最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响研究

最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响研究
阚忠辉
(安徽铜冠(庐江)矿业有限公司,㊀安徽铜陵市㊀２４４０００
)摘㊀要:根据实际地质条件,模拟分析了巷道轴向与最大水平主应力方向夹角α对巷道围岩稳定性的影响,并对现场巷道的实际破坏与维护情况做了详细调查和实测分析.研究结果表明:在其他工况条件相同时,当夹角α不同时,围岩变形趋势基本一致,最终都趋于稳定值,且夹角α越大巷道围岩稳定性就越差,但当α＜４５ʎ时,夹角α对巷道稳定性的影响较小,当α＞４５ʎ时,巷道围岩应力及位移随夹角α增大而迅速增大;南翼回风大巷的围岩变形量比北三采区回风下山大,进一步证明,在水平构造应力场影响下,夹角α越大,巷道围岩稳定性越差.
关键词:最大水平主应力;数值分析;巷道轴向夹角;围岩稳定性
㊀㊀现有研究表明,
地应力中水平应力普遍大于垂直应力[１Ｇ２
],且在最大水平主应力大于垂直主应力的情况下,最大水平主应力对巷道围岩稳定性的影响
最为重要且具有明显的方向性[３Ｇ９
],以前巷道设计与
施工中很少考虑到最大水平主应力对巷道围岩稳定性的影响,从而易造成巷道围岩变形及失稳较严重.本文以实际地质条件为背景,模拟分析了巷道轴向与最大水平主应力方向夹角对巷道围岩稳定性的影响,并对现场地应力及巷道围岩变形进行实测与分析,为巷道㊁采场布置和支护设计提供科学指导.
１㊀模型构建
采用F L A C
３D
软件构建计算模型如下:模型尺寸为４０mˑ６０mˑ４０m (长度ˑ宽度ˑ高度),共划分出２０８００个单元,巷道埋藏深度为６５０m ,巷道断面设计尺寸为图１所示;模型四围各边界设为水平位移约束,底部设为固定位移约束,顶面及侧面施加应力控制边界
.
图１㊀巷道断面
㊀㊀根据某矿水平地应力测点附近钻孔资料及巷道
揭露情况,测点最小水平主应力为７．９M P a ,最大水平主应力为２１．３M P a ,中间主应力为１２．４M P a ;材料选用摩尔－库伦模型,煤岩层力学参数由岩石力学实验得出,如表１所示;根据研究需要,分别在巷道顶板及巷帮的中部岩层中布设应力㊁位移监测线;为研究巷道轴向与最大水平主应力方向之间的夹角α对巷道围岩应力及变形特征的影响,
本次模拟方案共考虑３种计算工况,即:夹角α为０ʎ㊁４５ʎ㊁９０ʎ
.表１㊀模型煤岩体力学参数
密度泊松比弹性模量摩擦角粘聚力抗拉强度２６００
０．２２
９７２７．３
２８
１１．８
３８．３
２㊀模拟结果分析
２．１㊀围岩垂直应力特征
夹角α不同时,巷道顶板中部岩层应力变化规
律如图２所示,巷帮支承压力变化规律如图３所示.㊀㊀由图２可知,
巷道顶板中部围岩的垂直应力随距离顶板距离的增大而增大,但当增大到一定程度,其增大的幅度明显变小,当α＜４５ʎ时,随α角的增大,巷道顶板垂直应力增幅较小,当α＞４５ʎ时,随α角的增大,巷道顶板垂直应力增幅较大.
㊀㊀由图３可知,巷道开挖以后,巷道周围存在塑性区,垂直应力较小,在距离巷帮２~８m 范围内存在
垂直应力集中区,应力集中系数在１~１．４８之间.当夹角α在０ʎ~９０ʎ之间变化时,随着夹角α的增大,巷帮垂直应力逐渐增大,应力峰值也逐渐增加,
I S S N１６７１－２９００
C N４３－１３４７/T
D 采矿技术㊀第１８卷㊀第３期
M i n i n g T e c h n o l o g y ,V o l ．１８,N o ．３２０１８年５月
M a y ２
０１８
当α＝０ʎ,应力增高系数最大为１．２２,当α＝９０ʎ
时应力增高系数达到最大值为１．４８;应力达到峰值后,随着距巷帮距离的增加,垂直应力又逐渐减小趋于定值,最终接近原岩应力
.
图２㊀
巷道顶板垂直应力变化曲线
图３㊀巷帮垂直应力变化曲线
２．２㊀围岩变形特征
巷道顶板及巷帮的中部岩层位移变化曲线,如图４㊁图５所示
.
图４㊀
巷道顶板位移变化曲线
图５㊀巷帮位移变化曲线
㊀㊀由图４可知,
在围岩性质和其他条件都相同的条件下,巷道顶板位移随α角的增大呈增大趋势.
α＝０ʎ㊁４５ʎ
时的顶板下沉曲线几乎重合,说明当α＜４５ʎ时,夹角α对巷道的稳定性影响较小;当α＞４５ʎ时,随α角的增大,顶板位移显著增大,但都在６~７
m 深处开始收敛.由图５可知,巷道帮内位移量随α角增大而增大,当α＜４５ʎ
时,最大水平主应力对巷道稳定性的影响无明显变化,当α＞４５ʎ时,随α角的增大,帮部位移明显增加,但随距巷帮间距的增大,位移逐渐减小并趋于稳定.
