不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

杨睿

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

杨睿

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）

采用UDEC离散元程序，对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明：侧向系数相同时，随巷道埋深逐渐增大，围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大，但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象，而巷道围岩变形量基本呈线性增长；当水平应力较大时，巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大，需加强巷道顶板及底板的支护；当水平应力较小时，巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大，需加强巷道两帮支护。

水平应力；深部；巷道；U D EC；塑性区

1 引言

地应力是引起地下工程围岩破坏的根本因素，初始地应力场的研究更是地下结构稳定性研究的前提和必要条件。长期以来，人们只注重自重应力及其引起的支承压力对巷道围岩稳定性的影响，而由构造应力引起巷道破坏的机理也不是很清楚[1～3]。随着开采深度的增加，造成采场矿压显现剧烈，特别是在构造影响强烈的地区，围岩压力的增大不仅表现在垂直应力的增加上，更表现在水平应力的增加上，较大的水平构造应力往往大于自重应力[4]。关于水平应力对巷道围岩稳定性的影响，国内外的研究表明，巷道顶底板破坏的主要因素是水平应力而不是垂直应力[5～7]。许多学者利用相似模拟和数值模拟的方法，对水平应力下巷道围岩变形破坏特征也做了许多研究。勾攀峰等[8]通过相似模拟试验和数值模拟的方法，研究了不同水平应力作用下锚杆支护以及无支护条件下巷道围岩变形破坏特征；靖洪文[9]等对水平应力软岩巷道破坏机理进行了研究。

不同水平应力下巷道围岩变形破坏特征的研究方面虽取得了许多成果，但对不同水平应力下深部回采巷道顶底板及侧帮塑性区演化规律和围岩变形特征方面的研究还不够完善，基于此，本文选用UDEC离散元程序，对不同水平应力作用下深部回采巷道围岩塑性区演化规律及其变形量进行分析。

2 数值试验设计

以山东西南部某矿运输顺槽为工程背景，巷道断面为矩形，根据采矿地质条件，围岩弹性模量为7.2GPa，容重为25 kN/m3，黏聚力为2.2MPa，泊松比为0.28，抗拉强度为1.3MPa，内摩擦角为38°；模型的长×高=20m×20m，限制底部的位移，上表面施加载荷，侧面采用应力边界，采用摩尔-库伦破坏准则。试验设计方案如表1所示。

表1 试验方案设计

3 不同深度巷道围岩变形破坏特征

对侧压系数相同、埋深不同的巷道进行开挖计算，围岩塑性区分布如图1所示。不同深度下巷道围岩塑性区最大范围及围岩变形量最大值如表2所示。根据表2数据得到巷道围岩塑性区及变形量最大值的变化曲线如图2、图3所示。

图1 不同深度巷道围岩塑性区分布

表2 不同埋深巷道塑性区范围及围岩变形量

根据计算结果可知，随巷道埋深的逐渐增大，围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大，但塑性区范围与变形量的增加形式不同。巷道埋深小于1 000m时，围岩塑性区范围稳步增长，埋深从1 000m增加到1 100m时，塑性区范围突然增大，特别是巷道侧帮的塑性范围，其突增程度比顶底板更为明显，埋深大于1100后，塑性区范围又趋于稳步增长；与塑性区范围变化曲线不同，巷道围岩变形量曲线随着埋深的增大基本成线性增长。

图2 不同埋深巷道塑性区范围最大值

图3 不同埋深巷围岩变形量最大值

对比巷道顶板、底板及侧帮塑性区范围及变形量曲线可以发现，不同巷道埋深下，顶板的塑性区范围及围岩变形量比底板、侧帮都要大，表明巷道围岩最难控制的区域为其顶板；此外，巷道底板塑性区范围要大于侧帮，底板与侧帮的围岩变形量则无明显的差别，变化规律一致。

4 不同侧压次数巷道围岩变形破坏特征

对侧压系数不同、埋深相同的巷道进行开挖计算，围岩塑性区分布如图4所示。不同深度下，巷道围岩塑性区最大范围及围岩变形量最大值如表3所示。根据表1数据，得到巷道围岩塑性区及变形量最大值的变化曲线，如图5、图6所示。

