閆家悅

(山西潞安高河能源有限公司)

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埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響數(shù)值模擬

閆家悅

(山西潞安高河能源有限公司)

為分析煤礦不同埋藏深度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，采用CDEM軟件，建立了相同地質(zhì)條件下的4個(gè)不同斷面模型，分析了埋深對(duì)巷道圍巖位移、塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，揭示了大埋深巷道圍巖的維護(hù)特征，供相關(guān)研究參考。

埋深圍巖穩(wěn)定性CDEM軟件

巷道圍巖的穩(wěn)定性對(duì)其開(kāi)挖過(guò)程與安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-3]。本研究以山西某礦為例，利用CDEM軟件對(duì)不同埋深巷道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討巷道圍巖穩(wěn)定性的埋深效應(yīng)。

1　數(shù)值模型構(gòu)建

依據(jù)某礦圍巖力學(xué)性質(zhì)及生產(chǎn)地質(zhì)條件，構(gòu)建了二維數(shù)值模型。模型采取底端固定的方法，2個(gè)側(cè)面限制水平運(yùn)動(dòng)。為保證原巖應(yīng)力為單一變量，僅模擬了一種巖性，巷道開(kāi)挖后均無(wú)支護(hù)。為分析原巖應(yīng)力變化對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，共建立了一個(gè)拱形巷道模型，巷道寬4.6 m，高3.5 m，巷道面積13.83 m2，根據(jù)埋深分別為500，600，700，800 m分別取原巖應(yīng)力12.5，15，17.5，20 MPa，側(cè)向壓力取1.2 MPa。巷道巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

2　埋深對(duì)巷道圍巖應(yīng)力的影響

不同埋深對(duì)應(yīng)的巷道圍巖的應(yīng)力分布見(jiàn)圖1。由圖1可知：淺部埋深條件下，巷道垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力較小，隨著巷道埋深的增加，巷道的原巖應(yīng)力值不斷增大，巷道淺部圍巖的破壞越來(lái)越嚴(yán)重，其承載能力降低導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，且深部圍巖的應(yīng)力集中值越來(lái)越大?？梢?jiàn)埋深對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布的影響較大，巷道埋深較淺時(shí)，巷道底角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著巷道原巖應(yīng)力的增大，巷道底角處的集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移，巷道應(yīng)力集中的范圍也越大。

圖1　不同埋深條件下的巷道垂直、水平應(yīng)力分布

3　原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖位移的影響

不同埋深條件下的巷道圍巖垂直位移場(chǎng)分布如圖2(a)所示，巷道圍巖水平位移場(chǎng)分布如圖2(b)所示，巷道位移量統(tǒng)計(jì)如圖3所示。由圖2可知：①巷道埋深對(duì)巷道圍巖變形量的影響存在臨界點(diǎn)，當(dāng)巷道埋深為500～600 m時(shí)，巷道埋深每增大100 m，其頂板下沉量的平均漲幅為2.71 mm，兩幫移近量的平均漲幅為7.74 mm，底臌量的平均漲幅為6.45 mm；②當(dāng)巷道埋深為700～800 m時(shí)，巷道埋深每增大100 m，其頂板下沉量的平均漲幅為3.92 mm，兩幫移近量的平均漲幅為9.03 mm，底臌量的平均漲幅為6.82 mm；③當(dāng)巷道埋深為700～800 m時(shí)，巷道頂板下沉量、兩幫移近量、底臌量分別比埋深400～600 m時(shí)上漲45%、16%；④當(dāng)巷道埋深超過(guò)600 m 后，圍巖變形的增加量隨地應(yīng)力的增大而增大，且變形速率越來(lái)越快。由圖3可知：①在巷道埋深為500 m時(shí)，巷道表面位移較小，隨原巖應(yīng)力的增加，巷道表面位移增加緩慢，頂板下沉量、底臌量、兩幫移近量均較小；②當(dāng)埋深增大100 m時(shí)，其頂板下沉量的平均漲幅為 3.42 mm，兩幫移近量的平均漲幅為8.51 mm，底臌量的平均漲幅為6.67 mm。

圖2　不同埋深條件下的巷道垂直、水平位移分布

圖3　原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形量的影響■—頂板下沉量；●—兩幫移近量；◆—底鼓量

4　原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)特征的影響

不同埋深條件下對(duì)應(yīng)的巷道圍巖塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖4。不同埋深條件下巷道圍巖破壞深度的變化情況見(jiàn)圖5。由圖4、圖5可知：①巷道底板的破壞深度明顯大于巷道頂板及兩幫，并且三者均隨著圍巖應(yīng)力的增大而增大，塑性圈范圍隨原巖應(yīng)力的增大遠(yuǎn)未有巷道表面位移隨原巖應(yīng)力增加明顯且有逐漸變緩的趨勢(shì)；②原巖應(yīng)力較小時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁俊\部圍巖首先發(fā)生拉伸破壞，隨著巷道圍巖應(yīng)力的增大，巷道的底角開(kāi)始發(fā)生剪切破壞，巷道的塑性區(qū)范圍逐步變得均勻，形成較規(guī)則的圓形塑性圈，而后開(kāi)始向深部發(fā)展，且深部圍巖破壞為剪切破壞；③隨著巷道圍巖應(yīng)力的增加，巷道頂?shù)装宓钠茐姆秶謩e由2.5，3.5 m增加至4，5.0 m，巷道幫部破壞范圍由2.5 m增加至4 m，總體來(lái)說(shuō)，原巖應(yīng)力的增大對(duì)巷道兩幫破壞范圍的影響更為明顯。

圖4　不同埋深條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布

5　結(jié)　論

(1)埋深對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布的影響較大，巷道埋深較淺時(shí)，巷道底角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著巷道原巖應(yīng)力的增大，巷道底角處的集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移，巷道應(yīng)力集中的范圍也越大。

圖5　原巖應(yīng)力對(duì)巷道圍巖破壞深度的影響■—底板；●—頂板；◆—兩幫

(2)隨著地應(yīng)力的增加，圍巖變形增加量隨著地應(yīng)力的增加而增大，且變形的速率也逐步加大，表

明礦井深部的巷道圍巖變形會(huì)相應(yīng)隨著地應(yīng)力的增大而敏感性增強(qiáng)。

(3)原巖應(yīng)力的增大對(duì)巷道兩幫的破壞范圍影響較明顯。

[1]鄭穎人，徐浩，王成，等.隧洞破壞機(jī)理及深淺埋分界標(biāo)準(zhǔn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，44(10)：1851-1856．

[2]王學(xué)濱，潘一山，陶帥.不同尺寸的圓形隧洞剪切應(yīng)變局部化過(guò)程模擬[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2009，20(4)：101-108．

[3]王艷麗，梁禮繪，季春雷.高埋深地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析[J].海河水利，2009(6)：51-57.

2016-06-12)

閆家悅(1989—)，男，助理工程師，046600 山西省長(zhǎng)治市高新區(qū)。