巷道不同開挖角度下地應力分布演化規律探究

韓忠 張紀云 李東辰 童榮 高帥杰 趙玉龍

摘要： 為探究巷道不同開挖角度下地應力的分布演化規律，本文以某煤礦回風巷為背景，采用理論分析、現場實測與FLAC3D數值模擬相結合的手段探究巷道不同角度開挖條件下地應力分布演化規律。研究結果表明，最大水平應力對巷道的影響主要與巷道的夾角大小有一定關系。

Abstract： In order to explore the distribution and evolution rule of crustal stress under different excavation angles， based on the background of a coal mine's return roadway， the evolution law of crustal stress under different excavation conditions is explored by means of theoretical analysis， field measurement and FLAC3D numerical simulation. The results show that the influence of the maximum horizontal stress on the roadway is mainly related to the angle of the roadway.

關鍵詞： 垂直應力；最大水平應力；數值模擬；演化規律

Key words： vertical stress；maximum horizontal stress；numerical simulation；evolution law

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0153-03

0 引言

隨著社會對煤炭一次性資源的需求不斷增大，煤礦開采的深度呈遞增趨勢，深部礦井的開采勢必會造成巷道應力的增加[1]，影響巷道的支護方式和圍巖穩定性，有突出危險性的煤、巖巷更要應著重考慮圍巖應力的增大對突出的影響[2]。因此，開展巷道地應力實測及分布變化演化規律研究，對選擇巷道支護設計、選擇具有重要意義[3]。本論文結合某礦回風巷實際地質地貌進行了地應力測試。

1 工程概況

該礦隸屬于冀中能源集團，根據該礦現有開拓水平的采掘和地質條件，決定在回風巷2#鉆場附近運用應力解除法進行地應力測量工作，編號分別為TY-1和TY-2。TY-1測點位于回風巷內，北距2#鉆場50m，在巷道左幫開孔。地應力傳感器安裝在頂板粉砂巖內，鉆孔以仰角18°，方位角110°施工，導孔的直徑為113mm，鉆進長度為10.80m，地應力傳感器安裝孔直徑38mm，長度為0.47m，應力傳感器安裝深度11.05m。TY-2測點位于回風巷2#鉆場內，在巷道左幫2#鉆場內開孔。地應力傳感器安裝在頂板粉砂巖內，鉆孔以仰角19°，方位角115°施工，導孔的直徑為113mm，鉆進長度為11.10m，地應力傳感器安裝孔直徑38mm，長度為0.47m，應力傳感器安裝深度11.35m。

2 地應力測量結果及分析

2.1 TY-1地應力測量結果

TY-1測點應力解除曲線圖顯示，應力計的12個應變片工作正常，因此可通過應變片的多種不同組合來相互驗證計算結果，從而可獲得最可靠的測量結果。應力解除過程中，取芯鉆桿每前進2cm采集一次，每孔采集20～25次。從應變變化曲線判斷各個應變片（每個通道代表一個應變片）的工作情況。應變片工作正常時最終各條曲線都將趨于平穩，可作為計算地應力的數據。進行套心應力解除后，對取出的巖心在實驗室進行巖石力學測試，測試巖石的彈性模量和泊松比參數，并結合應力解除數據計算地應力結果見表1。

2.2 TY-2地應力測量結果

TY-2測點應力解除曲線圖可以看出，在應力解除初期，應變片未受應力解除影響，其應變值未有變化。當應力解除達到30cm后，巖體應力受巖心筒擾動影響，開始發生應力釋放，當應力解除達到45cm后，巖體應力基本結束，各應變片應變值未有劇烈變化發生。

在應力解除過程中，7#和10#應變片與由于其他原因出現數據采集不連續、沒有數據等現象，故計算時將其兩組數據舍去。進行套心應力解除后，對取出的巖心在實驗室進行巖石力學測試，測試巖石的彈性模量和泊松比參數，并結合應力解除數據計算地應力結果。計算結果見表2。

3 Flac3D數值模擬

3.1 模型建立

根據回風巷煤巖層柱狀圖，建立掘進工作面的三維計算模型，模型范圍長×寬×高為30m×50m×41.2m，共44950個單元網格，48960個節點。在模型垂直方向上，煤層及其直接頂、老頂、直接底、老底等巖層均按實際厚度進行模擬，根據煤層頂底板的圍巖力學特征分析，為減小模型邊界效應的影響，模型高度取41.2m[4]。力學模型如圖3所示。

