深部巷道開挖數值模擬及圍巖變形

王亮　王璐

摘 要：為了揭示深部不同地應力環境下巷道開挖圍巖的變形規律，為深部巷道開挖與支護作指導。采用有限差分軟件建立了深部巷道模型，對不同水平側壓力狀態及開挖進尺深度下巷道開挖過程進行了數值模擬。分析結果表明：巷道拱頂豎向、拱底豎向及中部水平向的變形明顯，變形量最大發生在巷道中部，其水平向位移最大值為20 mm左右。當深部巖體水平側壓力系數為1時，即巖體處于靜水壓力狀態，巷道開挖引起的變形量最大。隨著開挖深度的增大，巷道變形量趨于穩定。

關鍵詞：水平地應力 深部巷道 側壓力系數 圍巖變形 數值模擬

中圖分類號：TD35 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0020-04

地應力是引起采礦和地下工程圍巖和支護變形、破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學屬性的必要條件，也是對圍巖進行穩定性分析和定量計算的前提條件[1-2]。地下工程的開挖實際上是巖體在某一方面的應力得到釋放，從而破壞了原有的力學平衡狀態[3-5]，會引起開挖周圍巖體產生變形或破壞，并最終達到平衡狀態。前人研究表明，開挖角度和側壓力系數這兩個因素對巷道圍巖的穩定性起到至關重要的作用[6]。

隨著對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內外礦山都相繼進入深部資源開采狀態[7]。礦山朝著深部化的方向發展，深部巖體所處的應力環境將更加復雜。該文旨在模擬在深部不同地應力情況下的巷道開挖，對于研究洞室圍巖的破壞機理、應力及變形分布具有重要的理論及現實意義[8]。

1 巷道模型及巖石參數定義

采用有限差分軟件建立了尺寸規格為：X方向80 m，Y方向40 m，Z方向80 m的深部巷道模型，巷道上覆巖體厚度為1 000 m；巷道斷面為圓形，其直徑為4 m。數值模擬計算選用Mohr-Coumomb彈塑性材料模型，需要定義的材料參數包括：密度、體積模量、剪切模量、內聚力、內摩擦角和抗拉強度[9]。相關參數見表1。

2 不同開挖方式下的模擬結果

為了模擬巷道在不同應力狀態及開挖進尺下的巷道變形規律，巷道所處水平側壓力系數分別設定為0.5、0.8、1.0、1.5、2，設計巷道開挖進尺深度分別為2 m、3 m、4 m。在該次數值模擬中設計巷道開挖總深度為24 m。為了監測巷道的變形情況，在距巷道模型端面1 m處的巷道拱頂、拱底和右側中部布置了監測點。表2為不同開挖工況下的巷道變形監測位移結果。從表2中可以看出，巷道拱頂豎向、拱底豎向及中部水平向的變形明顯，變形量最大發生在巷道中部，其水平向位移最大值為20 mm左右。當水平側壓力系數為1.0，即深部巖體處于靜水壓力狀態下時的變形量最大。

3 模擬結果分析

3.1 側壓力系數對巷道變形影響

為了分析水平側壓力系數對巷道圍巖變形的影響，以進尺深度為3 m時為例進行分析。表3為進尺深度為3 m 時不同水平側壓力系數下的巷道變形。

從上圖可以看出，巷道拱頂豎向位移、拱底豎向位移和右側中部水平向位移均隨水平側壓力系數的增大呈先增大后減小的趨勢；當水平側壓力系數為1時，各測點的位移值最大。當水平側壓力系數為0.5時，拱頂豎向位移出現正值，即向著遠離巷道中心的方向變形。

3.2 開挖深度對巷道變形影響

以水平側壓力系數為1，進尺深度為3 m時為例，分析開挖深度對巷道圍巖變形的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著開挖深度的增大，巷道圍巖變形漸趨穩定；巷道拱底和中部變形較大；拱底產生底鼓，變形量為15 mm；巷道中部產生縮徑，變形量約為20 mm。

4 結語

通過建立深部巷道數值模型并模擬不同應力狀態及開挖進尺工況條件下的巷道開挖過程，對不同工況條件下的巷道變形特征進行了監測，并分別分析了應力狀態和開挖深度對巷道變形的影響規律。得出如下結論。

（1）巷道拱頂豎向、拱底豎向及中部水平向的變形明顯，變形量最大發生在巷道中部，其水平向位移最大值為20 mm左右。

（2）當深部巖體水平側壓力系數為1時，即巖體處于靜水壓力狀態，巷道開挖引起的變形量最大。

（3）隨著開挖深度的增大，巷道變形量趨于穩定，巷道拱底和中部變形較大。

參考文獻

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[3] 張曉君，靖洪文.高應力巷道開挖圍巖損傷分析[J].采礦與安全工程學報，2009，26（1）：45-49.

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[9] 姜守俊.采礦巷道圍巖變形機理的初步研究[J].礦業快報， 2008（11）：12-14.