图4 不同侧压系数巷道围压塑性区分布

表3 不同侧压系数巷道塑性区范围及围岩变形量

由表3可知，λ<1时，随着侧压系数的降低，塑性区范围在水平方向上的呈递增趋势，在垂直方向上面呈递减的趋势，塑性区分布呈现扁平状；λ=1时，巷道围岩处于均压状态，围岩塑性区在巷道四周分布基本均匀，各方向塑性区分布相差不大；λ>1时，随侧压系数的增大，在垂直方向上，塑性区的范围呈递增趋势，在水平方向上塑性区则成递减趋势，但递减幅度较低，然而巷道围岩整体的塑性区范围呈现出明显的增大趋势，分布形状呈瘦高型。

图5 不同埋深巷道塑性区范围最大值

图6 不同埋深巷道围岩变形量最大值

与塑性区的分布规律不同，巷道围岩变形量随侧压系数的增加而增加，并且顶板围岩变形量始终大于底板及侧帮围岩的变形量。

综合分析可知，侧压系数对巷道围岩塑性区分布影响规律为：当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大，故需加强巷道顶板及底板的支护，尽量减少垂直方向上的塑性区的分布范围，降低巷道顶底板的变形量；当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大，故需加强巷道两帮支护，尽量减少水平方向上塑性区的分布，降低巷道两帮的变形量。

5 结论

1）侧向系数相同时，随巷道埋深的逐渐增大，围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大，但塑性区范围与变形量的增加形式不同，围岩塑性区在增长过程中存在突增现象，而巷道围岩变形量基本呈线性增长。

2）当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大，塑性区分布呈瘦高型，需加强巷道顶板及底板的支护，降低巷道顶底板围岩塑性区范围及变形量；当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大，需加强巷道两帮支护，降低巷道两帮围岩塑性区范围及变形量。

【1】何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.

【2】孔德森,蒋金泉.深部巷道在构造应力场中稳定性分析[J].矿山压力与顶板管理,2000,17(4):56-58.

【3】ZHAOC,HEBBLEWHITEB,GALVINJ.Analyticalsolutionsfor mininginducedhorizontalstressin floorsofcoalminingpanels[J]. ComputerMethodsinAppliedMechanicsand Engineering,2000,184 (1):125-142.

【4】李学华,姚强岭,张农,等.高水平应力跨采巷道围岩稳定性模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2008，25(4):420-425.

【5】乔卫国,宋伟杰,林登阁,等.深部高应力巷道围岩力学特征及稳定性控制技术[J].中国矿业,2015,24(8):92-95+100.

【6】任志成,杨胜利,孔德中.深部巷道围岩变形与破坏特征[J].煤矿安全,2014,45(8):224-227.

【7】钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

【8】勾攀峰，韦四江，张盛.不同水平应力对巷道稳定性的模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（2）：143-148.

【9】王文龙,靖洪文,杨大林.高水平应力软岩巷道破坏机理分析及对策[J].煤矿安全,2010（9）:129-132.

FailureFeatures ofSurroundingRock inDeepM iningGatewayUnderDifferent Horizontal Stress

YANGRui
(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，Shandong Universityof Scienceand Technology，Qingdao266590，China)

The deformation characteristics of surrounding rock of deep m ining roadway under different horizontal stress depthareanalyzedbyusingUDECdiscreteelementprogram.Theresultsshow thatw ith thesamelateralcoefficient,theplastic zone of surrounding rock and the deformation of surrounding rock gradually increase with the increase of the depth of the tunnel.The plastic zone of the surrounding rock in the grow th process exists surge phenomenon,while the deformation of surrounding rock is increasing linearly.When the horizontal stress is large,the plastic zone of roadway surrounding rock is largerthan thehorizontaldirection in theverticaldirection,and thesupportoftheroofand floorshouldbestrengthened.When thehorizontalstressissmall,theplasticzoneof roadwaysurrounding rock is largerthan theverticaldirection in thehorizontal direction,and thebothsidesneed tobestrengthened.

horizontalstress;deep;roadway;UDEC;plasticzone

TD313+.1

A

1007-9467（2016）08-0071-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.015

2016-04-16

杨睿（1995～），男，山东泰安人，助理讲师，从事岩土工程研究，（电子信箱）yangruisdust@163.com。