最大水平主應力對巷道圍巖穩定性的影響研究

閆永波　陸　文　張喜濤　王俊峰

(1.西南科技大學環境與資源學院;2.西昌學院工程技術學院)

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最大水平主應力對巷道圍巖穩定性的影響研究

閆永波1陸文1張喜濤1王俊峰2

(1.西南科技大學環境與資源學院;2.西昌學院工程技術學院)

摘要基于金川三礦實測地應力和某分段巷道,采用理論分析，得出了σHv型應力場下巷道的最優布置夾角,針對最大水平主應力與巷道軸線呈不同夾角時的巷道布置，采用FLAC3D數值模擬軟件進行數值模擬,對其應力分布、塑性區分布和圍巖位移進行對比研究。結果表明，在σHv型應力場下，巷道的最優布置方式是與最大水平主應力成某一角度;當夾角達到一定程度時,巷道頂底板會出現大小相當的環向應力;引起巷道底板變形破壞的重要原因是水平應力。

關鍵詞最大水平主應力數值模擬圍巖位移

地下工程的穩定性取決于圍巖性質、原巖應力場的分布、工程斷面形狀、以及工程支護方式等因素。地應力是引起地下工程圍巖變形和破壞的主要因素,其大小和方向直接關系著地下工程圍巖的穩定與否[1-4]。相關資料[5-6]顯示,巖層中的水平應力在多數情況下大于垂直應力,且具有明顯的方向性，巷道底鼓、頂板沉降和兩幫內擠與其密切相關。鄭書兵[7]、張延新等人[8]的研究也都說明了巷道的正確布置有利于其穩定。

在實際施工過程中，巷道布置常常難以與原巖應力場相適應，一是巷道的布置決定于礦床開拓方式與開采方法,難以保證巷道的走向與最大主應力方向始終一致或垂直；二是原巖在漫長的地質年代中經歷多次地質構造運動,原巖應力是自重應力與歷次構造運動產生的殘余應力疊加的結果,最大主應力的大小和方向是變化的。因此,原巖最大主應力的方向與巷道走向(軸線方向)的夾角對于巷道圍巖穩定的影響,便成了重要的研究課題。本文基于金川集團地下礦山實測原巖應力,通過理論分析和對某分段巷道進行數值模擬,探索巷道軸線與最大水平主應力的夾角對巷道穩定性的影響。

1巷道的最優布置理論分析

原巖應力實測結果表明：金川集團三礦區地下巖層的水平應力一般大于垂直應力,且水平應力具有明顯的方向性;最大水平主應力與最小水平主應力的比值為1.5～2.5。

巷道頂底板的穩定性與水平應力之間有以下特點：①當巷道軸線與最大水平主應力平行時,頂底板穩定性最好;②巷道軸線與最大水平主應力相交時,其頂板變形破壞偏向巷道某一幫;③巷道軸線與最大水平主應力垂直時,頂底板穩定性最差。根據彈性力學的孔口理論,巷道截面尺寸要與原巖的正應力大小相適應,最好實現等應力軸比。金川公司地下礦山采場分段巷道為直墻拱形,寬度與高度均為5.0 m左右,因此巷道最優布置應該使原巖水平正應力與垂直主應力的比值等于1,即σn/σv=1。

按照最大水平主應力σH、最小水平主應力σh和垂直主應力σv三者數值的大小關系,將巖層中的地應力場分成3種形式,即σH型,σH>σh>σv;σHv型,σH>σv>σh;σv型,σv>σH>σh。張重遠[9]等人在金川三礦區的地應力測量成果表明,三礦區最大水平主應力約是最小水平主應力的2倍,最大水平主應力σH=14.7 MPa,最小水平主應力σh=7.2 MPa,平均垂直主應力σv=11.9 MPa,σH>σv>σh，屬于σHv型，可以滿足σn/σv=1。任意平面上的法向應力與最小和最大水平主應力之間的表達式為

(1)

式中,α為巷道軸線與最大水平主應力方向的夾角，(°)。

將σn/σv=1代入式(1),可解得巷道布置的最優夾角：

(2)

將測量的地應力結果代入式(2),解得金川集團三礦區巷道的最優布置夾角為53°。

為進一步尋找巷道布置的最優夾角與原巖地應力場之間的關系,現設垂直主應力為12 MPa,通過式(2)，可計算出在不同的應力場狀態下時，巷道在巖層中布置的最優夾角,結果見表1。

表1　不同應力狀態時巷道布置最優夾角(σv =12 MPa)

