埋深對巷道圍巖穩定性的影響數值模擬

閆家悅

(山西潞安高河能源有限公司)

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埋深對巷道圍巖穩定性的影響數值模擬

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巷道圍巖穩定性的影響，采用CDEM軟件，建立了相同地質條件下的4個不同斷面模型，分析了埋深對巷道圍巖位移、塑性區、應力場分布的影響，揭示了大埋深巷道圍巖的維護特征，供相關研究參考。

埋深圍巖穩定性CDEM軟件

巷道圍巖的穩定性對其開挖過程與安全生產至關重要[1-3]。本研究以山西某礦為例，利用CDEM軟件對不同埋深巷道的圍巖穩定性進行數值模擬分析，探討巷道圍巖穩定性的埋深效應。

1　數值模型構建

依據某礦圍巖力學性質及生產地質條件，構建了二維數值模型。模型采取底端固定的方法，2個側面限制水平運動。為保證原巖應力為單一變量，僅模擬了一種巖性，巷道開挖后均無支護。為分析原巖應力變化對圍巖穩定性的影響，共建立了一個拱形巷道模型，巷道寬4.6 m，高3.5 m，巷道面積13.83 m2，根據埋深分別為500，600，700，800 m分別取原巖應力12.5，15，17.5，20 MPa，側向壓力取1.2 MPa。巷道巖石力學參數見表1。

表1　數值模擬巖石力學參數

2　埋深對巷道圍巖應力的影響

不同埋深對應的巷道圍巖的應力分布見圖1。由圖1可知：淺部埋深條件下，巷道垂直應力和水平應力較小，隨著巷道埋深的增加，巷道的原巖應力值不斷增大，巷道淺部圍巖的破壞越來越嚴重，其承載能力降低導致應力集中區向深部轉移，且深部圍巖的應力集中值越來越大。可見埋深對巷道圍巖應力分布的影響較大，巷道埋深較淺時，巷道底角處出現應力集中，隨著巷道原巖應力的增大，巷道底角處的集中區域向深部轉移，巷道應力集中的范圍也越大。

圖1　不同埋深條件下的巷道垂直、水平應力分布

3　原巖應力對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分布如圖2(a)所示，巷道圍巖水平位移場分布如圖2(b)所示，巷道位移量統計如圖3所示。由圖2可知：①巷道埋深對巷道圍巖變形量的影響存在臨界點，當巷道埋深為500～600 m時，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當巷道埋深為700～800 m時，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當巷道埋深為700～800 m時，巷道頂板下沉量、兩幫移近量、底臌量分別比埋深400～600 m時上漲45%、16%；④當巷道埋深超過600 m 后，圍巖變形的增加量隨地應力的增大而增大，且變形速率越來越快。由圖3可知：①在巷道埋深為500 m時，巷道表面位移較小，隨原巖應力的增加，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當埋深增大100 m時，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　原巖應力對巷道圍巖變形量的影響■—頂板下沉量；●—兩幫移近量；◆—底鼓量

4　原巖應力對巷道圍巖塑性區特征的影響

不同埋深條件下對應的巷道圍巖塑性區分布情況見圖4。不同埋深條件下巷道圍巖破壞深度的變化情況見圖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力的增大而增大，塑性圈范圍隨原巖應力的增大遠未有巷道表面位移隨原巖應力增加明顯且有逐漸變緩的趨勢；②原巖應力較小時，巷道頂底板及兩幫中部、淺部圍巖首先發生拉伸破壞，隨著巷道圍巖應力的增大，巷道的底角開始發生剪切破壞，巷道的塑性區范圍逐步變得均勻，形成較規則的圓形塑性圈，而后開始向深部發展，且深部圍巖破壞為剪切破壞；③隨著巷道圍巖應力的增加，巷道頂底板的破壞范圍分別由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，總體來說，原巖應力的增大對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分布

5　結　論

(1)埋深對巷道圍巖應力分布的影響較大，巷道埋深較淺時，巷道底角處出現應力集中，隨著巷道原巖應力的增大，巷道底角處的集中區域向深部轉移，巷道應力集中的范圍也越大。

圖5　原巖應力對巷道圍巖破壞深度的影響■—底板；●—頂板；◆—兩幫

(2)隨著地應力的增加，圍巖變形增加量隨著地應力的增加而增大，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相應隨著地應力的增大而敏感性增強。

(3)原巖應力的增大對巷道兩幫的破壞范圍影響較明顯。

[1]鄭穎人，徐浩，王成，等.隧洞破壞機理及深淺埋分界標準[J].浙江大學學報：工學版，2010，44(10)：1851-1856．

[2]王學濱，潘一山，陶帥.不同尺寸的圓形隧洞剪切應變局部化過程模擬[J].中國地質災害與防治學報，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 山西省長治市高新區。