水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形破壞影響規(guī)律研究

顧巡巡

(汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司)

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水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形破壞影響規(guī)律研究

顧巡巡

(汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司)

摘要通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了在無(wú)支護(hù)條件下、不同水平應(yīng)力作用下的巷道圍巖變形破壞規(guī)律和特征。結(jié)果表明：隨著水平應(yīng)力的升高，巷道兩側(cè)應(yīng)力值也隨之增大，應(yīng)力峰值呈現(xiàn)遠(yuǎn)離煤壁的趨勢(shì)，巷道主應(yīng)力值和范圍隨之增加，塑性區(qū)范圍在垂直方向呈遞增趨勢(shì)，在水平方向則變化不大，但是巷道圍巖塑性區(qū)范圍有明顯增大的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞水平應(yīng)力巷道圍巖變形破壞模擬

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，巷道所處原巖應(yīng)力環(huán)境也隨之發(fā)生變化，巷道圍巖應(yīng)力由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成。根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，在原巖應(yīng)力場(chǎng)中，最大水平主應(yīng)力與鉛直應(yīng)力的比值一般為0.5～5.5[1]。由此可知，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)于原巖應(yīng)力具有明顯的影響，是巷道圍巖穩(wěn)定的重要影響因素之一[2]。一直以來(lái)，對(duì)于巷道穩(wěn)定性的影響分析主要集中在自重應(yīng)力上，而對(duì)于有構(gòu)造應(yīng)力引起的巷道變形破壞的研究分析較少[3]。在長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在大采深、靠近斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造附近時(shí)，水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的破壞起重要作用[4]，由于缺乏對(duì)水平應(yīng)力引起巷道破壞機(jī)理的研究和重視，已經(jīng)造成大量的工程失敗和經(jīng)濟(jì)損失[5]。因此，本研究利用數(shù)值模擬軟件，研究了不同水平應(yīng)力作用下巷道圍巖變形破壞特征和應(yīng)力分布規(guī)律，為高水平應(yīng)力作用下的巷道圍巖控制提供一定的參考。

1　數(shù)值模擬方案及模型建立

為研究水平應(yīng)力場(chǎng)作用下巷道斷面的優(yōu)化，采用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC進(jìn)行了模擬研究。以矩形巷道為例，改變側(cè)壓力系數(shù)，模擬側(cè)壓力系數(shù)分別為0.5，1.0，1.2，1.5和2.0時(shí)巷道圍巖變形破壞規(guī)律，對(duì)比分析巷道圍巖水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力以及塑性區(qū)的分布演化特征。

根據(jù)數(shù)值模擬方案建立數(shù)值模型，研究水平應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道的影響。模型寬度為80m，高度為95m，矩形巷道(寬×高)4m×3m，巷道兩側(cè)各留38m煤柱，模擬埋藏深度600m。如圖1所示。

2　不同側(cè)壓力系數(shù)巷道圍巖失穩(wěn)變形特征

2.1側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道水平應(yīng)力的影響

圖2為不同側(cè)壓力系數(shù)影響下的巷道水平應(yīng)力。

從圖2可以看出，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，巷道兩側(cè)水平應(yīng)力值也隨之增大，水平應(yīng)力峰值呈現(xiàn)遠(yuǎn)離煤壁的趨勢(shì)，說(shuō)明煤壁兩側(cè)塑性破壞區(qū)的范圍也隨之增大。

圖1　數(shù)值模型

圖2　不同側(cè)壓力系數(shù)下巷道水平應(yīng)力

2.2側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道最大主應(yīng)力的影響

圖3為不同側(cè)壓力下巷道圍巖最大主應(yīng)力的變化情況。

圖3　不同側(cè)壓力下巷道圍巖最大主應(yīng)力變化

從圖3中可以看出，隨著側(cè)壓力的增大，巷道周圍主應(yīng)力值和范圍也隨之增大。

2.3側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道塑性區(qū)分布的影響

圖4為不同側(cè)壓力下巷道圍巖塑性區(qū)分布。

圖4　不同側(cè)壓力下巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖4可知，當(dāng)λ=0.5時(shí)，塑性區(qū)呈“扁平”狀分布，主要分布在巷道的兩幫，且關(guān)于y軸對(duì)稱；當(dāng)λ=1.0時(shí)，巷道處于四周等壓狀態(tài)，圍巖塑性區(qū)在巷道周圍基本呈均勻分布；當(dāng)λ>1.0時(shí)，塑性區(qū)呈“瘦高”狀分布，塑性區(qū)關(guān)于x軸對(duì)稱。

3　結(jié)　論

隨著水平應(yīng)力的增加，巷道兩幫應(yīng)力值明顯增加，應(yīng)力峰值呈現(xiàn)遠(yuǎn)離煤壁的趨勢(shì)，說(shuō)明巷幫煤壁破壞范圍擴(kuò)大。當(dāng)λ<1.0時(shí)，塑性區(qū)呈“扁平”狀分布，塑性區(qū)主要分布在巷道的兩幫；當(dāng)λ=1.0時(shí)，圍巖塑性區(qū)在巷道周圍基本呈均勻分布；當(dāng)λ>1.0時(shí)，塑性區(qū)呈“瘦高”狀分布。隨著λ增加，在垂直方向的塑性區(qū)范圍呈遞增趨勢(shì)，而在水平方向的塑性區(qū)范圍變化不大，但巷道圍巖塑性區(qū)范圍有明顯增大的趨勢(shì)。因此，在高水平應(yīng)力場(chǎng)條件下，應(yīng)加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]錢鳴高，石平五，鄒喜正，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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[3]宋志敏，程增慶，張生華.構(gòu)造應(yīng)力區(qū)軟巖巷道圍巖變形與控制[J].礦山壓力與頂板管理，2005(4):48-50.

[4]陳立偉,唐征,田坤云.構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤層巷道圍巖穩(wěn)定性的影響研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2007，76(1):38-39.

[5]張生華.構(gòu)造應(yīng)力作用下軟巖巷道變形與控制研究[J].礦業(yè)工程，2003(3):14-18.

(收稿日期2016-05-16)

InfluenceRegularityofHorizontalStresstotheDeformationandFailureofRoadwaySurroundingRocks

GuXunxun

(WenshangYiqiaoCoalMineCo.,Ltd.)

AbstractThe regularity and characteristics of the deformation and failure of roadway surrounding rocks under the action of different horizontal stress under the condition of no supporting by conducting numerical simulation test.The results show that with the increasing of horizontal stress,the stress of the both sides of the roadway,the peak stress show a trend of away from the coal wall;the main stress and scope are increased;the scope of plastic zones show the trend of progressive increasing in the vertical direction,the change of stress is small in the horizontal direction,but the plastic scope of the surrounding rocks of roadway show the trend of increasing obviously.

KeywordsHorizontal stress,Surrounding rocks of roadway,Deformation and failure,Simulation

顧巡巡(1988—)，男，助理工程師，272000 山東省濟(jì)寧市汶上縣義橋鄉(xiāng)。