當最大水平主應力固定不變時,巷道布置的最優夾角隨著最小水平應力的減小而增大,即巷道布置的最優夾角偏離最大水平主應力方向。

2數值模擬及結果分析

2.1數值模型建立與模擬方案

以金川集團三礦某分段巷道為模擬對象,運用美國Itasca公司開發的三維有限差分FLAC3D軟件進行數值模擬。巷道斷面形狀為直墻拱形,巷道尺寸(寬×高)為5.0 m×4.6 m。根據彈性力學孔口理論,地下巷道開挖引起巖體中應力重分布的范圍為4倍的開挖跨度和高度。因此綜合考慮巷道穩定性的各種影響因素[10],以巷道拱圓心為原點,確定所建立的計算模型尺寸(寬×長×高)為50 m×30 m×50 m,共劃分59 520個單元,62 031個節點。模型采用Mohr-coulomb破壞準則,考慮到巷道埋深遠遠大于20倍巷道半徑,故采用應力邊界控制,忽略所建模型內巖體自重。

為了模擬最大水平主應力與巷道軸線不同夾角(0°～90°)下巷道圍巖的應力分布和變形破壞規律,每隔10°建立一組模型,共10組模型。

2.2數值模擬參數選擇

根據張重遠等人的地應力測量成果,金川三礦數值模擬應力場參數選取為最大水平主應力為14.7 MPa,最小水平主應力為7.2 MPa,垂直主應力為11.9 MPa。根據實驗室所做試驗和前人的模擬經驗選擇巖石力學參數,見表2。

表2　巖石力學參數

2.3模擬結果分析

圓形巷道軸對稱問題的線彈性解析表明,巷道周邊將產生環向應力的最大值和徑向應力的最小值。直墻拱形巷道與圓形巷道在形狀上存在一定的差距,但在彈塑性條件下，直墻拱形巷道圍巖的水平應力和垂直應力的數值解與圓形巷道的解析解有一定類似之處,因此在分析應力時可將頂底板圍巖中水平應力以及幫部圍巖中垂直應力近似看作環向應力;頂底圍巖中垂直應力和幫部圍巖中水平應力可近似看作徑向應力。

2.3.1圍巖應力分析

在不同角度下巷道布置的數值模擬結果見圖1～圖3。

圖1　不同夾角下圍巖水平應力的分布

圖2　不同夾角下圍巖垂直主應力的分布

圖3　不同夾角下巷道圍巖應力集中系數

(1)由圖1可得，隨著最大水平主應力與巷道軸線夾角的增大,0°～60°底板產生的環向拉應力數值不斷減小,受拉區域也持續減小,由連續受拉變為部分受拉,并且在底板呈類似于反拱形，由于拉伸作用使得巷道圍巖整體性能降低,在巷道底板產生徑向裂隙,造成底鼓破壞；70°～90°底板所受的環向應力逐漸變大,在90°時環向拉應力具有最大值(0.25 MPa)；幫部只在最大水平主應力與巷道軸線平行和垂直時產生徑向拉應力,數值分別為0.026 MPa和0.02 MPa；在整個數值模擬過程中頂板沒有產生環向拉應力,一直處于受壓狀態。

(2)分析圖2可看出,在整個數值模擬過程中兩幫沒有產生環向拉應力,頂板也沒有產生徑向拉應力;底板一直受到徑向拉應力作用,這是因為頂板為拱形,有利于降低應力集中,底板為直長邊,容易產生較大的應力集中。隨著最大水平主應力與巷道軸線夾角的逐漸增大,拉應力先減小后增大,在50°時最小,為0.011 MPa,0°和90°時分別為 0.043和0.042 MPa。

(3)由圖3可以看出，頂底板環向應力集中系數隨著最大水平主應力與巷道軸線夾角的增大而持續減小。當夾角為50°時,應力集中系數為1.06,隨夾角的繼續增大到70°時，應力集中系數急劇上升到1.59,在此之后較為穩定,沒有出現大幅度增加；兩幫環向應力集中系數總體上呈先減小后小幅上升的趨勢,在60°時達到最小值為1.34,但垂直時的應力集中系數值小于平行時的應力集中系數值。

