高地應力巷道卸壓控制技術ABAQUS模擬

劉 斌 侯大德 孫國權

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

高地應力巷道卸壓控制技術ABAQUS模擬

劉 斌1,2，3侯大德1,2，3孫國權1,2，3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

高地應力軟巖巷道地應力比較大，如果采用常規的支護技術無法滿足巷道支護的要求，會造成巷道多次返修以及相應的安全隱患?；诖笮陀邢拊狝BAQUS軟件，建立高地應力卸壓巷道控制技術有限元分析模型，應用Drucker-Prager巖體模型，分別分析了卸壓巷道在不同位置、不同開挖順序、不同相對距離等條件下保護巷道圍巖體的應力應變。分析結果表明：布置了卸壓巷道能明顯改善高地應力巷道周圍的應力集中，有利于巷道整體結構的穩定性。得出結論：①先開掘卸壓巷道再開掘主巷道；②距離主巷道4 m左右支護效果最佳；③需要針對不同的來壓方向選擇卸壓巷道相對位置等。模擬結果可為同類高地應力巷道支護設計提供一定參考作用。

地下礦山 高地應力 ABAQUS 卸壓巷道

伴隨著我國經濟高速的發展，礦產資源在近20 a進行了高強度持續不斷的開采，淺、中部條件優良的礦產資源越來越少，采礦活動越來越集中于巖體深部高地應力、松軟破碎圍巖等地質條件惡劣的資源。當開采深達到700 m以上，即可視為礦山深部開采[1]。

深部高地應力軟巖巷道因其地應力大，對于服務年限比較長的運輸主巷，巷道斷面要滿足變形可控、底鼓量小等要求，如果運用常規的錨噴網和錨網索支護技術，不僅短期內圍巖圍巖變形控制效果不明顯，而且圍巖在長期的流變過程中更易于破壞，更有甚者巷道需要多次返修，從而影響整個礦井的正常生產。

主動支護理論的觀點是：巷道周圍巖體既是施載體，同時又是受載體，巷道支護的目的是最大程度地調動圍巖體的自我支撐作用，這就是主動支護理論的關鍵點?；诖死碚?，主動支護需要從下列2方面著手:

(1)加固巷道周圍圍巖體，以提高圍巖體的整體性，即采用加強支護法，此方法的典型代表為錨注支護技術等。

(2)控制巷道圍巖周邊應力場的分布情況，避免在巷道圍巖內出現應力集中，即采用應力控制法，此類方法的典型代表為卸壓控制技術[2]。

卸壓控制技術的基本理論是：在巷道掘進前期以及相應的服務期限內，采用主動卸壓措施，通過將圍巖體的應力集中進行有目的性的釋放，使得巷道周圍巖體中所形成的應力峰值向深部巖體轉移，最終目的是使得受保護巷道處于應力降低區內，提高受保護巷道的穩定性[3]。目前實際中常用的卸壓方法有：①在巷道周圍巖體中切縫開槽、放振動炮松動圍巖體；②在受保護巷道周圍巖體中開掘卸壓巷道;③在開采順序上進行優化選擇，將巷道布置在圍巖應力降低區內[4]。

開掘卸壓巷道是在被保護巷道的地應力來壓方向上開鑿出卸壓巷道，目的是分流以及截留地應力，主要有水平方向卸壓和垂直方向卸壓2種：①垂直方向卸壓是將豎直方向的應力轉移到深部圍巖中，以期形成垂直方向的應力降低區域；②水平卸壓可阻隔水平應力，形成水平方向的應力降低區[5]。

在以往的研究中，主要采用單一的力學分析或者工程經驗類比法來布置卸壓巷道以及確定巷道的結構參數，并沒有考慮到卸壓巷道在開挖時間、開挖順序、巷道位置不同條件下對于圍巖體應力分布特征及規律的影響。本研究運用大型有限元軟件ABAQUS對卸壓巷道的卸壓過程進行相應的數值模擬，分析不同開挖順序、巷道位置對于卸壓巷道卸壓效果的影響。期望可以為同類高地應力軟巖巷道卸壓控制技術提供參考。

