水平應力對巷道圍巖變形破壞影響規律研究

顧巡巡

(汶上義橋煤礦有限責任公司)

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水平應力對巷道圍巖變形破壞影響規律研究

顧巡巡

(汶上義橋煤礦有限責任公司)

摘要通過數值模擬試驗，研究了在無支護條件下、不同水平應力作用下的巷道圍巖變形破壞規律和特征。結果表明：隨著水平應力的升高，巷道兩側應力值也隨之增大，應力峰值呈現遠離煤壁的趨勢，巷道主應力值和范圍隨之增加，塑性區范圍在垂直方向呈遞增趨勢，在水平方向則變化不大，但是巷道圍巖塑性區范圍有明顯增大的趨勢。

關鍵詞水平應力巷道圍巖變形破壞模擬

隨著礦井開采深度的增加，巷道所處原巖應力環境也隨之發生變化，巷道圍巖應力由自重應力和構造應力組成。根據國內外實測資料統計，在原巖應力場中，最大水平主應力與鉛直應力的比值一般為0.5～5.5[1]。由此可知，構造應力對于原巖應力具有明顯的影響，是巷道圍巖穩定的重要影響因素之一[2]。一直以來，對于巷道穩定性的影響分析主要集中在自重應力上，而對于有構造應力引起的巷道變形破壞的研究分析較少[3]。在長期實踐中發現，在大采深、靠近斷層、褶曲等地質構造附近時，水平應力對巷道圍巖的破壞起重要作用[4]，由于缺乏對水平應力引起巷道破壞機理的研究和重視，已經造成大量的工程失敗和經濟損失[5]。因此，本研究利用數值模擬軟件，研究了不同水平應力作用下巷道圍巖變形破壞特征和應力分布規律，為高水平應力作用下的巷道圍巖控制提供一定的參考。

1　數值模擬方案及模型建立

為研究水平應力場作用下巷道斷面的優化，采用離散元數值模擬軟件UDEC進行了模擬研究。以矩形巷道為例，改變側壓力系數，模擬側壓力系數分別為0.5，1.0，1.2，1.5和2.0時巷道圍巖變形破壞規律，對比分析巷道圍巖水平應力、最大主應力以及塑性區的分布演化特征。

根據數值模擬方案建立數值模型，研究水平應力場對巷道的影響。模型寬度為80m，高度為95m，矩形巷道(寬×高)4m×3m，巷道兩側各留38m煤柱，模擬埋藏深度600m。如圖1所示。

2　不同側壓力系數巷道圍巖失穩變形特征

2.1側壓系數對巷道水平應力的影響

圖2為不同側壓力系數影響下的巷道水平應力。

從圖2可以看出，隨著側壓力系數的增大，巷道兩側水平應力值也隨之增大，水平應力峰值呈現遠離煤壁的趨勢，說明煤壁兩側塑性破壞區的范圍也隨之增大。

圖1　數值模型

圖2　不同側壓力系數下巷道水平應力

2.2側壓系數對巷道最大主應力的影響

圖3為不同側壓力下巷道圍巖最大主應力的變化情況。

圖3　不同側壓力下巷道圍巖最大主應力變化

從圖3中可以看出，隨著側壓力的增大，巷道周圍主應力值和范圍也隨之增大。

2.3側壓系數對巷道塑性區分布的影響

圖4為不同側壓力下巷道圍巖塑性區分布。

圖4　不同側壓力下巷道圍巖塑性區分布

由圖4可知，當λ=0.5時，塑性區呈“扁平”狀分布，主要分布在巷道的兩幫，且關于y軸對稱；當λ=1.0時，巷道處于四周等壓狀態，圍巖塑性區在巷道周圍基本呈均勻分布；當λ>1.0時，塑性區呈“瘦高”狀分布，塑性區關于x軸對稱。

3　結　論

隨著水平應力的增加，巷道兩幫應力值明顯增加，應力峰值呈現遠離煤壁的趨勢，說明巷幫煤壁破壞范圍擴大。當λ<1.0時，塑性區呈“扁平”狀分布，塑性區主要分布在巷道的兩幫；當λ=1.0時，圍巖塑性區在巷道周圍基本呈均勻分布；當λ>1.0時，塑性區呈“瘦高”狀分布。隨著λ增加，在垂直方向的塑性區范圍呈遞增趨勢，而在水平方向的塑性區范圍變化不大，但巷道圍巖塑性區范圍有明顯增大的趨勢。因此，在高水平應力場條件下，應加強巷道頂板的支護。

參考文獻

[1]錢鳴高，石平五，鄒喜正，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]孔德森，蔣金泉.深部巷道在構造應力場中穩定性分析[J].礦山壓力與頂板管理，2000(4):56-59.

[3]宋志敏，程增慶，張生華.構造應力區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.構造應力對煤層巷道圍巖穩定性的影響研究[J].煤礦現代化，2007，76(1):38-39.

[5]張生華.構造應力作用下軟巖巷道變形與控制研究[J].礦業工程，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 山東省濟寧市汶上縣義橋鄉。