綜合來看,在σHv型應力場下,巷道圍巖的穩定性隨著夾角(0°～90°)的改變呈現出復雜的變化；0°～50°時,最小水平主應力對頂底板的環向應力和兩幫的徑向應力起決定性作用,這時頂底板所受的環向集中應力隨著夾角的增大,其影響作用逐漸減小,巷道圍巖的穩定性較小夾角時得到了提高；50°～90°時,最大水平主應力在巷道圍巖的穩定性中開始逐漸占據主導地位,此時頂底板受到的環向集中應力隨著最大水平主應力與巷道軸線夾角的增大開始增大,頂底板的塑性區也隨著增大。

2.3.2塑性區

當最大水平主應力與巷道軸線夾角為0°～90°時,塑性區會出現以下幾種特征：0°～20°時，幫部的塑性區大于頂底部塑性區,但總體巷道周邊塑性區沒有出現大的變化;30°～60°時，隨著夾角的增加，幫部塑性區呈增大趨勢,頂底部塑性區逐漸變小;70°～90°時，幫部以及頂底部塑性區變化情況恰好與30°～60°相反,但底板塑性區要大于頂板塑性區。

2.3.3巷道圍巖位移

在巷道頂、底板和兩幫中點布置監測點,以確定巷道圍巖在最大水平主應力與巷道軸線不同夾角下的收斂量變化情況,根據監測結果繪出圍巖收斂量與不同夾角的關系曲線,見圖4。

圖4　圍巖收斂量與不同夾角的關系

整體分析來看, 幫部和頂底板的圍巖收斂量隨著夾角的增加呈先減小后增大的趨勢。當0°～10°時,圍巖收斂量變化并不明顯;當10°～50°時,巷道周邊圍巖收斂量持續減小,但幫部收斂量變化速率比頂底板的收斂量變化速率大,這主要是因為原巖水平主應力值逐漸趨近于垂直主應力值,巷道圍巖穩定性比其他夾角下的穩定性好，在夾角為50°時巷道圍巖收斂量最小,兩幫收斂量為6.07 cm,頂底板收斂量為28.55 cm；隨著夾角的繼續增大,巷道周邊圍巖收斂量急劇增大，當達到70°～90°時,巷道收斂量增幅減緩,到90°時兩幫和頂底板的收斂量分別為43.82，52.86 cm。

從以上分析可知,金川三礦巷道最優布置方式應該是最大水平主應力與巷道軸線成50°附近,這和理論分析的53°最優布置夾角一致。頂底板的收斂變形較兩幫嚴重,在后期建設過程中應加強頂底板支護。

3結論

(1)在σHv型應力場中,巷道的最優布置夾角并不是巷道軸線與最大水平主應力成0°,而是由最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力三者的大小決定。在本次計算模型中,當巷道軸線與最大水平主應力成53°時,圍巖的穩定性最好。

(2)在σHv型應力場中,當夾角小于巷道布置最優夾角時,最小水平主應力對頂底板的環向應力分布起決定性作用；當夾角大于巷道布置最優夾角時,對頂底板環向應力分布起決定性作用的則為最大水平主應力，且頂底板會出現大小相當的環向應力集中,造成巷道底鼓和頂板沉降。

(3)金川公司三礦巷道的變形與破壞主要表現為底鼓與頂板沉降,因此應注重加強巷道頂底板支護。

參考文獻

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[10]謝文兵,陳曉祥,鄭百生.采礦工程問題數值模擬研究與分析[M].徐州:中國礦業大學出版社,2005.

(收稿日期2015-11-01)

Influence of the Maximum Horizontal Principal Stress to the Stability of the Roadway Surrounding Rock

Yan Yongbo1Lu Wen1Zhang Xitao1Wang Junfeng2

(1.School of Environment and Resource, Southwest University of Science & Technology;2.School of Engineering Science,Xichang College)

AbstractBased on the actual measured ground stress of Jinchuan third Mine and a segment roadway,by theoretical analysis method, the optimal placement angle of roadway under the σHv-type stress filed is obtained. Based on FLAC3Dsimulation software,the roadway arrangement is simulated under the condition of the difference angle of maximum horizontal principal stress and roadway axis, besides that,the stress distribution, plastic zone distribution and surrounding rock displacement are conducted contrast analysis. The result show that in the σHvtype stress field, the optimal arrangement of the roadway is forming a certain angle with the maximum horizontal stress; when the angle reaches a certain level,the roof and floor of the roadway will appear the hoop stress, the horizontal stress is the main factor that cause the deformation and destruction of the roadway floor.

KeywordsMaximum horizontal principal stress, Numerical simulation, Surrounding rock displacement

閆永波(1990—),男,碩士研究生,621010 四川省綿陽市涪城區青龍大道中段59號。