高地应力巷道卸压控制技术ABAQUS模拟

刘 斌 侯大德 孙国权

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

高地应力巷道卸压控制技术ABAQUS模拟

刘 斌1,2，3侯大德1,2，3孙国权1,2，3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

高地应力软岩巷道地应力比较大，如果采用常规的支护技术无法满足巷道支护的要求，会造成巷道多次返修以及相应的安全隐患。基于大型有限元ABAQUS软件，建立高地应力卸压巷道控制技术有限元分析模型，应用Drucker-Prager岩体模型，分别分析了卸压巷道在不同位置、不同开挖顺序、不同相对距离等条件下保护巷道围岩体的应力应变。分析结果表明：布置了卸压巷道能明显改善高地应力巷道周围的应力集中，有利于巷道整体结构的稳定性。得出结论：①先开掘卸压巷道再开掘主巷道；②距离主巷道4 m左右支护效果最佳；③需要针对不同的来压方向选择卸压巷道相对位置等。模拟结果可为同类高地应力巷道支护设计提供一定参考作用。

地下矿山 高地应力 ABAQUS 卸压巷道

伴随着我国经济高速的发展，矿产资源在近20 a进行了高强度持续不断的开采，浅、中部条件优良的矿产资源越来越少，采矿活动越来越集中于岩体深部高地应力、松软破碎围岩等地质条件恶劣的资源。当开采深达到700 m以上，即可视为矿山深部开采[1]。

深部高地应力软岩巷道因其地应力大，对于服务年限比较长的运输主巷，巷道断面要满足变形可控、底鼓量小等要求，如果运用常规的锚喷网和锚网索支护技术，不仅短期内围岩围岩变形控制效果不明显，而且围岩在长期的流变过程中更易于破坏，更有甚者巷道需要多次返修，从而影响整个矿井的正常生产。

主动支护理论的观点是：巷道周围岩体既是施载体，同时又是受载体，巷道支护的目的是最大程度地调动围岩体的自我支撑作用，这就是主动支护理论的关键点。基于此理论，主动支护需要从下列2方面着手:

(1)加固巷道周围围岩体，以提高围岩体的整体性，即采用加强支护法，此方法的典型代表为锚注支护技术等。

(2)控制巷道围岩周边应力场的分布情况，避免在巷道围岩内出现应力集中，即采用应力控制法，此类方法的典型代表为卸压控制技术[2]。

卸压控制技术的基本理论是：在巷道掘进前期以及相应的服务期限内，采用主动卸压措施，通过将围岩体的应力集中进行有目的性的释放，使得巷道周围岩体中所形成的应力峰值向深部岩体转移，最终目的是使得受保护巷道处于应力降低区内，提高受保护巷道的稳定性[3]。目前实际中常用的卸压方法有：①在巷道周围岩体中切缝开槽、放振动炮松动围岩体；②在受保护巷道周围岩体中开掘卸压巷道;③在开采顺序上进行优化选择，将巷道布置在围岩应力降低区内[4]。

开掘卸压巷道是在被保护巷道的地应力来压方向上开凿出卸压巷道，目的是分流以及截留地应力，主要有水平方向卸压和垂直方向卸压2种：①垂直方向卸压是将竖直方向的应力转移到深部围岩中，以期形成垂直方向的应力降低区域；②水平卸压可阻隔水平应力，形成水平方向的应力降低区[5]。

在以往的研究中，主要采用单一的力学分析或者工程经验类比法来布置卸压巷道以及确定巷道的结构参数，并没有考虑到卸压巷道在开挖时间、开挖顺序、巷道位置不同条件下对于围岩体应力分布特征及规律的影响。本研究运用大型有限元软件ABAQUS对卸压巷道的卸压过程进行相应的数值模拟，分析不同开挖顺序、巷道位置对于卸压巷道卸压效果的影响。期望可以为同类高地应力软岩巷道卸压控制技术提供参考。

1 ABAQUS软件及D-P模型

1.1 ABAQUS软件简介

ABAQUS软件是法国达索 SIMULIA 公司(原 ABAQUS 公司)开发的一套功能强大，应用广泛的模拟分析软件。其分析功能不仅在工程领域而且在学术领域都享有非常高的盛誉，被誉为有限元软件中的贵族。在岩石力学领域，ABAQUS也有很好的适用性。本研究通过运用ABAQUS模型库中的Drucker-Prager模型来模拟高应力软岩巷道的围岩应力变化情况，通过使用软件自带的ABAQUS生死单元法功能，来模拟开挖卸压巷道对于受保护巷道的显著应力应变优化设计[6]。

