深部巷道圍巖熱-固耦合條件下的變形破壞數(shù)值分析

譚云亮，張　強(qiáng)

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山東 青島 266590;2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

深部巷道圍巖熱-固耦合條件下的變形破壞數(shù)值分析

譚云亮1,2，張強(qiáng)1,2

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山東 青島 266590;2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：為研究深部巷道圍巖熱-固耦合條件下的變形破壞特征，根據(jù)深部巷道圍巖體穩(wěn)態(tài)溫度場模型，得出了熱-固耦合條件下深部巷道圍巖體應(yīng)力場、位移場及塑性圈半徑的解析解，總結(jié)了熱應(yīng)力作用下圍巖變形破壞的影響因素。借助Comsol Multiphysics多物理場耦合仿真軟件對深部巷道圍巖進(jìn)行熱-固耦合數(shù)值模擬，并將巖石力學(xué)參數(shù)與溫度的關(guān)系引入模擬計算，分析了熱應(yīng)力、支護(hù)阻力對圍巖變形破壞的影響規(guī)律。仿真結(jié)果顯示，圍巖熱應(yīng)力場分布呈非線性變化，淺部應(yīng)力梯度大，深部應(yīng)力梯度??；當(dāng)巷內(nèi)溫度低于原巖溫度時，熱應(yīng)力為壓應(yīng)力；隨原巖溫度升高，徑向卸壓范圍及切向應(yīng)力集中范圍擴(kuò)大，圍巖塑性圈寬度和徑向位移值有所增大；隨巷內(nèi)支護(hù)阻力提高，圍巖塑性圈寬度和徑向位移值則有所減小?，F(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖熱應(yīng)力場、應(yīng)力場及位移場計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：深部巷道；溫度場；應(yīng)力場；熱-固耦合；圍巖；穩(wěn)定性

深部巖體高地應(yīng)力、高地溫、高滲透水壓力的特殊環(huán)境，構(gòu)成了影響深部巖土工程穩(wěn)定性的重要因素。徐燕萍等[1-2]研究了巖石在高溫高壓作用下的熱彈塑性力學(xué)特性，推導(dǎo)了溫度作用下的巖石熱彈塑性力學(xué)特性本構(gòu)方程。孟召平等[3-5]基于深部條件下不同溫度和壓力對砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響，建立了砂巖力學(xué)性質(zhì)與溫度和壓力之間的相關(guān)關(guān)系，得出巖石的剛度和強(qiáng)度均隨溫度的增大而降低。左建平等[6-8]基于西原流變模型，得出熱力耦合作用下西原模型的本構(gòu)方程。唐世斌等[9-10]考慮巖石的非均勻性和熱固耦合作用，在原有巖石破裂過程分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了具有熱固耦合作用的巖石熱破裂分析模型，為從細(xì)觀力學(xué)角度分析巖石的熱破裂過程和機(jī)制提供了一種新的方法。張樹光等[11-12]基于裂隙巖體的流-熱耦合數(shù)學(xué)模型，描述了裂隙巖體滲流場分布和水流及巖體的溫度場分布，并結(jié)合邊界條件及計算參數(shù)對裂隙巖體的流-熱耦合傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，得出滲流對巖體內(nèi)溫度的變化規(guī)律有明顯的影響。張明璐等[13]基于巖石有效應(yīng)力原理修正M-C準(zhǔn)則，以FLAC3D中的M-C模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)修正模型H-M-C中的拉應(yīng)力屈服函數(shù)，剪切、拉伸勢函數(shù)，實(shí)現(xiàn)該模型的FLAC調(diào)用。

上述研究著重于溫度影響下巖石本構(gòu)模型及巖石力學(xué)性質(zhì)的理論分析，缺乏從具體工程角度對其影響機(jī)理的探討。針對深部巷道穩(wěn)定性控制及支護(hù)設(shè)計，往往只關(guān)注深部高原巖應(yīng)力，卻忽視了深部巷道圍巖的熱應(yīng)力場對圍巖變形破壞的影響。由于巷內(nèi)通風(fēng)使圍巖處于一個變化的溫度場，即某一深度處巖層溫度恒定，巷道開挖后，通風(fēng)使巷道表面溫度下降，與圍巖發(fā)生熱交換，溫度變化使巖石產(chǎn)生熱應(yīng)力；另外，溫度會改變巖石力學(xué)性質(zhì)。因此，討論深部巷道圍巖熱-固耦合條件下對圍巖變形破壞的影響具有重要意義。

1熱-固耦合作用下應(yīng)力場分析

如圖1所示，試驗(yàn)證明，巖石承載后變形及破壞與其所處的地溫環(huán)境相關(guān)，峰值前應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率隨溫度增加而減小，屈服應(yīng)力降低，表現(xiàn)為巖石強(qiáng)度、剛度隨溫度增大而減小。

巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比及內(nèi)聚力與溫度的關(guān)系[14]為：

(1)

其中：T1為溫度，℃；σ1，E1，μ1，c1分別為溫度為T1時的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比及內(nèi)聚力；σ0，E0，μ1分別為溫度為0℃時的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比；k1，k2，k3分別為溫度對抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比的影響系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角。

深部巖體溫度較高，通過通風(fēng)調(diào)節(jié)巷內(nèi)溫度。巷內(nèi)和圍巖體產(chǎn)生熱交換，使圍巖溫度場分布發(fā)生改變，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響圍巖體的應(yīng)力分布。

對于圍巖熱傳導(dǎo)問題，作如下假設(shè)[15]：

1) 圍巖為均質(zhì)各向同性導(dǎo)熱體，各方向?qū)嵝阅芏枷嗤?/p>

2) 溫度只沿巷道徑向方向變化，走向方向上無溫差；

3) 巷道為半徑為a圓形水平巷道，巷道內(nèi)溫度呈穩(wěn)態(tài)分布，恒定為Ta，受巷道內(nèi)溫度影響的圍巖體的半徑為R，此處巖體溫度為原巖溫度TR，處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，且R?a；

4) 巷道在開挖之前，溫度為原巖溫度TR，即圍巖初始溫度為TR。

設(shè)原巖應(yīng)力為各個方向大小相等的載荷q2，圓形巷道表面設(shè)置各個方向大小相等的支護(hù)阻力q1。

因此，圍巖應(yīng)力場的求解就成為內(nèi)半徑為a，溫度為Ta，外半徑為R，溫度為TR的厚壁圓筒形成的熱應(yīng)力場與原巖應(yīng)力為q2，支護(hù)阻力為q1的均布載荷下固體力學(xué)應(yīng)力場的疊加問題，如圖2。

圖1　不同溫度下砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖2　深部圓形巷道圍巖體熱-固耦合示意圖

圍巖體穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程為

(2)

邊界條件為

(3)

聯(lián)立式(2)、式(3)得到圍巖溫度場分布：

(4)

巖體變溫過程中，其熱應(yīng)力為

(5)

其中：α為巖石的線脹系數(shù)。

根據(jù)彈性力學(xué)中平面應(yīng)變問題求解得到熱-固耦合作用下應(yīng)力場解析解為：

(6)

由式(6)可看出，影響深部巷道圍巖應(yīng)力場變化的因素包括三部分：由溫度的變化ΔT所產(chǎn)生的熱應(yīng)力；支護(hù)阻力q1作用下在圍巖內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力；原巖應(yīng)力q2作用下在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力。巷道內(nèi)外存在的溫差與其產(chǎn)生的熱應(yīng)力呈線性關(guān)系，即溫差越大，熱應(yīng)力越大，反之則越小；當(dāng)溫差為正值即溫度升高時，熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，反之為壓應(yīng)力；徑向方向上支護(hù)阻力為壓應(yīng)力，切向方向?yàn)槔瓚?yīng)力；徑向方向和切向方向上原巖應(yīng)力都為壓應(yīng)力。

根據(jù)側(cè)壓系數(shù)為1的受力特征，認(rèn)為切向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，而徑向應(yīng)力為最小主應(yīng)力；采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則作為進(jìn)入塑性狀態(tài)的條件，則起始塑性條件為

σθ=ξσr+σv。

(7)

塑性區(qū)內(nèi)靜力平衡方程為

(8)

邊界條件為

r=a?σrp=q1。

(9)

可得塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力分量為：

(10)

塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移關(guān)系為：

(11)

式中：φ為塑性模數(shù)。

巖體在彈塑性交界點(diǎn)處滿足：r=Rp；σθp=σθ；σrp=σr?？傻盟苄匀Π霃絉p及位移為：

(12)

由式(12)看出，塑性圈半徑及位移不僅與巖體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且受到原巖應(yīng)力q2、巷道半徑a、巷道內(nèi)外溫差ΔT及支護(hù)阻力q1的影響。

2熱-固耦合條件下的巷道圍巖模擬研究

借助Comsol Multiphysics多物理場耦合仿真軟件進(jìn)行熱-固耦合分析，研究熱應(yīng)力、支護(hù)阻力等因素對圍巖變形破壞的影響規(guī)律。模擬采用間接法，先進(jìn)行固體傳熱分析，計算熱應(yīng)力場分布情況，然后將固體傳熱源項施加到固體力學(xué)分析計算中，并施加相應(yīng)的邊界條件求解。

