不同原巖應力下巷道群應力分布數值模擬研究

王 濤

(山西西山煤電股份有限公司,太原 030053)

隨著煤礦開采深度的不斷加大,巷道圍巖應力也不斷增高,使得很多巷道圍巖實際成為工程軟巖,表現為強烈的擴容和應變軟化及持續流變特征,再加上采動影響及鄰近巷道的施工擾動效應,巷道變形速度加快、底臌嚴重,部分巷道返修達90%以上。原巖應力場是巷道群擾動效應的主要影響因素之一,由重力應力場以及由地殼運動引起的構造應力場兩部分組成[1]。地下巷道開挖以后,巷道圍巖周邊應力場受到擾動,應力場的重新分布產生新的一組應力,稱為次生應力。次生應力的分布情況對巷道各工程部位產生不同的影響,垂直應力主要集中于兩幫區域,而水平應力集中區域主要體現在頂底板巖層中[2]。垂直應力及側壓系數的不同對鄰近巷道圍巖應力分布產生不同的影響,進而也影響到巷道掘進擾動程度。

因此進行不同原巖應力狀態下巷道群擾動效應的研究,對于優化礦井巷道布置、保證巷道服務時長,對礦井的安全生產、經濟效益和社會效益都有重要意義。

1 模型的建立

本次模擬建立數值計算模型如圖1所示,模型尺寸大小為X×Y×Z=100 m×10 m×80 m,共有網格84 320個、節點94 479個,巷道尺寸為寬×高=6 m×5 m,鄰近巷道中心相距30 m,且巷道所在層位進行網格加密處理。兩巷道位于模型中間位置,左側巷道為先掘巷道,右側巷道為后掘巷道,數值計算采用摩爾-庫倫本構模型。

圖1 數值分析模型Fig.1 Numerical analysis model

模型底面采用位移邊界條件固定垂直方向位移,兩側面及前后面水平也采用位移邊界分別固定X方向及Y方向位移,頂部為應力邊界,根據模擬方案施加均布垂直載荷。模型采用單一均質材料,巖層力學參數根據表1選取。

表1 圍巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2 模擬方案

為分析不同原巖應力狀態下鄰近巷道群應力場分布特征,分別從垂直應力、側壓系數兩方面進行研究,制訂不同方案進行模擬分析。

從垂直應力角度模擬研究時,取側壓系數為1.2,設計方案見表2。

表2 不同垂直應力模擬方案Table 2 Models under different vertical stress

從不同側壓系數角度模擬研究時,設定巷道埋深為800 m,模型施加20 MPa垂直應力,設計方案見表3。

表3 不同側壓系數模擬方案Table 3 Models under different lateral stress coefficients

3 模擬結果分析

3.1 不同垂直應力下模擬結果分析

圖2為不同垂直應力條件下鄰近巷道掘進垂直應力分布圖。由圖2可以看出,由于巷道的開挖,在頂底板中部形成垂直應力降低拱區,在兩幫中部形成垂直應力升高區。隨著所施加垂直應力的增大,巷道頂底板及兩幫應力集中影響范圍逐漸增大;當鄰近巷道開挖以后,巷道頂底板巖層應力集中區域逐漸連為一體,兩巷道在巖柱一側應力集中核隨著垂直應力的增大逐步向中間靠攏,并最終連為一體,巖柱中間區域高應力集中程度顯著增大。

另外,從水平應力分布來看,垂直應力增大時巷道周邊水平應力分布形態并無明顯變化，但右側巷道的掘進對左側巷道水平應力卻帶來一定影響。

圖2 垂直應力分布圖Fig.2 Distribution of vertical stress

圖3為左側巷道頂板水平應力峰值受右側巷道掘進影響的變化量隨垂直應力的變化曲線圖。

圖3 頂板水平應力峰值變化量曲線Fig.3 Peak variation of horizontal stress of roof

由圖3我們可以看出掘進擾動效應對水平應力峰值應力大小的影響程度隨著垂直應力的升高而增大。由此我們可知,隨著垂直應力的升高,鄰近巷道掘進帶來的擾動效應逐漸增強,當P>25 MPa后右側巷道帶來的擾動影響程度明顯升高。

根據模擬結果可知,當P=10 MPa時,頂板水平應力峰值位置距巷道拱頂5.25 m,當P=20 MPa時,頂板水平應力峰值位置升高至7.25 m,當P=30 MPa時,頂板水平應力峰值位置距巷道拱頂距離上升至9.5 m。巷道頂板水平應力峰值位置隨著垂直應力的不斷增大而逐步向巖體深部轉移。

3.2 不同側壓系數下模擬結果分析

圖4為不同側壓系數下相鄰兩巷巖柱中垂直應力分布情況。由圖4可以看出,側壓系數的升高使得兩鄰近巷道應力疊加范圍區域不斷增大,巖柱中部的載荷逐漸增大,應力分布趨向均勻。

圖4 不同側壓系數下擾動前后巖柱垂直應力分布對比圖Fig.4 Vertical stress distribution of rock pillars before and after disturbance under different lateral stress coefficients

圖5為先掘巷道右幫受擾動前后垂直應力峰值大小與側壓系數關系圖,由圖可以看出,垂直應力峰值大小隨著側壓系數的增大,首先呈較快幅度的下降趨勢,而后下降速度逐漸趨緩,當λ>2.25以后,側壓系數的升高對峰值應力的影響逐漸減弱,峰值應力數值曲線趨于平緩。

圖5 不同側壓系數下巷道受擾動前后右幫峰值應力對比圖Fig.5 Right-side peak stress before and after disturbance under different lateral stress coefficients

對比圖5中兩條曲線,可以看出,在受到鄰近巷道掘進擾動影響后垂直應力峰值大小較擾動前有所增大。當λ<1.75時,隨著側壓系數的升高,巷道右幫峰值應力大小受鄰近巷道掘進擾動影響變化幅度逐步增大,當λ>1.75時,擾動效應影響程度逐漸趨于平緩,側壓系數的升高并沒有使得應力峰值擾動變化量變化太大。

4 結論

用FLAC3D模擬了在不同原巖應力狀態下先后掘進的兩條巷道圍巖應力分布規律,數值模擬結果表明:

1)隨著垂直應力的增大,鄰近巷道掘進擾動影響對先掘巷道頂板水平應力峰值大小影響程度不斷增大,峰值變化量成上升趨勢,且峰值位置逐漸遠離頂板。

2)隨著側壓系數的不斷增大,先掘巷道左幫垂直應力集中程度呈下降趨勢,并趨于某一定值;鄰近巷道的掘進擾動使得垂直應力集中程度有所增大,先掘巷道受到的應力擾動影響隨著側壓系數的增大首先呈上升趨勢,當λ>1.75后,擾動影響程度逐步趨緩。

參考文獻：

[1] 陳昌榮.地質學基礎[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[2] 雷成祥.深井巷道掘進次生應力影響效應及加固對策研究[D].北京:中國礦業大學,2013:135.