1.2 Drucker-Prager屈服模型

针对工程围岩体的特点，本研究选择适宜岩石材料的Dracker-Prager 屈服准则模型。该屈服面不随材料的屈服而改变，同时该模型还考虑了受剪应力易于发生体积膨胀，故该模型适用于岩石、土壤等材料。Drucker-Prager 模型如下所示:

(1)

式中，I1为平均应力第一不变量；J2为应力偏张量第二不变量；α、k为相应的材料参数。

内摩擦角

(2)

黏聚力

(3)

斜率

(4)

破坏应力

(5)

由岩石力学实验得到单轴受拉屈服应力σ1和单轴受压屈服应力σe，再通过式(4)、式(5)即可求出β、σy。膨胀角为φ1，该参数表明岩体材料体积膨胀的程度。当岩石体受剪时，易出现体积膨胀。膨胀角φ1=0，说明岩体不会发生体积膨胀；如果φ1≠0，材料结构体会发生严重的体积膨胀。故为了稳妥起见，采用φ1=0[7]。

1.3 地应力平衡技术

由于软件CAE界面无法得出初始地应力平衡命令，故需要在开始求解前进行初始地应力平衡计算，本研究采用ABAQUS初始地应力提取平衡法。

(1) 地应力平衡条件。模型应力场所形成的等效节点荷载需要同外围的荷载相平衡，因此如果第一步的应力平衡满足不了条件，就难以得到初始位移为零的状态，此时所对应的应力场将不是所施加荷载的初始应力场。

(2) 屈服条件。通过定义在高斯点上的应力状态来直接施加初始应力场，将会发生个别高斯点的应力在屈服面之外的情况。屈服面之外的应力虽然会在后续的计算中通过应力转移调整回来，但这也是不符合实际情况的。如果出现大面积的高斯点上的应力超过了屈服面的情况，则应力转移要经过大量的迭代运算才能完成，而且很可能在计算中出现运算解不收敛。

本研究采用初始应力提取法为：

(1)将初始边界条件施加到模型上进行初始应力分析。

(2)将计算得到的每个单元的应力外插到形心点处，并以inp文件格式导出S11、S22、S33，S12、S13、S23这6个应力分量。

此方法可适用于不同材料、不规则的地形，故适用性最强。本研究即采用此种方法[8]。

2 模拟结果与讨论

2.1 巷道周围地质情况

要进行数值模拟，需要知道针对工程的围岩地质参数，围岩地质参数的准确性关系到数值模拟计算结果的可靠性，本次计算根据上述实测的原岩应力实测值、强度折减后的岩体力学参数值进行相应模型的初始应力场的加载。具体应力参数见表1。

表1 原岩体力学参数Table 1 The mechanics parameters of primary rock mass

2.2 计算模型

根据实际工程条件，采用二维弹塑性模型作为计算模型。采用Dracker-Prager 准则的塑性屈服条件。ABAQUS数值模型宽80 m，高150 m。受保护巷道为三心拱形，宽4 m，净高3 m。卸压巷道采用圆形巷道，直径为2 m。由相应计算可知，在模型顶部施加0.4 MPa的均布压强，用以模拟上覆岩层重力作用的初始条件。生成的模型图见图1(由 1 689个网格组成)，运用初始应力提取法进行了初始地应力平衡，地应力平衡后的云图见图2。对于巷道四周的围岩应力及变形采用ABAQUS独有的路径提取法得到，见图3[9]。

图1 二维模型Fig.1 Two-dimensional model

图3中，开始点在左下角沿着巷道逆时针提取巷道1周的应力应变值，具体如下：

图2 初始地应力平衡云图Fig.2 Initial ground stress balance cloud

图3 路径示意Fig.3 Path diagram

(1)路径距离0～4 m为巷道底板。

(2)路径距离4～7 m为右帮。

(3)路径距离7～13 m为巷道顶板。

(4)路径距离13～16 m为巷道左帮。

2.3 开挖顺序的模拟分析

2.3.1 不同开挖顺序的影响

首先进行开挖顺序对巷道卸压效果影响的对比实验。方案1为先开挖卸压巷道，后开挖保护巷道；方案2为先开挖保护巷道，后开挖卸压巷道。2种不同工序所产生的最大主应力S及竖直方向最大位移U见表2。

