深部巷道開(kāi)挖數(shù)值模擬及圍巖變形

王亮　王璐

摘 要：為了揭示深部不同地應(yīng)力環(huán)境下巷道開(kāi)挖圍巖的變形規(guī)律，為深部巷道開(kāi)挖與支護(hù)作指導(dǎo)。采用有限差分軟件建立了深部巷道模型，對(duì)不同水平側(cè)壓力狀態(tài)及開(kāi)挖進(jìn)尺深度下巷道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明：巷道拱頂豎向、拱底豎向及中部水平向的變形明顯，變形量最大發(fā)生在巷道中部，其水平向位移最大值為20 mm左右。當(dāng)深部巖體水平側(cè)壓力系數(shù)為1時(shí)，即巖體處于靜水壓力狀態(tài)，巷道開(kāi)挖引起的變形量最大。隨著開(kāi)挖深度的增大，巷道變形量趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：水平地應(yīng)力 深部巷道 側(cè)壓力系數(shù) 圍巖變形 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TD35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0020-04

地應(yīng)力是引起采礦和地下工程圍巖和支護(hù)變形、破壞的根本作用力，是確定工程巖體力學(xué)屬性的必要條件，也是對(duì)圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析和定量計(jì)算的前提條件[1-2]。地下工程的開(kāi)挖實(shí)際上是巖體在某一方面的應(yīng)力得到釋放，從而破壞了原有的力學(xué)平衡狀態(tài)[3-5]，會(huì)引起開(kāi)挖周?chē)鷰r體產(chǎn)生變形或破壞，并最終達(dá)到平衡狀態(tài)。前人研究表明，開(kāi)挖角度和側(cè)壓力系數(shù)這兩個(gè)因素對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用[6]。

隨著對(duì)能源需求量的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，國(guó)內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開(kāi)采狀態(tài)[7]。礦山朝著深部化的方向發(fā)展，深部巖體所處的應(yīng)力環(huán)境將更加復(fù)雜。該文旨在模擬在深部不同地應(yīng)力情況下的巷道開(kāi)挖，對(duì)于研究洞室圍巖的破壞機(jī)理、應(yīng)力及變形分布具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義[8]。

1 巷道模型及巖石參數(shù)定義

采用有限差分軟件建立了尺寸規(guī)格為：X方向80 m，Y方向40 m，Z方向80 m的深部巷道模型，巷道上覆巖體厚度為1 000 m；巷道斷面為圓形，其直徑為4 m。數(shù)值模擬計(jì)算選用Mohr-Coumomb彈塑性材料模型，需要定義的材料參數(shù)包括：密度、體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度[9]。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 不同開(kāi)挖方式下的模擬結(jié)果

為了模擬巷道在不同應(yīng)力狀態(tài)及開(kāi)挖進(jìn)尺下的巷道變形規(guī)律，巷道所處水平側(cè)壓力系數(shù)分別設(shè)定為0.5、0.8、1.0、1.5、2，設(shè)計(jì)巷道開(kāi)挖進(jìn)尺深度分別為2 m、3 m、4 m。在該次數(shù)值模擬中設(shè)計(jì)巷道開(kāi)挖總深度為24 m。為了監(jiān)測(cè)巷道的變形情況，在距巷道模型端面1 m處的巷道拱頂、拱底和右側(cè)中部布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。表2為不同開(kāi)挖工況下的巷道變形監(jiān)測(cè)位移結(jié)果。從表2中可以看出，巷道拱頂豎向、拱底豎向及中部水平向的變形明顯，變形量最大發(fā)生在巷道中部，其水平向位移最大值為20 mm左右。當(dāng)水平側(cè)壓力系數(shù)為1.0，即深部巖體處于靜水壓力狀態(tài)下時(shí)的變形量最大。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巷道變形影響

為了分析水平側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巷道圍巖變形的影響，以進(jìn)尺深度為3 m時(shí)為例進(jìn)行分析。表3為進(jìn)尺深度為3 m 時(shí)不同水平側(cè)壓力系數(shù)下的巷道變形。

從上圖可以看出，巷道拱頂豎向位移、拱底豎向位移和右側(cè)中部水平向位移均隨水平側(cè)壓力系數(shù)的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)水平側(cè)壓力系數(shù)為1時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的位移值最大。當(dāng)水平側(cè)壓力系數(shù)為0.5時(shí)，拱頂豎向位移出現(xiàn)正值，即向著遠(yuǎn)離巷道中心的方向變形。

3.2 開(kāi)挖深度對(duì)巷道變形影響

以水平側(cè)壓力系數(shù)為1，進(jìn)尺深度為3 m時(shí)為例，分析開(kāi)挖深度對(duì)巷道圍巖變形的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著開(kāi)挖深度的增大，巷道圍巖變形漸趨穩(wěn)定；巷道拱底和中部變形較大；拱底產(chǎn)生底鼓，變形量為15 mm；巷道中部產(chǎn)生縮徑，變形量約為20 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立深部巷道數(shù)值模型并模擬不同應(yīng)力狀態(tài)及開(kāi)挖進(jìn)尺工況條件下的巷道開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)不同工況條件下的巷道變形特征進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并分別分析了應(yīng)力狀態(tài)和開(kāi)挖深度對(duì)巷道變形的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論。

（1）巷道拱頂豎向、拱底豎向及中部水平向的變形明顯，變形量最大發(fā)生在巷道中部，其水平向位移最大值為20 mm左右。

（2）當(dāng)深部巖體水平側(cè)壓力系數(shù)為1時(shí)，即巖體處于靜水壓力狀態(tài)，巷道開(kāi)挖引起的變形量最大。

（3）隨著開(kāi)挖深度的增大，巷道變形量趨于穩(wěn)定，巷道拱底和中部變形較大。

參考文獻(xiàn)

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