè)向系數(shù)相同時，隨巷道埋深的逐漸增大，圍巖塑性區(qū)范圍及變形量都逐漸增大，但塑性區(qū)范圍與變形量的增加形式不同，圍巖塑性區(qū)在增長過程中存在突增現(xiàn)象，而巷道圍巖變形量基本呈線性增長。

2）當水平應力較大時,巷道圍巖塑性區(qū)在垂直方向的發(fā)育范圍較水平方向的范圍大，塑性區(qū)分布呈瘦高型，需加強巷道頂板及底板的支護，降低巷道頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)范圍及變形量；當水平應力較小時,巷道圍巖塑性區(qū)在水平方向的發(fā)育范圍較垂直方向的范圍大，需加強巷道兩幫支護，降低巷道兩幫圍巖塑性區(qū)范圍及變形量。

【1】何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16):2803-2813.

【2】孔德森,蔣金泉.深部巷道在構(gòu)造應力場中穩(wěn)定性分析[J].礦山壓力與頂板管理,2000,17(4):56-58.

【3】ZHAOC,HEBBLEWHITEB,GALVINJ.Analyticalsolutionsfor mininginducedhorizontalstressin floorsofcoalminingpanels[J]. ComputerMethodsinAppliedMechanicsand Engineering,2000,184 (1):125-142.

【4】李學華,姚強嶺,張農(nóng),等.高水平應力跨采巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究[J].采礦與安全工程學報,2008，25(4):420-425.

【5】喬衛(wèi)國,宋偉杰,林登閣,等.深部高應力巷道圍巖力學特征及穩(wěn)定性控制技術(shù)[J].中國礦業(yè),2015,24(8):92-95+100.

【6】任志成,楊勝利,孔德中.深部巷道圍巖變形與破壞特征[J].煤礦安全,2014,45(8):224-227.

【7】錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

【8】勾攀峰，韋四江，張盛.不同水平應力對巷道穩(wěn)定性的模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2010，27（2）：143-148.

【9】王文龍,靖洪文,楊大林.高水平應力軟巖巷道破壞機理分析及對策[J].煤礦安全,2010（9）:129-132.

FailureFeatures ofSurroundingRock inDeepM iningGatewayUnderDifferent Horizontal Stress

YANGRui
(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，Shandong Universityof Scienceand Technology，Qingdao266590，China)

The deformation characteristics of surrounding rock of deep m ining roadway under different horizontal stress depthareanalyzedbyusingUDECdiscreteelementprogram.Theresultsshow thatw ith thesamelateralcoefficient,theplastic zone of surrounding rock and the deformation of surrounding rock gradually increase with the increase of the depth of the tunnel.The plastic zone of the surrounding rock in the grow th process exists surge phenomenon,while the deformation of surrounding rock is increasing linearly.When the horizontal stress is large,the plastic zone of roadway surrounding rock is largerthan thehorizontaldirection in theverticaldirection,and thesupportoftheroofand floorshouldbestrengthened.When thehorizontalstressissmall,theplasticzoneof roadwaysurrounding rock is largerthan theverticaldirection in thehorizontal direction,and thebothsidesneed tobestrengthened.

horizontalstress;deep;roadway;UDEC;plasticzone

TD313+.1

A

1007-9467（2016）08-0071-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.015

2016-04-16

楊睿（1995～），男，山東泰安人，助理講師，從事巖土工程研究，（電子信箱）yangruisdust@163.com。