深部高應力巷道控制機理

詹 平,孟海燕

(潞安集團 司馬煤業公司,山西 長治 047105)

近年來,全球市場對能源的需求激增,煤炭產量屢創新高。淺部煤炭資源的開采已無法滿足我國日益增長的能源需求,煤炭開采逐漸向深部發展[1]。據調查,我國已探明超千米的煤礦資源儲量占49%.然而開采深度的增加,也使得深部巷道的穩定性難以控制[2-3]。深部巷道具有高地應力、高地溫、復雜地質構造、圍巖強度低、強流變、強采動等特點[4],這對煤炭資源的安全高效開采構成了嚴重威脅。研究深部巷道的變形破壞機理對深部巷道的穩定性控制至關重要[5]。

當前學者們對深部巷道的穩定性控制做了大量的研究,左鍵平等[6]研究了巷道的梯度破壞機理,并發現隨著深度的增加應力梯度越來越明顯。黃萬朋等[7]研究了深部巷道的非對稱變形機理,認為高應力作用下,不同性質圍巖的蠕變差值是導致巷道非對稱變形的主要因素。靖洪文等[8]以松動圈理論為核心,對巷道圍巖進行分類,并提出相應的控制措施。當前對深部巷道的變形和破壞機理的研究還不足。只有對深部巷道的變形破壞機理開展深入研究,對癥下藥,才能更有效地控制深部巷道的穩定。本文采用理論分析和數值模擬的方法,研究了深部巷道塑性區的變化規律,并分析了支護強度、圍巖力學參數等因素對深部巷道塑性區半徑的影響。

1 深部巷道塑性區半徑理論分析

對深部巷道圍巖塑性區進行分析,將巷道進行如下簡化。巷道形狀簡化為軸對稱的圓形巷道;圍巖為各向同性和均質;不考慮巷道的蠕變效應。巷道的開挖半徑為r、p為原巖應力,C和φ分別為圍巖的內聚力和內摩擦角。μ為圍巖的泊松比,E和σc分別為圍巖的彈性模量和抗壓強度,k為側壓力系數,η為剪脹梯度。巷道的塑性區半徑和位移分別為R和u.見圖1.

圖1 圓形巷道的塑性區分布

(1)

(2)

(3)

式(1)和式(2)分別為巷道塑性區半徑和巷道位移。根據上式可知深部巷道塑性區半徑和巷道位移大小受到多個因素的影響。其中內因主要為圍巖的物理力學性質、支護體強度、巷道半徑。外因主要包括地應力大小、側壓力系數等因素。將某礦深部巷道的實際參數代入到公式中。其中R=2.4 m,p=30 MPa,η=2,σc=48 MPa,E=5 000 MPa.

圖2顯示出巷道塑性區半徑與圍巖黏聚力、內摩擦角以及地應力密切相關。從圖中可以看出,巷道塑性區半徑隨著圍巖的黏聚力和內摩擦角的增加而減小。并且隨著地應力的增加,減小幅度越明顯。這說明通過增加巷道圍巖的物理力學性能可以有效控制巷道塑性區的擴展以及巷道位移。并且在深部地應力較高的地方,增加圍巖物理力學性能對控制巷道穩定性效果越顯著。

圖2 巷道塑性區半徑、巷道位移與圍巖

根據圖3可知,巷道塑性區半徑隨著支護強度的增加而減小,且巷道原巖應力越大,效果越顯著。通過以上分析可知,對于深部巷道的塑性區控制,可以通過提高支護體支護強度和增強圍巖的物理力學性能實現。

圖3 塑性區半徑與支護體支護強度之間的關系

2 深部巷道控制數值模擬

根據某礦巷道的地質資料,建立巷道的數值模擬模型(圖4)。該模型長50 m,高36 m,寬3.2 m,共有17 100個節點、13 310個單元。模擬埋深900 m,豎直和水平方向分別施加30 MPa的均布荷載。X和Y方向的邊界限制水平位移,底面Z方向限制豎向位移。巖石物理學參數見表1.

