基于应变软化模型的软岩巷道卸压孔布置

赵韦韦

(山西潞安集团 慈林山煤业有限公司， 山西 长治 046605)

0 引言

在煤矿生产中，随着开采深度的增加，复杂的地质条件使得高应力、高围压的岩石巷道越来越多，冲击地压灾害常有发生，此种情况严重影响我国煤炭的正常开采并带来一定的安全问题。目前，多种释放高应力的手段被应用于矿井生产，其中大直径钻孔卸压技术的应用效果明显，并且应用成本较低，被广泛使用[1]。钻孔卸压技术使得巷道的应力峰值向巷道围岩的深部转移，降低了所处围岩的应力状态，有效防止了围岩冲击地压的发生[2-3]。本文采用考虑应变软化的摩尔库伦准则计算分析巷道围岩软化区范围，并以此为基础作为现场设计卸压钻孔间距的理论依据。

1 工程地质背景

山西潞安集团慈林山煤矿的高应力巷道开挖过程中，伴随着极其强烈的冲击地压发生，对生产造成严重影响，对工人生命安全带来严重威胁。因构成巷道的岩石岩性多为软岩，进行支护的效果并不显著，且支护成本及维护的费用较高，所以对矿山的经济发展造成了较大的阻碍。为解决巷道围岩的应力集中问题，决定采用大直径钻孔卸压方法,如何最优化布置大直径钻孔间距影响到卸压效果的好坏以及卸压成本的高低，为得到有效且合理的卸压孔布置方案，本文以应变软化下的塑性区大小为依据确定卸压孔间距。

2 理论分析

2.1 力学模型

本文采用考虑应变软化的摩尔库伦准则[4-6]，该准则所使用的力学模型由图1所示。

图1 考虑应变软化的摩尔库伦准则力学模型

图1中,P0为原岩应力；设巷道断面为圆形，其圆形半径为r0；在巷道径向方向产生了塑性破碎区Rb与塑性软化区Rp。由图1可以看出,所划分的2个开挖影响区域由内而外分别定义为塑性破碎区、塑性软化区。2个区域分别代表着围岩处于塑性软化状态和残余应力状态。计算时仅考虑塑性软化区的范围大小，不考虑塑性破碎区。

2.2 屈服准则

假设钻孔处于静水应力场，且不考虑围压不等，该问题属于轴对称问题。构成巷道的围岩具有各向同性且均质。假设巷道轴向长度无限，简化为平面应变问题。

摩尔库伦屈服准则在塑性区的表达为：

(1)

3 钻孔应力分布状态及影响范围

在侧压系数为1的条件下，塑性软化区总应变：

(2)

(3)

(4)

式中：σc为岩石的单轴抗压强度；Mc为岩石的软化模量，可由应力等值于残余强度的差值和最大、最小主应变的差值相比求得；η1为系数,取值上可与KP取同值。

当围岩处于塑性状态时：

可得塑性软化区半径表达式为:

(5)

4 数值模拟分析

由图2看出,随着与巷道壁距离的逐渐增加，巷道径向方向的切向应力先增大后减小，在与距离巷道壁10 m时的最大应力为14.5 MPa，应力集中系数为1.45，在距离巷道壁30 m时应力减小为原岩应力。巷道径向方向的径向应力逐渐增大，在距离巷道壁30 m时，增大到原岩应力。

圆形巷道围岩中的切向应力可以视为巷道垂直应力[3]。提取图2中按巷道径向方向各点的切向应力，得表1。以钻孔深度为基准，按照求得开挖巷道的塑性圈大小的方法，可以得出不同深度下钻孔所对应的应力值，即表1所示。

图2 开挖巷道的径向与切向应力变化曲线表1 按巷道径向方向各点切向应力

与巷道壁距离/m124681012应力/MPa1.11.33.14.612.814.513.2

以表1所得的钻孔轴向(即沿巷道径向方向)各个点的切向应力大小为基础，将求得的钻孔各点的截面作为新的圆形截面，分别求截面的塑性区大小，并以塑性软化区的边界作为钻孔的影响范围，以表1各个点所对应的影响范围为判断依据，将表1对应的切向应力作为钻孔各个点计算其塑性区大小的原岩应力，代入式(5)，得出钻孔各个点的塑性软化区影响半径，见表2。

表2 沿钻孔轴向卸压范围与变形量

由表2可知：各个钻孔各个点的影响范围大小，最大影响范围为0.51 m，将此范围作为钻孔的最大影响范围，并以此为基础布置钻孔可得出钻孔的布置间距在1 m时，不同钻孔之间可以相互影响达到卸压的目的。

岩石的黏聚力反映了岩石本身的性质，根据上述钻孔卸压的相关数据，运用MATLAB进行了岩石黏聚力的数值模拟，见图3。

由图3看出，在软岩巷道的塑性区范围内，进行钻孔卸压的巷道在其巷道的径向方向黏聚力减少，使得巷道内壁上的聚集的岩石能量随着岩石的破碎释放，且在巷道内壁上形成塑性区，一定程度上阻滞了力的传递。

图3 钻孔影响范围内岩石黏聚力变化

5 结论

1) 应用MATLAB模拟了以应变软化模型为基础并考虑扩容影响下的巷道和钻孔应力分布情况，得出结论：卸压孔布置间距为1.0 m可以达到较好的卸压效果。

2) 卸压孔在巷道周围形成一定宽度的塑性软化区，使得巷道周围的能量在释放时受到一定程度的阻滞，衰减了应力作用。