不同原巖應(yīng)力下巷道群應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

王 濤

(山西西山煤電股份有限公司,太原 030053)

隨著煤礦開采深度的不斷加大,巷道圍巖應(yīng)力也不斷增高,使得很多巷道圍巖實(shí)際成為工程軟巖,表現(xiàn)為強(qiáng)烈的擴(kuò)容和應(yīng)變軟化及持續(xù)流變特征,再加上采動(dòng)影響及鄰近巷道的施工擾動(dòng)效應(yīng),巷道變形速度加快、底臌嚴(yán)重,部分巷道返修達(dá)90%以上。原巖應(yīng)力場(chǎng)是巷道群擾動(dòng)效應(yīng)的主要影響因素之一,由重力應(yīng)力場(chǎng)以及由地殼運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)兩部分組成[1]。地下巷道開挖以后,巷道圍巖周邊應(yīng)力場(chǎng)受到擾動(dòng),應(yīng)力場(chǎng)的重新分布產(chǎn)生新的一組應(yīng)力,稱為次生應(yīng)力。次生應(yīng)力的分布情況對(duì)巷道各工程部位產(chǎn)生不同的影響,垂直應(yīng)力主要集中于兩幫區(qū)域,而水平應(yīng)力集中區(qū)域主要體現(xiàn)在頂?shù)装鍘r層中[2]。垂直應(yīng)力及側(cè)壓系數(shù)的不同對(duì)鄰近巷道圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生不同的影響,進(jìn)而也影響到巷道掘進(jìn)擾動(dòng)程度。

因此進(jìn)行不同原巖應(yīng)力狀態(tài)下巷道群擾動(dòng)效應(yīng)的研究,對(duì)于優(yōu)化礦井巷道布置、保證巷道服務(wù)時(shí)長(zhǎng),對(duì)礦井的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都有重要意義。

1 模型的建立

本次模擬建立數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示,模型尺寸大小為X×Y×Z=100 m×10 m×80 m,共有網(wǎng)格84 320個(gè)、節(jié)點(diǎn)94 479個(gè),巷道尺寸為寬×高=6 m×5 m,鄰近巷道中心相距30 m,且巷道所在層位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。兩巷道位于模型中間位置,左側(cè)巷道為先掘巷道,右側(cè)巷道為后掘巷道,數(shù)值計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

圖1 數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical analysis model

模型底面采用位移邊界條件固定垂直方向位移,兩側(cè)面及前后面水平也采用位移邊界分別固定X方向及Y方向位移,頂部為應(yīng)力邊界,根據(jù)模擬方案施加均布垂直載荷。模型采用單一均質(zhì)材料,巖層力學(xué)參數(shù)根據(jù)表1選取。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2 模擬方案

為分析不同原巖應(yīng)力狀態(tài)下鄰近巷道群應(yīng)力場(chǎng)分布特征,分別從垂直應(yīng)力、側(cè)壓系數(shù)兩方面進(jìn)行研究,制訂不同方案進(jìn)行模擬分析。

從垂直應(yīng)力角度模擬研究時(shí),取側(cè)壓系數(shù)為1.2,設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 不同垂直應(yīng)力模擬方案Table 2 Models under different vertical stress

從不同側(cè)壓系數(shù)角度模擬研究時(shí),設(shè)定巷道埋深為800 m,模型施加20 MPa垂直應(yīng)力,設(shè)計(jì)方案見表3。

表3 不同側(cè)壓系數(shù)模擬方案Table 3 Models under different lateral stress coefficients

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同垂直應(yīng)力下模擬結(jié)果分析

圖2為不同垂直應(yīng)力條件下鄰近巷道掘進(jìn)垂直應(yīng)力分布圖。由圖2可以看出,由于巷道的開挖,在頂?shù)装逯胁啃纬纱怪睉?yīng)力降低拱區(qū),在兩幫中部形成垂直應(yīng)力升高區(qū)。隨著所施加垂直應(yīng)力的增大,巷道頂?shù)装寮皟蓭蛻?yīng)力集中影響范圍逐漸增大;當(dāng)鄰近巷道開挖以后,巷道頂?shù)装鍘r層應(yīng)力集中區(qū)域逐漸連為一體,兩巷道在巖柱一側(cè)應(yīng)力集中核隨著垂直應(yīng)力的增大逐步向中間靠攏,并最終連為一體,巖柱中間區(qū)域高應(yīng)力集中程度顯著增大。

另外,從水平應(yīng)力分布來看,垂直應(yīng)力增大時(shí)巷道周邊水平應(yīng)力分布形態(tài)并無明顯變化，但右側(cè)巷道的掘進(jìn)對(duì)左側(cè)巷道水平應(yīng)力卻帶來一定影響。