从表2中可以得出：不同的开挖顺序对于保护巷道的最终应力分布影响相同。但考虑受保护巷道支护的需要，故在工程中采用的工序是先开掘卸压巷道，当四周应力释放稳定后再开掘保护大巷，此时掘进相对容易，而且初期支护所遇到的地应力会减小一些，有利于初期支护的实现。

2.3.2 卸压巷道对受保护巷道围岩应力分布情况的影响

本次模拟采用先开掘主巷道，再开掘卸压巷道的顺序，通过巷道围岩体应力应变变化规律，分析卸压巷道对巷道围岩应力应变的卸压优化作用。未开挖

表2 不同开挖顺序对最大主应力S和竖直位移U的影响Table 2 Effects of excavation sequenceon the maximum principal stress Sand the vertical displacement U

卸压巷道时对应的应力和位移云图见图4、图5。

图4 未开挖卸压巷道最大主应力Fig.4 Maximum principal stress for no excavation roadway

图5 未开挖卸压巷道最大竖直方向位移Fig.5 Maximum vertical displacementfor no excavation roadway

图4、图5显示：

(1)只开挖大巷，最大压应力出现在底板处，为0.32 MPa，此应力易于形成巷道底板的底鼓，故图5中显示底板最大位移达到4.5 mm。

(2)巷道围岩最大拉应力出现在两帮及顶板处，且顶板最大位移为3.4 mm，此时易于形成顶板冒落以及两帮的垮塌，对于巷道整体稳定性造成非常大的危害。

图6、图7是在顶板上方4 m处开挖卸压巷道后巷道围岩的最大主应力及最大位移云图。

图6 上方4 m处开挖卸压巷道最大主应力Fig.6 Maximum principal stress forexcavation roadway above 4 m

图7 上方4 m开挖卸压巷道最大竖直方向位移Fig.7 Maximum vertical displacementfor excavation roadway above 4m

由图6可知：

(1)底板最大压应力降低为0.298 MPa，降幅显著，同时顶板及两帮的拉应力也相应降低；更重要的是，卸压巷道通过分压使得巷道围岩体中的应力向岩体深部转移，尤其顶板的拉应力向卸压巷道方向转移，大大降低了巷道顶板冒落的速度和位移。这证明卸压巷道对于围岩支护具有重要的卸压效果。

(2)对于顶板围岩条件差，容易形成顶板冒顶的围岩条件，在顶板处掘进卸压巷道，使得岩体应力重新分布，高拉应力进一步向深处转移，使得巷道处于应力降低区内。

未开挖卸压巷道和在顶板上方4 m处开挖卸压巷道两种情况下的巷道围岩最大主应力及竖直方向最大位移变化趋势见图8、图9。

由图8、图9可知：

(1)在高地应力条件下，开掘了卸压巷道后，巷道四周围岩的最大主应力以及竖直方向位移均大幅度减小。

(2)由图8可知，最大主应力减小范围集中在提取路径距离为7～13 m处，此范围是巷道顶板的位置，可知在巷道上方开掘卸压巷道能卸压上方的高地应力。

图8 有无卸压巷道最大主应力Fig.8 Maximum principal stress with orwithout pressure-relief roadway■—无卸压巷道；●—有卸压巷道

图9 有无卸压巷道竖直方向最大位移Fig.9 Maximum vertical displacement withor without pressure-relief roadway■—无卸压巷道；●—有卸压巷道

(3)由图9可知，最大位移的减小范围相应地也出现在顶板处，证明顶板向下的冒落距离有了一定程度的减小。

上述对比试验充分证明：开挖卸压巷道对于巷道围岩具有显著的卸压作用，能明显减小围岩体中应力集中以及巷道移动，显示出复杂高地应力巷道卸压巷道控制支护技术的可行性。

2.4 卸压巷道位置对于巷道控制技术的影响

分别模拟在保护巷道下方4 m、右方4 m开挖卸压巷道时的巷道围岩最大主应力以及竖直方向最大位移，结果见图10、图11。

图10 下方4 m处开挖卸压巷道最大主应力Fig.10 Maximum principal stress forexcavation roadway below 4 m

(1)由图10知，对于底板围岩软弱，易于形成底

图11 右方4 m处开挖卸压巷道最大主应力Fig.11 Maximum vertical displacement forexcavation roadway at right 4 m

