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。結果表明：側向系數相同時，隨巷道埋深逐漸增大，圍巖塑性區范圍及變形量都逐漸增大，但圍巖塑性區在增長過程中存在突增現象，而巷道圍巖變形量基本呈線性增長；當水平應力較大時，巷道圍巖塑性區在垂直方向的發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，巷道圍巖塑性區在水平方向的發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

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構穩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定性的影響，而由構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，造成采場礦壓顯現劇烈，特別是在構造影響強烈的地區，圍巖壓力的增大不僅表現在垂直應力的增加上，更表現在水平應力的增加上，較大的水平構造應力往往大于自重應力[4]。關于水平應力對巷道圍巖穩定性的影響，國內外的研究表明，巷道頂底板破壞的主要因素是水平應力而不是垂直應力[5～7]。許多學者利用相似模擬和數值模擬的方法，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底板及側幫塑性區演化規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演化規律及其變形量進行分析。

2 數值試驗設計

以山東西南部某礦運輸順槽為工程背景，巷道斷面為矩形，根據采礦地質條件，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

對側壓系數相同、埋深不同的巷道進行開挖計算，圍巖塑性區分布如圖1所示。不同深度下巷道圍巖塑性區最大范圍及圍巖變形量最大值如表2所示。根據表2數據得到巷道圍巖塑性區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分布

表2 不同埋深巷道塑性區范圍及圍巖變形量

根據計算結果可知，隨巷道埋深的逐漸增大，圍巖塑性區范圍及變形量都逐漸增大，但塑性區范圍與變形量的增加形式不同。巷道埋深小于1 000m時，圍巖塑性區范圍穩步增長，埋深從1 000m增加到1 100m時，塑性區范圍突然增大，特別是巷道側幫的塑性范圍，其突增程度比頂底板更為明顯，埋深大于1100后，塑性區范圍又趨于穩步增長；與塑性區范圍變化曲線不同，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、底板及側幫塑性區范圍及變形量曲線可以發現，不同巷道埋深下，頂板的塑性區范圍及圍巖變形量比底板、側幫都要大，表明巷道圍巖最難控制的區域為其頂板；此外，巷道底板塑性區范圍要大于側幫，底板與側幫的圍巖變形量則無明顯的差別，變化規律一致。

4 不同側壓次數巷道圍巖變形破壞特征

對側壓系數不同、埋深相同的巷道進行開挖計算，圍巖塑性區分布如圖4所示。不同深度下，巷道圍巖塑性區最大范圍及圍巖變形量最大值如表3所示。根據表1數據，得到巷道圍巖塑性區及變形量最大值的變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖4 不同側壓系數巷道圍壓塑性區分布

表3 不同側壓系數巷道塑性區范圍及圍巖變形量

由表3可知，λ<1時，隨著側壓系數的降低，塑性區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，塑性區分布呈現扁平狀；λ=1時，巷道圍巖處于均壓狀態，圍巖塑性區在巷道四周分布基本均勻，各方向塑性區分布相差不大；λ>1時，隨側壓系數的增大，在垂直方向上，塑性區的范圍呈遞增趨勢，在水平方向上塑性區則成遞減趨勢，但遞減幅度較低，然而巷道圍巖整體的塑性區范圍呈現出明顯的增大趨勢，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

與塑性區的分布規律不同，巷道圍巖變形量隨側壓系數的增加而增加，并且頂板圍巖變形量始終大于底板及側幫圍巖的變形量。

綜合分析可知，側壓系數對巷道圍巖塑性區分布影響規律為：當水平應力較大時,巷道圍巖塑性區在垂直方向的發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的分布范圍，降低巷道頂底板的變形量；當水平應力較小時,巷道圍巖塑性區在水平方向的發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的分布，降低巷道兩幫的變形量。

5 結論

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

2）當水平應力較大時,巷道圍巖塑性區在垂直方向的發育范圍較水平方向的范圍大，塑性區分布呈瘦高型，需加強巷道頂板及底板的支護，降低巷道頂底板圍巖塑性區范圍及變形量；當水平應力較小時,巷道圍巖塑性區在水平方向的發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.深部巷道在構造應力場中穩定性分析[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,等.高水平應力跨采巷道圍巖穩定性模擬研究[J].采礦與安全工程學報,2008，25(4):420-425.

【5】喬衛國,宋偉杰,林登閣,等.深部高應力巷道圍巖力學特征及穩定性控制技術[J].中國礦業,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。