3.2 數值模擬結果分析

針對地應力與巷道不同角度下圍巖垂直應力場及地應力與巷道不同角度下圍巖水平應力場進行對比研究分析如圖4。

3.2.1 地應力與巷道不同角度下圍巖垂直應力場對比

分析圖4可知，當地應力方向與巷道軸向分別成0°、30°、60°、90°角度時，巷道圍巖垂直應力集中值分別為14.5MPa、13.6MPa、13.4MPa、13MPa，應力集中系數分別為1.7、1.59、1.56、1.52。

當角度是0°時，巷道左幫應力集中區分布在距離左幫表面3.66m-4.95m，右幫集中區分布在距離右幫表面2.9m-6.8m；當角度是30°時，巷道左幫應力集中區分布在距離左幫表面3.66m-7.5m，右幫集中區分布在距離右幫表面2.9m-7.0m；當角度是60°時，巷道左幫應力集中區分布在距離左幫表面3.66m-8.3m，右幫集中區分布在距離右幫表面3m-8.6m；當角度是90°時，巷道左幫應力集中區分布在距離左幫表面3.66m-8.3m，右幫集中區分布在距離右幫表面4m-8.8m[4]。

隨著地應力方向與巷道徑向的角度增大，應力集中程度減小，但是集中區一定區域逐漸增大，這對巷道支護是不利的，所以應選擇角度較小的情況。

3.2.2 地應力與巷道不同角度下圍巖水平應力場對比

分析圖5可知，當地應力方向與巷道軸向分別成0°、30°、60°、90°角度時，巷道圍巖水平應力集中值分別為16.5MPa、17.6MPa、20.2MPa、21.4MPa，應力集中系數分別為1.03、1.1、1.26、1.34。當角度是0°-30°之間時，只是在巷道頂板深部形成了半橢圓形應力集中區，集中區距離巷道頂板表面5.25m；當角度達到60°時，頂板應力集中區向巷道頂板表面移動至距離頂板表面2.4m，底板應力集中區比較明顯，數值達到了17.5MPa，距離巷道地板表面距離為1.85m；當角度是90°時，巷道頂底板應力集中區繼續擴大并向巷道頂底板表面移動，分別距離頂板和底板表面距離為2.0m、1.5m。隨著地應力方向與巷道軸向的角度增大，應力集中程度增大，集中區一定區域逐漸增大，這對巷道支護是不利的，所以應選擇角度較小的情況[3]。

4 結束語

①垂直應力隨埋深的增加而增大，實測的垂直應力與自重應力公式計算的應力基本相符；最大水平應力普遍大于垂直應力，有時最小水平應力亦大于垂直應力；最大水平應力與最小水平應力往往相差較大，使得水平應力的影響具有明顯的方向性。②最大水平應力對巷道的影響主要與巷道的夾角大小有關，當巷道掘進方向與最大水平主應力平行時，受水平應力影響最小，對頂底板的穩定最有利[5]；當巷道掘進方向與最大水平主應力垂直時，受水平應力影響最大，對頂底板的穩定最為不利；與最大水平主應力以一定角度斜交的巷道，巷道一側出現應力集中而另一側應力釋放，因而頂底板的變形破壞會偏向巷道的某一側；③隨著地應力方向與巷道軸向的角度增大，應力集中程度增大，集中區一定區域逐漸增大，這對巷道支護是不利的，所以巷道開挖時應選擇角度較小的情況。

參考文獻：

[1]張紀云.掘進巷道瓦斯爆炸傳播動力及破壞規律的數值研究[D].河北：河北工程大學，2014.

[2]金懷濤.采場底板變形特征及底板巷道圍巖控制技術[D].安徽：安徽理工大學，2011.

[3]繆協興.采動巖體的力學行為研究與相關工程技術創新進展綜述[J].巖石力學與工程學報，2010.

[4]李東辰.陶一煤礦地應力測試及其變化分布規律的研究[D].河北：河北工程大學2014.

[5]鞠金峰，許家林，朱衛兵，王曉振.近距離煤層工作面出傾向煤柱動載礦壓機理研究[J].煤炭學報，2010.

[6]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[D].中國礦業大學出版社，2010.