礦山巷道地壓形成機理及分布規(guī)律的研究

饒運章,吳國興,羅 歡

(江西理工大學資源與環(huán)境工程學院,江西贛州 341000)

礦山巷道地壓形成機理及分布規(guī)律的研究

饒運章,吳國興,羅 歡

(江西理工大學資源與環(huán)境工程學院,江西贛州 341000)

通過對國內外學者研究巷道地壓問題論述的分析,總結出礦山巷道地壓形成的一般機理,并運用數(shù)值分析軟件和有限差分的基本原理,對半圓拱形巷道在一定的側壓系數(shù)條件下開挖前后圍巖應力狀態(tài)進行數(shù)值模擬與分析,總結出半圓拱形巷道開挖后圍巖應力的分布規(guī)律。

巷道地壓;數(shù)值模擬;有限差分;側壓系數(shù);圍巖應力

1 前言

為了開采礦石,常常需要掘進各種斷面形狀的巷道,例如:礦山開拓中的階段運輸巷道,采準切割中的的切割巷道,礦石開采中的天井和鑿巖巷道。巷道一旦開挖,原巖應力將受到開挖繞動,導致應力的重新分布,形成巷道地壓。

這種圍巖應力與原巖應力相比,表現(xiàn)出很大的應力集中現(xiàn)象,例如:巷道周邊環(huán)向應力將大幅升高,徑向應力明顯降低。對于不支護巷道,巷道周邊徑向應力為0。巷道圍巖中這種重新分布的應力組合是否超過巖體的強度極限或某種強度條件,將直接關系到礦山地下工程的穩(wěn)定性。例如經(jīng)常出現(xiàn)的“地壓顯現(xiàn)”可以表現(xiàn)為巷道底鼓、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞,甚至垮塌。所以對礦山巷道開挖后地壓的研究顯得相當重要。

2 巷道地壓的形成機理

從根本上講,地應力是礦山巷道地壓顯現(xiàn)的根本來源。地應力是存在于地層中的天然應力,也稱原巖應力。在沒有開挖工程擾動的情況下,巖體處于原始平衡狀態(tài)。礦山巷道的開挖,打破了原始平衡狀態(tài),導致地應力的釋放,從而引起巖體的變形和向自由面的位移,引起圍巖應力的重新分布。圍巖的過量位移和應力集中將導致圍巖局部的或整體的失穩(wěn)和破壞。這是地壓發(fā)生的過程和機理。

因此從本質上來定義,地壓就是巖體因受開挖擾動而產生的力學效應。它與巖體的受力狀態(tài)、巖體結構和質量、巖體物理力學性質、工程地質條件以及時間等因素有關。

按表現(xiàn)形式,地壓可分為四類:散體地壓、變形地壓、沖擊地壓和膨脹地壓。下面以圓形巷道為例說明開挖引起的巷道圍巖地壓分布規(guī)律。

地壓巖體和金屬材料不同,它不是線彈性體,而是復雜的非線性體,多數(shù)可簡化為彈塑性體。若以彈塑體來考慮,并假設原巖應力為均勻應力場,其值等于P0,那么巷道開挖后一般將在圍巖中形成三個區(qū),即塑性區(qū)(A/B)、彈性區(qū)(C)和原巖應力區(qū)(D),其中塑性區(qū)通常又分為兩個區(qū),即松動區(qū)(A)和塑性應力升高區(qū)(B),如圖1所示。

圖1 巷道周邊圍巖

地下巷道開挖前,巖體處于原始平衡狀態(tài)。巷道開挖后出現(xiàn)圍巖應力重新分布,圍巖的一部分彈性變形產生的壓力為彈性變形地壓。當二次應力場使彈性圍巖局部地區(qū),也是在巷道周邊地區(qū)的應力狀態(tài)達到屈服條件時,這部分圍巖就是進入塑性狀態(tài),產生塑性區(qū)。應力再次重新分布,塑性區(qū)的應力一部分向彈性區(qū)轉移。另一部分因塑性變形而釋放,同時產生塑性變形地壓,塑性變形的進一步發(fā)展就會引起巖體的破壞,同時巷道周圍區(qū)域可能出現(xiàn)的拉應力也會導致巖體的破裂,從而在最靠近巷道周邊的區(qū)域形成松動區(qū)。上述就是A,B,C三個區(qū)的形成過程。各區(qū)的應力、圍移狀態(tài)分析如下。

