埋深对巷道围岩稳定性的影响数值模拟

2016-09-20闫家悦

现代矿业 2016年8期

关键词：原岩塑性涨幅

闫家悦

(山西潞安高河能源有限公司)

埋深对巷道围岩稳定性的影响数值模拟

闫家悦

(山西潞安高河能源有限公司)

为分析煤矿不同埋藏深度对巷道围岩稳定性的影响，采用CDEM软件，建立了相同地质条件下的4个不同断面模型，分析了埋深对巷道围岩位移、塑性区、应力场分布的影响，揭示了大埋深巷道围岩的维护特征，供相关研究参考。

埋深围岩稳定性CDEM软件

巷道围岩的稳定性对其开挖过程与安全生产至关重要[1-3]。本研究以山西某矿为例，利用CDEM软件对不同埋深巷道的围岩稳定性进行数值模拟分析，探讨巷道围岩稳定性的埋深效应。

1　数值模型构建

依据某矿围岩力学性质及生产地质条件，构建了二维数值模型。模型采取底端固定的方法，2个侧面限制水平运动。为保证原岩应力为单一变量，仅模拟了一种岩性，巷道开挖后均无支护。为分析原岩应力变化对围岩稳定性的影响，共建立了一个拱形巷道模型，巷道宽4.6 m，高3.5 m，巷道面积13.83 m2，根据埋深分别为500，600，700，800 m分别取原岩应力12.5，15，17.5，20 MPa，侧向压力取1.2 MPa。巷道岩石力学参数见表1。

表1　数值模拟岩石力学参数

2　埋深对巷道围岩应力的影响

不同埋深对应的巷道围岩的应力分布见图1。由图1可知：浅部埋深条件下，巷道垂直应力和水平应力较小，随着巷道埋深的增加，巷道的原岩应力值不断增大，巷道浅部围岩的破坏越来越严重，其承载能力降低导致应力集中区向深部转移，且深部围岩的应力集中值越来越大。可见埋深对巷道围岩应力分布的影响较大，巷道埋深较浅时，巷道底角处出现应力集中，随着巷道原岩应力的增大，巷道底角处的集中区域向深部转移，巷道应力集中的范围也越大。

图1　不同埋深条件下的巷道垂直、水平应力分布

3　原岩应力对巷道围岩位移的影响

不同埋深条件下的巷道围岩垂直位移场分布如图2(a)所示，巷道围岩水平位移场分布如图2(b)所示，巷道位移量统计如图3所示。由图2可知：①巷道埋深对巷道围岩变形量的影响存在临界点，当巷道埋深为500～600 m时，巷道埋深每增大100 m，其顶板下沉量的平均涨幅为2.71 mm，两帮移近量的平均涨幅为7.74 mm，底臌量的平均涨幅为6.45 mm；②当巷道埋深为700～800 m时，巷道埋深每增大100 m，其顶板下沉量的平均涨幅为3.92 mm，两帮移近量的平均涨幅为9.03 mm，底臌量的平均涨幅为6.82 mm；③当巷道埋深为700～800 m时，巷道顶板下沉量、两帮移近量、底臌量分别比埋深400～600 m时上涨45%、16%；④当巷道埋深超过600 m 后，围岩变形的增加量随地应力的增大而增大，且变形速率越来越快。由图3可知：①在巷道埋深为500 m时，巷道表面位移较小，随原岩应力的增加，巷道表面位移增加缓慢，顶板下沉量、底臌量、两帮移近量均较小；②当埋深增大100 m时，其顶板下沉量的平均涨幅为 3.42 mm，两帮移近量的平均涨幅为8.51 mm，底臌量的平均涨幅为6.67 mm。

图2　不同埋深条件下的巷道垂直、水平位移分布

图3　原岩应力对巷道围岩变形量的影响■—顶板下沉量；●—两帮移近量；◆—底鼓量

4　原岩应力对巷道围岩塑性区特征的影响

不同埋深条件下对应的巷道围岩塑性区分布情况见图4。不同埋深条件下巷道围岩破坏深度的变化情况见图5。由图4、图5可知：①巷道底板的破坏深度明显大于巷道顶板及两帮，并且三者均随着围岩应力的增大而增大，塑性圈范围随原岩应力的增大远未有巷道表面位移随原岩应力增加明显且有逐渐变缓的趋势；②原岩应力较小时，巷道顶底板及两帮中部、浅部围岩首先发生拉伸破坏，随着巷道围岩应力的增大，巷道的底角开始发生剪切破坏，巷道的塑性区范围逐步变得均匀，形成较规则的圆形塑性圈，而后开始向深部发展，且深部围岩破坏为剪切破坏；③随着巷道围岩应力的增加，巷道顶底板的破坏范围分别由2.5，3.5 m增加至4，5.0 m，巷道帮部破坏范围由2.5 m增加至4 m，总体来说，原岩应力的增大对巷道两帮破坏范围的影响更为明显。