不同原岩应力下巷道群应力分布数值模拟研究

王 涛

(山西西山煤电股份有限公司,太原 030053)

随着煤矿开采深度的不断加大,巷道围岩应力也不断增高,使得很多巷道围岩实际成为工程软岩,表现为强烈的扩容和应变软化及持续流变特征,再加上采动影响及邻近巷道的施工扰动效应,巷道变形速度加快、底臌严重,部分巷道返修达90%以上。原岩应力场是巷道群扰动效应的主要影响因素之一,由重力应力场以及由地壳运动引起的构造应力场两部分组成[1]。地下巷道开挖以后,巷道围岩周边应力场受到扰动,应力场的重新分布产生新的一组应力,称为次生应力。次生应力的分布情况对巷道各工程部位产生不同的影响,垂直应力主要集中于两帮区域,而水平应力集中区域主要体现在顶底板岩层中[2]。垂直应力及侧压系数的不同对邻近巷道围岩应力分布产生不同的影响,进而也影响到巷道掘进扰动程度。

因此进行不同原岩应力状态下巷道群扰动效应的研究,对于优化矿井巷道布置、保证巷道服务时长,对矿井的安全生产、经济效益和社会效益都有重要意义。

1 模型的建立

本次模拟建立数值计算模型如图1所示,模型尺寸大小为X×Y×Z=100 m×10 m×80 m,共有网格84 320个、节点94 479个,巷道尺寸为宽×高=6 m×5 m,邻近巷道中心相距30 m,且巷道所在层位进行网格加密处理。两巷道位于模型中间位置,左侧巷道为先掘巷道,右侧巷道为后掘巷道,数值计算采用摩尔-库伦本构模型。

图1 数值分析模型Fig.1 Numerical analysis model

模型底面采用位移边界条件固定垂直方向位移,两侧面及前后面水平也采用位移边界分别固定X方向及Y方向位移,顶部为应力边界,根据模拟方案施加均布垂直载荷。模型采用单一均质材料,岩层力学参数根据表1选取。

表1 围岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

2 模拟方案

为分析不同原岩应力状态下邻近巷道群应力场分布特征,分别从垂直应力、侧压系数两方面进行研究,制订不同方案进行模拟分析。

从垂直应力角度模拟研究时,取侧压系数为1.2,设计方案见表2。

表2 不同垂直应力模拟方案Table 2 Models under different vertical stress

从不同侧压系数角度模拟研究时,设定巷道埋深为800 m,模型施加20 MPa垂直应力,设计方案见表3。

表3 不同侧压系数模拟方案Table 3 Models under different lateral stress coefficients

3 模拟结果分析

3.1 不同垂直应力下模拟结果分析

图2为不同垂直应力条件下邻近巷道掘进垂直应力分布图。由图2可以看出,由于巷道的开挖,在顶底板中部形成垂直应力降低拱区,在两帮中部形成垂直应力升高区。随着所施加垂直应力的增大,巷道顶底板及两帮应力集中影响范围逐渐增大;当邻近巷道开挖以后,巷道顶底板岩层应力集中区域逐渐连为一体,两巷道在岩柱一侧应力集中核随着垂直应力的增大逐步向中间靠拢,并最终连为一体,岩柱中间区域高应力集中程度显著增大。

另外,从水平应力分布来看,垂直应力增大时巷道周边水平应力分布形态并无明显变化，但右侧巷道的掘进对左侧巷道水平应力却带来一定影响。

图2 垂直应力分布图Fig.2 Distribution of vertical stress

图3为左侧巷道顶板水平应力峰值受右侧巷道掘进影响的变化量随垂直应力的变化曲线图。

图3 顶板水平应力峰值变化量曲线Fig.3 Peak variation of horizontal stress of roof

由图3我们可以看出掘进扰动效应对水平应力峰值应力大小的影响程度随着垂直应力的升高而增大。由此我们可知,随着垂直应力的升高,邻近巷道掘进带来的扰动效应逐渐增强,当P>25 MPa后右侧巷道带来的扰动影响程度明显升高。

根据模拟结果可知,当P=10 MPa时,顶板水平应力峰值位置距巷道拱顶5.25 m,当P=20 MPa时,顶板水平应力峰值位置升高至7.25 m,当P=30 MPa时,顶板水平应力峰值位置距巷道拱顶距离上升至9.5 m。巷道顶板水平应力峰值位置随着垂直应力的不断增大而逐步向岩体深部转移。

3.2 不同侧压系数下模拟结果分析

图4为不同侧压系数下相邻两巷岩柱中垂直应力分布情况。由图4可以看出,侧压系数的升高使得两邻近巷道应力叠加范围区域不断增大,岩柱中部的载荷逐渐增大,应力分布趋向均匀。

图4 不同侧压系数下扰动前后岩柱垂直应力分布对比图Fig.4 Vertical stress distribution of rock pillars before and after disturbance under different lateral stress coefficients

图5为先掘巷道右帮受扰动前后垂直应力峰值大小与侧压系数关系图,由图可以看出,垂直应力峰值大小随着侧压系数的增大,首先呈较快幅度的下降趋势,而后下降速度逐渐趋缓,当λ>2.25以后,侧压系数的升高对峰值应力的影响逐渐减弱,峰值应力数值曲线趋于平缓。

图5 不同侧压系数下巷道受扰动前后右帮峰值应力对比图Fig.5 Right-side peak stress before and after disturbance under different lateral stress coefficients

对比图5中两条曲线,可以看出,在受到邻近巷道掘进扰动影响后垂直应力峰值大小较扰动前有所增大。当λ<1.75时,随着侧压系数的升高,巷道右帮峰值应力大小受邻近巷道掘进扰动影响变化幅度逐步增大,当λ>1.75时,扰动效应影响程度逐渐趋于平缓,侧压系数的升高并没有使得应力峰值扰动变化量变化太大。

4 结论

用FLAC3D模拟了在不同原岩应力状态下先后掘进的两条巷道围岩应力分布规律,数值模拟结果表明:

1)随着垂直应力的增大,邻近巷道掘进扰动影响对先掘巷道顶板水平应力峰值大小影响程度不断增大,峰值变化量成上升趋势,且峰值位置逐渐远离顶板。

2)随着侧压系数的不断增大,先掘巷道左帮垂直应力集中程度呈下降趋势,并趋于某一定值;邻近巷道的掘进扰动使得垂直应力集中程度有所增大,先掘巷道受到的应力扰动影响随着侧压系数的增大首先呈上升趋势,当λ>1.75后,扰动影响程度逐步趋缓。

参考文献：

[1] 陈昌荣.地质学基础[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[2] 雷成祥.深井巷道掘进次生应力影响效应及加固对策研究[D].北京:中国矿业大学,2013:135.