塑性區(qū):

假設巖體滿足摩爾-庫侖屈服準則,根據(jù)屈服條件和平衡方程,有(1),(2)式即可求出塑性區(qū)內的應力大小。

由公式(1)～(3)可以看出,塑性區(qū)的應力狀態(tài)與原巖應力P0無關,而只與巖體的強度指標(c,φ值)有關。塑性區(qū)通常也是極限平衡區(qū)。

彈性區(qū):

彈性區(qū)內的應力大小可由彈性力學的后壁筒公式,(4)、(5)式求得。

由(4)式、(5)式可以看出來,彈性區(qū)內的應力大小不僅與巖體強度指標(c,φ值)有關,而且與原巖應力有關。

塑性區(qū)的半徑可根據(jù)彈、塑性交界面上的應力、位移連續(xù)的條件求得:

根據(jù)廣義胡克定律和伊留申彈塑性小變形理論,求得巷道圍巖中的徑向位移u。因為該問題滿足軸對稱條件,故周向位移為零。

3 半圓拱形巷道數(shù)值模擬試驗描述

3.1 試驗條件

對于圓形和橢圓形等斷面形狀的巷道,在假定巖石(巖體)均質、連續(xù)、各向同性的前提下,利用彈性力學理論,可以求出其圍巖應力分布的精確分析解。但是無論是礦山巷道,還是公路和鐵路隧道,其斷面形狀絕大多數(shù)都是直墻拱形,而這種直墻拱形斷面巷道圍巖應力分布,到不前為止,還沒有辦法利用彈性或彈塑性理論求得解析解。而隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種近似求解的工具,本試驗是用數(shù)值模擬軟件flac3D來對半圓形巷道進行模擬分析。FLAC3D是一個三維有限差分程序,采用了一個“顯式解”方案,沒有必要存儲剛度矩陣,計算更快捷。對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準確、合理。

3.2 試驗模型

假設研究的巷道所處深度相對于開挖高度大很多,在巷道所處位置原巖應力為確定值,即視原巖垂直應力和水平應力在巷道及其圍巖所處空間范圍內為常數(shù),并忽略圍巖自重的影響。深度H處的巖石所受應力,根據(jù)海姆(Heim)的結論有:

式中:γ為巖石的容重;H為上覆蓋巖的深度;μ為泊松比;σν、σh為原巖的垂直和水平應力。在巖體中開挖巷道,應力重分布的范圍是有限的。彈性理論分析和現(xiàn)場測試表明,對于巷道開挖的應力應變,僅在其周圍距開挖空間中心3～5倍巷道開挖寬度(或高度)的范圍內存在實際影響。在3倍寬度處的應力變化一般在10%以下,在5倍寬度處的應力變化一般在3%以下。所以設計的模型邊界寬度是開挖巷道寬度的5倍。建立20m×10m×20m的模型,巷道寬4m,墻高2m,半圓半徑為2m,建立的模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 巷道模型

4 模擬實驗結果

(1)開挖前后巷道周邊的位移變化見圖3～8。

圖3 開挖前拱頂Z方向位移變化

(3)巷道圍巖開挖前后各部分監(jiān)測數(shù)據(jù)表。

如圖3、4、5、6、7和8可知,監(jiān)測點的垂直位移測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同監(jiān)測點巷道圍巖的垂直位移

如圖9、10、11、12、13和14可知,監(jiān)測點的徑向應力測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同監(jiān)測點巷道圍巖的徑向應力/pa

監(jiān)測點的周向應力測試數(shù)據(jù)如表3。

表3 不同監(jiān)測點巷道圍巖的周向應力/pa

5 數(shù)值模擬分析

(1)由圖3、4可知,巷道開挖前在自重應力下達到平衡狀態(tài)過程中,拱頂垂直位移隨著時間的增長,不斷增大,最后曲線趨向于水平達到穩(wěn)定平衡。巷道開挖后,忽略巷道平衡產生的位移,考慮開挖的影響,位移開始走負方向發(fā)展。圖3、4同樣說明了巷道底部中間類似的情況。從這些可知,巷道受開挖的影響變形非常明顯。