1 ABAQUS軟件及D-P模型

1.1 ABAQUS軟件簡介

ABAQUS軟件是法國達索 SIMULIA 公司(原 ABAQUS 公司)開發的一套功能強大，應用廣泛的模擬分析軟件。其分析功能不僅在工程領域而且在學術領域都享有非常高的盛譽，被譽為有限元軟件中的貴族。在巖石力學領域，ABAQUS也有很好的適用性。本研究通過運用ABAQUS模型庫中的Drucker-Prager模型來模擬高應力軟巖巷道的圍巖應力變化情況，通過使用軟件自帶的ABAQUS生死單元法功能，來模擬開挖卸壓巷道對于受保護巷道的顯著應力應變優化設計[6]。

1.2 Drucker-Prager屈服模型

針對工程圍巖體的特點，本研究選擇適宜巖石材料的Dracker-Prager 屈服準則模型。該屈服面不隨材料的屈服而改變，同時該模型還考慮了受剪應力易于發生體積膨脹，故該模型適用于巖石、土壤等材料。Drucker-Prager 模型如下所示:

(1)

式中，I1為平均應力第一不變量；J2為應力偏張量第二不變量；α、k為相應的材料參數。

內摩擦角

(2)

黏聚力

(3)

斜率

(4)

破壞應力

(5)

由巖石力學實驗得到單軸受拉屈服應力σ1和單軸受壓屈服應力σe，再通過式(4)、式(5)即可求出β、σy。膨脹角為φ1，該參數表明巖體材料體積膨脹的程度。當巖石體受剪時，易出現體積膨脹。膨脹角φ1=0，說明巖體不會發生體積膨脹；如果φ1≠0，材料結構體會發生嚴重的體積膨脹。故為了穩妥起見，采用φ1=0[7]。

1.3 地應力平衡技術

由于軟件CAE界面無法得出初始地應力平衡命令，故需要在開始求解前進行初始地應力平衡計算，本研究采用ABAQUS初始地應力提取平衡法。

(1) 地應力平衡條件。模型應力場所形成的等效節點荷載需要同外圍的荷載相平衡，因此如果第一步的應力平衡滿足不了條件，就難以得到初始位移為零的狀態，此時所對應的應力場將不是所施加荷載的初始應力場。

(2) 屈服條件。通過定義在高斯點上的應力狀態來直接施加初始應力場，將會發生個別高斯點的應力在屈服面之外的情況。屈服面之外的應力雖然會在后續的計算中通過應力轉移調整回來，但這也是不符合實際情況的。如果出現大面積的高斯點上的應力超過了屈服面的情況，則應力轉移要經過大量的迭代運算才能完成，而且很可能在計算中出現運算解不收斂。

本研究采用初始應力提取法為：

(1)將初始邊界條件施加到模型上進行初始應力分析。

(2)將計算得到的每個單元的應力外插到形心點處，并以inp文件格式導出S11、S22、S33，S12、S13、S23這6個應力分量。

此方法可適用于不同材料、不規則的地形，故適用性最強。本研究即采用此種方法[8]。

2 模擬結果與討論

2.1 巷道周圍地質情況

要進行數值模擬，需要知道針對工程的圍巖地質參數，圍巖地質參數的準確性關系到數值模擬計算結果的可靠性，本次計算根據上述實測的原巖應力實測值、強度折減后的巖體力學參數值進行相應模型的初始應力場的加載。具體應力參數見表1。

表1 原巖體力學參數Table 1 The mechanics parameters of primary rock mass

2.2 計算模型

根據實際工程條件，采用二維彈塑性模型作為計算模型。采用Dracker-Prager 準則的塑性屈服條件。ABAQUS數值模型寬80 m，高150 m。受保護巷道為三心拱形，寬4 m，凈高3 m。卸壓巷道采用圓形巷道，直徑為2 m。由相應計算可知，在模型頂部施加0.4 MPa的均布壓強，用以模擬上覆巖層重力作用的初始條件。生成的模型圖見圖1(由 1 689個網格組成)，運用初始應力提取法進行了初始地應力平衡，地應力平衡后的云圖見圖2。對于巷道四周的圍巖應力及變形采用ABAQUS獨有的路徑提取法得到，見圖3[9]。

