水平应力对巷道围岩变形破坏影响规律研究

顾巡巡

(汶上义桥煤矿有限责任公司)



水平应力对巷道围岩变形破坏影响规律研究

顾巡巡

(汶上义桥煤矿有限责任公司)

摘要通过数值模拟试验，研究了在无支护条件下、不同水平应力作用下的巷道围岩变形破坏规律和特征。结果表明：随着水平应力的升高，巷道两侧应力值也随之增大，应力峰值呈现远离煤壁的趋势，巷道主应力值和范围随之增加，塑性区范围在垂直方向呈递增趋势，在水平方向则变化不大，但是巷道围岩塑性区范围有明显增大的趋势。

关键词水平应力巷道围岩变形破坏模拟

随着矿井开采深度的增加，巷道所处原岩应力环境也随之发生变化，巷道围岩应力由自重应力和构造应力组成。根据国内外实测资料统计，在原岩应力场中，最大水平主应力与铅直应力的比值一般为0.5～5.5[1]。由此可知，构造应力对于原岩应力具有明显的影响，是巷道围岩稳定的重要影响因素之一[2]。一直以来，对于巷道稳定性的影响分析主要集中在自重应力上，而对于有构造应力引起的巷道变形破坏的研究分析较少[3]。在长期实践中发现，在大采深、靠近断层、褶曲等地质构造附近时，水平应力对巷道围岩的破坏起重要作用[4]，由于缺乏对水平应力引起巷道破坏机理的研究和重视，已经造成大量的工程失败和经济损失[5]。因此，本研究利用数值模拟软件，研究了不同水平应力作用下巷道围岩变形破坏特征和应力分布规律，为高水平应力作用下的巷道围岩控制提供一定的参考。

1　数值模拟方案及模型建立

为研究水平应力场作用下巷道断面的优化，采用离散元数值模拟软件UDEC进行了模拟研究。以矩形巷道为例，改变侧压力系数，模拟侧压力系数分别为0.5，1.0，1.2，1.5和2.0时巷道围岩变形破坏规律，对比分析巷道围岩水平应力、最大主应力以及塑性区的分布演化特征。

根据数值模拟方案建立数值模型，研究水平应力场对巷道的影响。模型宽度为80m，高度为95m，矩形巷道(宽×高)4m×3m，巷道两侧各留38m煤柱，模拟埋藏深度600m。如图1所示。

2　不同侧压力系数巷道围岩失稳变形特征

2.1侧压系数对巷道水平应力的影响

图2为不同侧压力系数影响下的巷道水平应力。

从图2可以看出，随着侧压力系数的增大，巷道两侧水平应力值也随之增大，水平应力峰值呈现远离煤壁的趋势，说明煤壁两侧塑性破坏区的范围也随之增大。

图1　数值模型

图2　不同侧压力系数下巷道水平应力

2.2侧压系数对巷道最大主应力的影响

图3为不同侧压力下巷道围岩最大主应力的变化情况。

图3　不同侧压力下巷道围岩最大主应力变化

从图3中可以看出，随着侧压力的增大，巷道周围主应力值和范围也随之增大。

2.3侧压系数对巷道塑性区分布的影响

图4为不同侧压力下巷道围岩塑性区分布。

图4　不同侧压力下巷道围岩塑性区分布

由图4可知，当λ=0.5时，塑性区呈“扁平”状分布，主要分布在巷道的两帮，且关于y轴对称；当λ=1.0时，巷道处于四周等压状态，围岩塑性区在巷道周围基本呈均匀分布；当λ>1.0时，塑性区呈“瘦高”状分布，塑性区关于x轴对称。

3　结　论

随着水平应力的增加，巷道两帮应力值明显增加，应力峰值呈现远离煤壁的趋势，说明巷帮煤壁破坏范围扩大。当λ<1.0时，塑性区呈“扁平”状分布，塑性区主要分布在巷道的两帮；当λ=1.0时，围岩塑性区在巷道周围基本呈均匀分布；当λ>1.0时，塑性区呈“瘦高”状分布。随着λ增加，在垂直方向的塑性区范围呈递增趋势，而在水平方向的塑性区范围变化不大，但巷道围岩塑性区范围有明显增大的趋势。因此，在高水平应力场条件下，应加强巷道顶板的支护。

参考文献

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

[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(4):56-59.

[3]宋志敏，程增庆，张生华.构造应力区软岩巷道围岩变形与控制[J].矿山压力与顶板管理，2005(4):48-50.

[4]陈立伟,唐征,田坤云.构造应力对煤层巷道围岩稳定性的影响研究[J].煤矿现代化，2007，76(1):38-39.

[5]张生华.构造应力作用下软岩巷道变形与控制研究[J].矿业工程，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

顾巡巡(1988—)，男，助理工程师，272000 山东省济宁市汶上县义桥乡。