鼓的巷道，在下方掘进卸压巷道，可控制底板处的围岩位移及应力。

(2)由图11知，对于水平侧压比较大的深井巷道，在水平侧压比较大的方向掘进卸压巷道，可使得该方向的侧应力得以释放，进而使得巷道不至于向该侧跨落。

2.5 卸压巷道距离不同对于卸压效果的影响

假设卸压巷道位于主巷道的上方，分别模拟相距4、6、8 m时巷道围岩体的最大主应力分布以及最大竖直方向位移。选取最小距4 m是因为根据资料，工程中一般临近巷道开挖的最小相隔距离为3 m，如果相邻巷道距离过小易于引起两巷道的相互贯通，引起其他安全事故。模拟结果如图12、图13所示。

图12 卸压巷道距离不同最大主应力Fig.12 Maximum principal stress for differentdistant of pressure-relief roadway■—4 m;●—6 m;▲—8 m

可知，相距4 m时，卸压效果最明显，不论是最大主应力还是最大位移均达到最小，同时可以进一步证明前面结论，在顶板上开挖卸压巷道能明显改善顶板的冒落，以及减小顶板的拉应力。

由于破碎区裂隙发育使承压能力大大降低，增强了围岩对应力的敏感程度。由此可知，卸压巷道与工程巷道之间需选择一定距离，才能实现卸压巷道的卸压效果和保护工程巷道的稳定。现场试验认为，卸压巷道对保护巷道合理的开挖距离在4 m左右。

图13 卸压巷道距离不同最大竖直方向位移Fig.13 Maximum vertical displacement fordifferent distant of pressure-relief roadway■—4 m;●—6 m;▲—8 m

2.6 小 结

(1)卸压巷道与主巷道的开挖次序对于卸压影响不太明显，但为了工序简单，推荐先开挖卸压巷道，再开挖主巷道。

(2)比较有无卸压巷道围岩应力应变分布，可看出开挖卸压巷道对高地应力巷道围岩支护优化作用显著。

(3)通过模拟在不同位置开掘卸压巷道，可知顶板卸压巷道能减小顶板的冒落，底板卸压巷道能减小巷道的底鼓，两帮的卸压巷道能减弱侧压的影响。

(4)分别比较卸压巷道距离保护巷道不同距离的卸压效果，可知卸压巷道位于保护巷道4 m左右范围内泄压效果最明显。

卸压巷道不仅在支护方面作用显著，在深孔爆破，无底柱崩落法优化设计以及高瓦斯矿井的瓦斯治理方面也有显著作用，故卸压巷道方面的研究必然会形成新的研究领域[10]。

3 结 论

(1)通过使用大型有限元软件ABAQUS,运用岩土材料的Dracker-Prager 屈服准则，得出卸压巷道最有利距离以及不同位置对于泄压效果的影响。

(2)合理地布置卸压巷道位置可有效降低巷道围岩体的应力，形成相应的应力降低区，在高地应力条件下，是实现主动支护的新途径。

(3)不足之处是没有考虑时间的蠕变性，未进行卸压巷道持久性稳定性监测，以及缺乏具体应用矿山实例，希望在今后的工程中能运用此种方法来控制高地应力巷道稳定性。

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(责任编辑 徐志宏)

Because of the large geo-stress of soft rock roadway with high stress，the conventional support technology can not meet requirement of roadway support，resulting in many times of tunnel maintenance and the corresponding security risks.Based on ABAQUS software，the finite element analysis model for high stress relief roadway control technology is established.Drucker-Prager model of rock is adopted to analyze respectively the stress and strain in protecting roadway surrounding rocks of pressure-relief tunnel in different location，different excavating sequences and different relative distances.The results show that the pressure-relief roadways can significantly improve the stress concentration around the roadway with high stress，which is conducive to keep the stability of roadway structure.The conclusion is：1) pressure relief tunnel is firstly excavated，followed by the main tunnel，2) the optimal supporting locates at 4m from the main tunnel，and 3) different relative position of pressure-relief tunnel is selected for different direction of pressure arrival.The simulation results provide a reference for the design of similar high-stress roadway.

Underground mining，High stress，ABAQUS，Pressure-relief roadway

2015-08-24

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB14B01)。

刘 斌(1990—)，男，硕士研究生。

TD862

A

1001-1250(2015)-11-045-06

ABAQUS Simulation of Pressure Relief Control Technology for High-stress Roadway

Liu Bin1,2，3Hou Dade1,2，3Sun Guoquan1,2，3

(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China；3.HuaweiNationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientCyclicandUtilizationofMetalMineralResourcesCo.，Ltd.，Maanshan243000，China)