圖1 二維模型Fig.1 Two-dimensional model

圖3中，開始點在左下角沿著巷道逆時針提取巷道1周的應力應變值，具體如下：

圖2 初始地應力平衡云圖Fig.2 Initial ground stress balance cloud

圖3 路徑示意Fig.3 Path diagram

(1)路徑距離0～4 m為巷道底板。

(2)路徑距離4～7 m為右幫。

(3)路徑距離7～13 m為巷道頂板。

(4)路徑距離13～16 m為巷道左幫。

2.3 開挖順序的模擬分析

2.3.1 不同開挖順序的影響

首先進行開挖順序對巷道卸壓效果影響的對比實驗。方案1為先開挖卸壓巷道，后開挖保護巷道；方案2為先開挖保護巷道，后開挖卸壓巷道。2種不同工序所產生的最大主應力S及豎直方向最大位移U見表2。

從表2中可以得出：不同的開挖順序對于保護巷道的最終應力分布影響相同。但考慮受保護巷道支護的需要，故在工程中采用的工序是先開掘卸壓巷道，當四周應力釋放穩定后再開掘保護大巷，此時掘進相對容易，而且初期支護所遇到的地應力會減小一些，有利于初期支護的實現。

2.3.2 卸壓巷道對受保護巷道圍巖應力分布情況的影響

本次模擬采用先開掘主巷道，再開掘卸壓巷道的順序，通過巷道圍巖體應力應變變化規律，分析卸壓巷道對巷道圍巖應力應變的卸壓優化作用。未開挖

表2 不同開挖順序對最大主應力S和豎直位移U的影響Table 2 Effects of excavation sequenceon the maximum principal stress Sand the vertical displacement U

卸壓巷道時對應的應力和位移云圖見圖4、圖5。

圖4 未開挖卸壓巷道最大主應力Fig.4 Maximum principal stress for no excavation roadway

圖5 未開挖卸壓巷道最大豎直方向位移Fig.5 Maximum vertical displacementfor no excavation roadway

圖4、圖5顯示：

(1)只開挖大巷，最大壓應力出現在底板處，為0.32 MPa，此應力易于形成巷道底板的底鼓，故圖5中顯示底板最大位移達到4.5 mm。

(2)巷道圍巖最大拉應力出現在兩幫及頂板處，且頂板最大位移為3.4 mm，此時易于形成頂板冒落以及兩幫的垮塌，對于巷道整體穩定性造成非常大的危害。

圖6、圖7是在頂板上方4 m處開挖卸壓巷道后巷道圍巖的最大主應力及最大位移云圖。

圖6 上方4 m處開挖卸壓巷道最大主應力Fig.6 Maximum principal stress forexcavation roadway above 4 m

圖7 上方4 m開挖卸壓巷道最大豎直方向位移Fig.7 Maximum vertical displacementfor excavation roadway above 4m

由圖6可知：

(1)底板最大壓應力降低為0.298 MPa，降幅顯著，同時頂板及兩幫的拉應力也相應降低；更重要的是，卸壓巷道通過分壓使得巷道圍巖體中的應力向巖體深部轉移，尤其頂板的拉應力向卸壓巷道方向轉移，大大降低了巷道頂板冒落的速度和位移。這證明卸壓巷道對于圍巖支護具有重要的卸壓效果。

(2)對于頂板圍巖條件差，容易形成頂板冒頂的圍巖條件，在頂板處掘進卸壓巷道，使得巖體應力重新分布，高拉應力進一步向深處轉移，使得巷道處于應力降低區內。

未開挖卸壓巷道和在頂板上方4 m處開挖卸壓巷道兩種情況下的巷道圍巖最大主應力及豎直方向最大位移變化趨勢見圖8、圖9。

由圖8、圖9可知：

(1)在高地應力條件下，開掘了卸壓巷道后，巷道四周圍巖的最大主應力以及豎直方向位移均大幅度減小。

(2)由圖8可知，最大主應力減小范圍集中在提取路徑距離為7～13 m處，此范圍是巷道頂板的位置，可知在巷道上方開掘卸壓巷道能卸壓上方的高地應力。

圖8 有無卸壓巷道最大主應力Fig.8 Maximum principal stress with orwithout pressure-relief roadway■—無卸壓巷道；●—有卸壓巷道

圖9 有無卸壓巷道豎直方向最大位移Fig.9 Maximum vertical displacement withor without pressure-relief roadway■—無卸壓巷道；●—有卸壓巷道