圖2 垂直應(yīng)力分布圖Fig.2 Distribution of vertical stress

圖3為左側(cè)巷道頂板水平應(yīng)力峰值受右側(cè)巷道掘進(jìn)影響的變化量隨垂直應(yīng)力的變化曲線圖。

圖3 頂板水平應(yīng)力峰值變化量曲線Fig.3 Peak variation of horizontal stress of roof

由圖3我們可以看出掘進(jìn)擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)水平應(yīng)力峰值應(yīng)力大小的影響程度隨著垂直應(yīng)力的升高而增大。由此我們可知,隨著垂直應(yīng)力的升高,鄰近巷道掘進(jìn)帶來的擾動(dòng)效應(yīng)逐漸增強(qiáng),當(dāng)P>25 MPa后右側(cè)巷道帶來的擾動(dòng)影響程度明顯升高。

根據(jù)模擬結(jié)果可知,當(dāng)P=10 MPa時(shí),頂板水平應(yīng)力峰值位置距巷道拱頂5.25 m,當(dāng)P=20 MPa時(shí),頂板水平應(yīng)力峰值位置升高至7.25 m,當(dāng)P=30 MPa時(shí),頂板水平應(yīng)力峰值位置距巷道拱頂距離上升至9.5 m。巷道頂板水平應(yīng)力峰值位置隨著垂直應(yīng)力的不斷增大而逐步向巖體深部轉(zhuǎn)移。

3.2 不同側(cè)壓系數(shù)下模擬結(jié)果分析

圖4為不同側(cè)壓系數(shù)下相鄰兩巷巖柱中垂直應(yīng)力分布情況。由圖4可以看出,側(cè)壓系數(shù)的升高使得兩鄰近巷道應(yīng)力疊加范圍區(qū)域不斷增大,巖柱中部的載荷逐漸增大,應(yīng)力分布趨向均勻。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)下擾動(dòng)前后巖柱垂直應(yīng)力分布對(duì)比圖Fig.4 Vertical stress distribution of rock pillars before and after disturbance under different lateral stress coefficients

圖5為先掘巷道右?guī)褪軘_動(dòng)前后垂直應(yīng)力峰值大小與側(cè)壓系數(shù)關(guān)系圖,由圖可以看出,垂直應(yīng)力峰值大小隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,首先呈較快幅度的下降趨勢(shì),而后下降速度逐漸趨緩,當(dāng)λ>2.25以后,側(cè)壓系數(shù)的升高對(duì)峰值應(yīng)力的影響逐漸減弱,峰值應(yīng)力數(shù)值曲線趨于平緩。

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道受擾動(dòng)前后右?guī)头逯祽?yīng)力對(duì)比圖Fig.5 Right-side peak stress before and after disturbance under different lateral stress coefficients

對(duì)比圖5中兩條曲線,可以看出,在受到鄰近巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響后垂直應(yīng)力峰值大小較擾動(dòng)前有所增大。當(dāng)λ<1.75時(shí),隨著側(cè)壓系數(shù)的升高,巷道右?guī)头逯祽?yīng)力大小受鄰近巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響變化幅度逐步增大,當(dāng)λ>1.75時(shí),擾動(dòng)效應(yīng)影響程度逐漸趨于平緩,側(cè)壓系數(shù)的升高并沒有使得應(yīng)力峰值擾動(dòng)變化量變化太大。

4 結(jié)論

用FLAC3D模擬了在不同原巖應(yīng)力狀態(tài)下先后掘進(jìn)的兩條巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律,數(shù)值模擬結(jié)果表明:

1)隨著垂直應(yīng)力的增大,鄰近巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響對(duì)先掘巷道頂板水平應(yīng)力峰值大小影響程度不斷增大,峰值變化量成上升趨勢(shì),且峰值位置逐漸遠(yuǎn)離頂板。

2)隨著側(cè)壓系數(shù)的不斷增大,先掘巷道左幫垂直應(yīng)力集中程度呈下降趨勢(shì),并趨于某一定值;鄰近巷道的掘進(jìn)擾動(dòng)使得垂直應(yīng)力集中程度有所增大,先掘巷道受到的應(yīng)力擾動(dòng)影響隨著側(cè)壓系數(shù)的增大首先呈上升趨勢(shì),當(dāng)λ>1.75后,擾動(dòng)影響程度逐步趨緩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳昌榮.地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[2] 雷成祥.深井巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力影響效應(yīng)及加固對(duì)策研究[D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2013:135.