２．３㊀围岩塑性区范围当夹角α在０ʎ~９０ʎ之间变化时,围岩塑性区分布范围如图６所示,图中蓝色部分表示弹性区,粉红色部分为破碎区,橙色代表塑性区.由图６可知,巷道围岩的破碎区主要分布在两帮和部分底板,随着α角的增加表现出逐渐增加的趋势,且在α＝９０ʎ时达到最大;巷道围岩塑性区则主要出现在顶底板部位,并且随α角的增加,分布范围逐渐扩大,最大达５．３m .图６㊀不同α的巷道围岩塑性区分布
３㊀地应力对巷道围岩稳定性影响的实测分析
为研究巷道轴向与最大水平主应力方向夹角α
对巷道围岩稳定性的影响,本文对某矿－６５０南翼回风大巷及北三采区回风下山的实际破坏与维护情
况做了详细调查和实测分析.
根据地应力实测结果可知,该矿地应力场宏观上属于水平构造应力场,且－６５０南翼回风大巷上最大水平主应力为２１．３M P a ,方位角为１１９．５ʎ
,倾角为５．２ʎ;垂直主应力为１２．４M P a ,方位角为９．７ʎ,倾角为７５．１ʎ;最小主应力为７．９M P a
,方位角为２１０．８ʎ,倾角为１３．９ʎ
.因南翼回风大巷走向为北偏东３０ʎ
,其轴向与最大水平主应力基本垂直(见图７).１
４㊀阚忠辉:㊀最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响研究
图７㊀南翼回风大巷最大水平主应力与巷道轴向夹角㊀㊀因南翼回风大巷轴向与最大水平主应力基本垂直,且受相邻工作面开采影响,南翼回风大巷围岩变形量较大,通过井下现场观察和实测结果可以看出,与采用相同支护的大巷相比,南翼回风大巷围岩变形严重,顶板下沉量为３５０~４００m m,两帮移近量达到２０００m m以上,底板起鼓明显,累计起鼓量达１．５０m,混凝土喷层多处开裂,巷道现场变形见图８.
图８㊀－６５０南翼回风大巷照片
㊀㊀北三采区回风下山的最大水平主应力为３５．０M P a,方位角为１６１．４ʎ,倾角为－６．６ʎ;垂直主应力为２３．４M P a,方位角为２８．８ʎ,倾角为－８０．３ʎ;最小主应力为１９．７M P a,方位角为２５２．３ʎ,倾角为－７．１ʎ.因北三采区回风下山巷方位角为１０６ʎ,其轴向与最大水平主应力方向夹角为５５．４ʎ(见图９).
图９㊀北三采区回风下山最大水平主应力与巷道轴向夹角㊀㊀通过井下现场观察和实测明显看出,回风下山两帮变形严重,两帮移近量大于１０００mm,底鼓和冒顶现象也较为明显,顶底板移近量大于２８０mm,顶板支护暴露,底鼓累计大于８００mm,混凝土喷层多处开裂,但巷道变形量较南翼回风大巷小,巷道现场变形见图１０.
图１０㊀北三采区回风下山照片
４㊀结㊀论
(１)模拟结果表明:夹角α对巷道围岩的稳定性影响较大,夹角α越小越有利于围岩稳定,当α＜４５ʎ时,最大水平主应力对巷道稳定性的影响无明显变化,当α＞４５ʎ时,巷道围岩应力及位移明显增大;当夹角α不同时,巷道围岩应力位移变化趋势基本一致,随着距离巷帮深度的增大,巷道顶板及侧帮的应力位移逐渐减小,最终趋于稳定并接近原岩应力.
(２)与北三采区回风下山相比,南翼回风大巷所受最大水平主应力较小,但夹角α较大,现场监测结果表明南翼回风大巷变形量较大,实践结果进一步证明,在水平构造应力场影响下,夹角α对巷道围岩稳定性具有较大的影响,因此,为保护巷道围岩的稳定性,采区布置前,应对地应力进行详细监测,尽可能使巷道轴向与最大水平主应力方向平行.
参考文献:
[１]倪兴华．地应力研究与应用[M]．北京:煤炭工业出版社,２００７．
[２]康红普．煤矿井下应力场类型及相互作用分析[J]．煤炭学报,２００８,３３(１２):１３２９Ｇ１３３５．
[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,２００５,２２(４):４８Ｇ５０．[４]王永才,康红普．金川矿山深井高应力开采潜在的问题[J]．中国矿业,２０１０,９(１２):５２Ｇ５５．
[５]鲁㊀岩,邹喜正,刘长友,等．构造应力场中的巷道布置[J]．采矿与安全工程学报,２００８,２５(２):１４４Ｇ１４９．
[６]郑书兵．寺河煤矿三维地应力场分布和巷道布置优化[J]．煤炭学报,２０１０(５):７１７Ｇ７２２．
[７]张延新,蔡美峰,欧阳振华．地应力与巷道布置关系的理论研究[J]．岩土工程技术,２００５,１９(２):９３Ｇ９７．
[８]高富强．最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响的数值分析[J]．矿业研究与开发,２００８,２８(１):６２Ｇ６４．
[９]高㊀峰．地应力分布规律及其对巷道围岩稳定性影响研究
[D]．徐州:中国矿业大学,２００９．
(收稿日期:２０１８Ｇ０３Ｇ０６)
作者简介:阚忠辉(１９８９－),男,安徽砀山人,硕士研究生,主要从事矿山压力与岩层控制㊁矿山开采技术研究,E m a i l:８１４３８９９１４＠q q．c o m.
２４采矿技术㊀㊀２０１８,１８(３)㊀。