(3)由圖9可知，最大位移的減小范圍相應地也出現在頂板處，證明頂板向下的冒落距離有了一定程度的減小。

上述對比試驗充分證明：開挖卸壓巷道對于巷道圍巖具有顯著的卸壓作用，能明顯減小圍巖體中應力集中以及巷道移動，顯示出復雜高地應力巷道卸壓巷道控制支護技術的可行性。

2.4 卸壓巷道位置對于巷道控制技術的影響

分別模擬在保護巷道下方4 m、右方4 m開挖卸壓巷道時的巷道圍巖最大主應力以及豎直方向最大位移，結果見圖10、圖11。

圖10 下方4 m處開挖卸壓巷道最大主應力Fig.10 Maximum principal stress forexcavation roadway below 4 m

(1)由圖10知，對于底板圍巖軟弱，易于形成底

圖11 右方4 m處開挖卸壓巷道最大主應力Fig.11 Maximum vertical displacement forexcavation roadway at right 4 m

鼓的巷道，在下方掘進卸壓巷道，可控制底板處的圍巖位移及應力。

(2)由圖11知，對于水平側壓比較大的深井巷道，在水平側壓比較大的方向掘進卸壓巷道，可使得該方向的側應力得以釋放，進而使得巷道不至于向該側跨落。

2.5 卸壓巷道距離不同對于卸壓效果的影響

假設卸壓巷道位于主巷道的上方，分別模擬相距4、6、8 m時巷道圍巖體的最大主應力分布以及最大豎直方向位移。選取最小距4 m是因為根據資料，工程中一般臨近巷道開挖的最小相隔距離為3 m，如果相鄰巷道距離過小易于引起兩巷道的相互貫通，引起其他安全事故。模擬結果如圖12、圖13所示。

圖12 卸壓巷道距離不同最大主應力Fig.12 Maximum principal stress for differentdistant of pressure-relief roadway■—4 m;●—6 m;▲—8 m

可知，相距4 m時，卸壓效果最明顯，不論是最大主應力還是最大位移均達到最小，同時可以進一步證明前面結論，在頂板上開挖卸壓巷道能明顯改善頂板的冒落，以及減小頂板的拉應力。

由于破碎區裂隙發育使承壓能力大大降低，增強了圍巖對應力的敏感程度。由此可知，卸壓巷道與工程巷道之間需選擇一定距離，才能實現卸壓巷道的卸壓效果和保護工程巷道的穩定。現場試驗認為，卸壓巷道對保護巷道合理的開挖距離在4 m左右。

圖13 卸壓巷道距離不同最大豎直方向位移Fig.13 Maximum vertical displacement fordifferent distant of pressure-relief roadway■—4 m;●—6 m;▲—8 m

2.6 小 結

(1)卸壓巷道與主巷道的開挖次序對于卸壓影響不太明顯，但為了工序簡單，推薦先開挖卸壓巷道，再開挖主巷道。

(2)比較有無卸壓巷道圍巖應力應變分布，可看出開挖卸壓巷道對高地應力巷道圍巖支護優化作用顯著。

(3)通過模擬在不同位置開掘卸壓巷道，可知頂板卸壓巷道能減小頂板的冒落，底板卸壓巷道能減小巷道的底鼓，兩幫的卸壓巷道能減弱側壓的影響。

(4)分別比較卸壓巷道距離保護巷道不同距離的卸壓效果，可知卸壓巷道位于保護巷道4 m左右范圍內泄壓效果最明顯。

卸壓巷道不僅在支護方面作用顯著，在深孔爆破，無底柱崩落法優化設計以及高瓦斯礦井的瓦斯治理方面也有顯著作用，故卸壓巷道方面的研究必然會形成新的研究領域[10]。

3 結 論

(1)通過使用大型有限元軟件ABAQUS,運用巖土材料的Dracker-Prager 屈服準則，得出卸壓巷道最有利距離以及不同位置對于泄壓效果的影響。

(2)合理地布置卸壓巷道位置可有效降低巷道圍巖體的應力，形成相應的應力降低區，在高地應力條件下，是實現主動支護的新途徑。

(3)不足之處是沒有考慮時間的蠕變性，未進行卸壓巷道持久性穩定性監測，以及缺乏具體應用礦山實例，希望在今后的工程中能運用此種方法來控制高地應力巷道穩定性。

[1] 李俊平,連民杰.礦山巖石力學[M].北京:冶金工業出版社，2013. Li Junping ，Lian Minjie.Rock Mechanics of Mine[M].Beijing：Metalluergical Indurstry Press,2013.