表1 巖石物理力學參數

圖4 深部巷道有限元模型

2.1 地應力大小對巷道塑性區半徑的影響

深部巷道的埋深大,地應力水平較高。通過施加不同的初始應力模擬不同的埋深。本文利用有限元軟件模擬了無支護條件下,原巖應力大小對巷道塑性區半徑的影響。通過圖5的(a)、(b)分別表示地應力為30 MPa和15 MPa時,巷道開挖后的塑性區分布情況。地應力水平越高,巷道塑性區半徑越大。當地應力大小從30 MPa減小到15 MPa時,巷道頂部的塑性區半徑減小了65.8%,幫部塑性區半徑減小了48.9%,底板的塑性區半徑減小了45%.可以發現地應力大小對巷道圍巖塑性區半徑的影響較為顯著。這也是深部巷道難以控制的根本原因。

圖5 不同地應力水平下的塑性區半徑

2.2 支護強度大小對巷道塑性區半徑的影響

利用數值計算模型模擬了不同支護強度對巷道塑性區的分布的影響。水平應力和豎直應力分別設置為30 MPa.支護構件設計為直墻半圓拱形的U鋼支架,采用Beam單元進行模擬。將支護強度轉化為彈性模量、慣性矩等參數,輸入模型進行對比計算。圖6顯示了支護強度分別為0.5 MPa和1 MPa時,巷道開挖后塑性區的分布情況。可以看出,隨著支護體支護強度的提高,巷道的塑性區半徑明顯減小,增加了支護強度的巷道頂部塑性區半徑減小了50%.由于支架形狀為直墻半圓拱,未形成封閉的結構,因此巷道底板的塑性區面積較大。

圖6 不同支護體支護強度下塑性區半徑

2.3 圍巖的力學性能對巷道塑性區半徑的影響

由于巷道在開挖之后,巷道周圍的圍巖強度處于峰值后的殘余強度階段,在空氣和水的作用下,圍巖的力學性能下降明顯,塑性區的范圍也逐漸擴大,極易造成支護體的失效,進而導致巷道失穩破壞。因此研究巷道圍巖的力學性能對深部巷道的穩定性控制至關重要。

在有限元計算中,將距離巷道壁6 m范圍內的圍巖分成一個組,在開挖之后,對這個范圍內的圍巖重新賦予圍巖力學參數。水平和豎直方向分別施加30 MPa的初始應力。圖7(a)為開挖之后不改變圍巖力學參數的情況,圖7(b)為將巷道周圍6 m范圍內的圍巖的黏聚力和內摩擦角分別擴大一倍的情況。從圖7中可以看出,增加了巷道周圍圍巖的力學性能之后,拱頂處的塑性區半徑減小了50.4%,幫部的最大塑性區半徑減小了54.0%.底板處的塑性區半徑減小了20.1%.可見,增加巷道周圍圍巖的力學性能對抑制巷道塑性區的擴展有顯著效果。

圖7 不同圍巖力學參數下塑性區半徑

3 結 語

1) 給出了深部巷道塑性區半徑的計算公式,發現影響塑性區半徑的因素主要有地應力大小、圍巖力學參數和支護體的支護強度。將巷道數據代入公式計算可知,巷道塑性區半徑隨著地應力的增加而增大,隨著圍巖黏聚力和內摩擦角的增加而減小,隨著支護體支護強度的增加而減小。

2) 通過數值模擬驗證了地應力、支護體支護強度、圍巖力學性能對巷道塑性區的影響。以拱頂處的塑性區半徑為指標,地應力從30 MPa減小到15 MPa,塑性區半徑減小了65.8%.支護體支護強度從0.5 MPa增加到1 MPa,塑性區半徑減小了50%.將巷道周圍圍巖的力學性能增強后,塑性區半徑減小了50.4%.