(2)從圖7、8可知,巷道圍巖各點在開挖前后的位移變化。在開挖后,巷道圍巖的應力集中相對明顯,位移加速變化較大。表1列舉了拱頂中間,兩邊墻中間,底部中間三點的位移,可以看出在清零后的位移變化還是比較大的。拱頂中間相對其他兩點的位移變化較大。

(3)從圖11、12、13和14可知,巷道圍巖在開挖前都是以壓應力為主,但在開挖后許多部位應力集中比較明顯,產生了拉應力,因巖石的抗拉強度較小,容易破壞。

(4)巷道兩邊墻中間處的周向應力、拱頂中間的徑向應力和底部中間的徑向應力基本上始終為0。這與巷道圍巖理論中的開挖空間周邊處徑向應力始終為0的結論是相符的。

(5)巷道周邊產生塑性變形,隨著時間的推移,塑性變形越來越大,最終形成流變。特別是,拱頂中間、兩邊墻中間、底部中間等應力集中比較明顯的地方。后處理工程中,應該加強巷道支護,防止塑性流變的發(fā)生。

6 結語

運用數(shù)值模擬或數(shù)值實驗方法,分析計算半圓拱形巷道在一定原巖應力條件下開挖前后圍巖應力場和位移場的變化和分布情況,并準確確定巷道周邊某些點周向和徑向應力的大小,無論從技術角度還是經(jīng)濟方面,都是十分可行的。

從理論上說,彈性介質受力后其內部的應力分布是與介質本身的力學性能無關。flac3D軟件都是建立在有限差原理基礎之上的,而有限差分計算是先通過動態(tài)顯示計算出結點位移的。因而對于具體的工程進行數(shù)值模擬或數(shù)值實驗之前,物理方法測定巖石介質的彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度等力學參數(shù)是必要的。

由于巖石是脆性材料,在其內部各種宏觀或微觀節(jié)理裂隙作用下,其抗拉強度幾乎為0。對于確定的巷道工程,斷面形狀與尺寸初定后,根據(jù)原巖應力側壓系數(shù)和巖石的力學性能參數(shù)等進行數(shù)值模擬試驗,并修改設計,確保圍巖不產生周向拉應力,在技術、安全和經(jīng)濟方面都是具有重要意義的。

REFERENCES

[1] 蔡美峰.金屬礦山采礦設計優(yōu)化與地壓控制——理論與實踐.北京:科學出版社,2001,4.

[2] 彭文斌.FLac 3D實用教程.北京:機械工業(yè)出版社,2007,8.

[3] 劉加冬,陸文,路洪斌,何偉.半圓拱形巷道圍巖應力分布規(guī)律的研究[J].礦業(yè)快報,2008,3:22-25.

[4] 劉君,孔憲京.節(jié)理巖體中隧道開挖與支護的數(shù)值模擬[J].巖土力學,2007,28(2):321-326.

Ground Pressure Formation M echan ism ofM in ing Tunnels and Research on StressD istribution

RAO Yun-zhang,WU Guo-xing,LUO Huan
(JiangxiUniversity of Science&Technology,Resources&Environment Engineering Institute ,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

Through analysis on dissertation of tunnel ground pressure issues by scholars at home and abroad,the article summarizes the for mingmechanis m ofmining tunnel ground pressure.Numerical simulation and analysis are made on surrounding rock stress status of the semicircle arch tunnel before and after excavation under the condition of the some lateralpressure coefficients by numerical analysis software and basic principle of the finite difference.The distribution rules of surrounding rock stress are illustrated after excavation of semicircle arch tunnels.

roadways pressure;numerical simulation;the finite difference;lateral pressure coefficient;surrounding rock stress

TD3

:A

:1009-3842(2010)01-0016-05

2009-11-24

饒運章(1963-),男,江西會昌人,博士,教授,從事采礦工程與環(huán)境巖土工程方面的教學、研究工作。