[2] 王御宇，李學鋒，李向東.深部高應力區卸壓開采研究[J].礦冶工程，2005，25：3-7. Wang Yuyu，Li Xuefeng,Li Xiangdong.Study on stress-relief measures in high-stress zone of deep deposit[J].Mining and Metallurgical Engineering,2005,25:3-7.

[3] 李學鋒.深井金屬礦山卸壓開采研究[D].南寧:廣西大學，2010. Li Xuefeng.Research on Unloading Mining of Deep Metal Mine[D].Nanning:Guangxi University，2010.

[4] 魯 巖，鄒喜正，劉長友，等.巷旁開掘卸壓巷技術研究與應用[J].采礦與安全工程學報，2006，23(3)：300-332. Lu Yan,Zou Xizheng,Liu Changyou，et al.Technology of digging stress-relax entry by the roadside and its application[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(3):330-332.

[5] 王文杰.高應力區巷道卸壓支護技術及應用[J].金屬礦山，2010(3) ：23-26. Wang Wenjie.Depressurized support method and application in the development working of high stress area[J].Metal Mine,2010(3):23-26.

[6] 費 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010. Fei Kang,Zhang Jianwei.Abaqus Application in Geotechnical Engineering[M].Beijing:China Water Power Press,2010.

[7] 劉仲秋,章 青，束加慶.ABAQUS 軟件在巖體力學參數和初始地應場反演中的應用[J].水力發電，2008，34(6) ：35-37. Liu Zhongqiu,Zhang Qing,Su Jiaqing，Application of ABAQUS software to the back analysis of rock mechanical param-etersand initial earth stress field[J].Hydroelectric Power,2008,34(6):35-37.

[8] 王金昌，陳頁開.ABAQUS 在土木工程中的應用[M].杭州：浙江大學出版社，2006. Wang Jinchang,Chen Yekai，Application of ABAQUS in Civil Engineering[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2006.

[9] 莊 茁，章 青.ABAQUS 非線性有限元分析與實例[M].北京:科學出版社，2005. Zhuang Zhuo,Zhang Qing.ABAQUS Nonlinear Finite Element Analysis and Instance[M].Beijing:Science Press.2006.

[10] 高明仕，竇林名，張 農，等.沖擊礦壓巷道圍巖控制的強弱強力學模型及其應用分析[J].巖土力學，2008，29:359-364. Gao Mingshi,Dou Linming,Zhang Nong,et al.Strong-soft-strong mechanical model for controlling roadway surrounding rock subjected to rock burst and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29:359-364.

(責任編輯 徐志宏)

Because of the large geo-stress of soft rock roadway with high stress，the conventional support technology can not meet requirement of roadway support，resulting in many times of tunnel maintenance and the corresponding security risks.Based on ABAQUS software，the finite element analysis model for high stress relief roadway control technology is established.Drucker-Prager model of rock is adopted to analyze respectively the stress and strain in protecting roadway surrounding rocks of pressure-relief tunnel in different location，different excavating sequences and different relative distances.The results show that the pressure-relief roadways can significantly improve the stress concentration around the roadway with high stress，which is conducive to keep the stability of roadway structure.The conclusion is：1) pressure relief tunnel is firstly excavated，followed by the main tunnel，2) the optimal supporting locates at 4m from the main tunnel，and 3) different relative position of pressure-relief tunnel is selected for different direction of pressure arrival.The simulation results provide a reference for the design of similar high-stress roadway.

Underground mining，High stress，ABAQUS，Pressure-relief roadway

2015-08-24

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

劉 斌(1990—)，男，碩士研究生。

TD862

A

1001-1250(2015)-11-045-06

ABAQUS Simulation of Pressure Relief Control Technology for High-stress Roadway

Liu Bin1,2，3Hou Dade1,2，3Sun Guoquan1,2，3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China；3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientCyclicandUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)