2.1模型及模擬方案

以圓形巷道為例進(jìn)行模擬計算，圍巖類別參照常溫狀態(tài)下砂巖，特征參數(shù)見表1，并結(jié)合式(1)將砂巖力學(xué)參數(shù)與溫度關(guān)系引入到模擬計算中。

由于研究區(qū)域?yàn)殡p軸對稱平面應(yīng)變問題，因此選取巷道圍巖的四分之一建模，幾何尺寸為15 m×15 m，巷道半徑2 m。網(wǎng)格劃分采用自由剖分三角形，計算模型共剖分為1 210個單元，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 325。巷道附近周邊網(wǎng)格進(jìn)行加密，其他部分網(wǎng)格成發(fā)散狀布置。

圖3　網(wǎng)格劃分及邊界條件示意圖

邊界條件為左邊界水平約束，下邊界垂直約束，上邊界、右邊界為壓力邊界，大小為25 MPa。巷道內(nèi)壁施加支護(hù)阻力。巷內(nèi)溫度恒定為20 ℃。模擬材料本構(gòu)模型選用莫爾-庫侖彈塑性模型。網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖3。

所采用的模擬研究方案為：

1) 保持巷內(nèi)支護(hù)阻力不變(1 MPa)，設(shè)定圍巖初始溫度分別為20，30，40，50，60 ℃。

2) 保持圍巖初始溫度不變，設(shè)定巷內(nèi)支護(hù)阻力分別為0，1，3，5 MPa。

3) 對方案1、方案2巷道圍巖的塑性圈半徑及巷道表面徑向位移進(jìn)行監(jiān)測，并與式(12)計算的理論值對比。

4) 對比分析固體力學(xué)物理場和熱-固耦合物理場作用下圍巖的變形破壞情況。

表1　砂巖特性參數(shù)表

2.2模擬結(jié)果

2.2.1熱-固耦合作用下的應(yīng)力場分布

將模擬結(jié)果與式(4)、式(5)理論解對比，實(shí)線表示模擬值，各離散點(diǎn)表示理論解，如圖4～5所示。圖4、圖5分別為不同圍巖初始溫度下溫度場和熱應(yīng)力場分布曲線。可以發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖溫度場和熱應(yīng)力場分布呈非線性變化，且隨距離和巷內(nèi)溫度的增大，變化梯度逐漸減小，圍巖淺部變化梯度大，深部變化梯度??；圍巖初始溫度始終高于巷內(nèi)溫度，熱應(yīng)力在圍巖內(nèi)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其值在巷道附近最大；隨圍巖初始溫度的升高，壓應(yīng)力值逐漸增大，當(dāng)圍巖溫度為60 ℃時，壓應(yīng)力達(dá)到最大值10 MPa，隨距巷道壁距離的增大，逐漸趨于0。無論是溫度場還是熱應(yīng)力場，模擬值與理論值完全吻合。

圖4　圍巖不同初始溫度下的溫度場穩(wěn)態(tài)分布

圖5　圍巖不同初始溫度下的熱應(yīng)力場分布

由圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，巷道開挖使圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為二向應(yīng)力狀態(tài)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力在圍巖內(nèi)均為壓應(yīng)力，且巷道附近都出現(xiàn)一定范圍的卸壓區(qū)。隨著圍巖初始溫度的升高，卸壓區(qū)范圍逐漸增大，對于切向應(yīng)力，在巷道附近經(jīng)過小范圍的卸壓后，出現(xiàn)較大面積的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨圍巖初始溫度升高，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴(kuò)大。因?yàn)樘幱谙锏辣诟浇鼛r體在耦合場作用下發(fā)生塑性破壞，降低了圍巖承載能力，將一部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鄰近巖體，使圍巖體表現(xiàn)為一定程度的應(yīng)力集中。

耦合場作用下圍巖初始溫度為20 ℃時，與固體力學(xué)物理場作用下，卸壓區(qū)和應(yīng)力集中分布范圍大體一致。因?yàn)橄飪?nèi)溫度與圍巖初始溫度均為20 ℃，圍巖內(nèi)的溫度沒有發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致熱應(yīng)力值為0，對固體力學(xué)應(yīng)力場沒有產(chǎn)生影響。隨著圍巖初始溫度的增大，卸壓區(qū)和應(yīng)力集中范圍都有明顯的增大，這是因?yàn)橄飪?nèi)溫度低于原巖溫度：一方面，由于溫差引起的熱應(yīng)力在圍巖內(nèi)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，原巖應(yīng)力作用下，圍巖內(nèi)均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，使得耦合場下壓應(yīng)力值增大；另一方面，圍巖內(nèi)的溫度升高使得巖體的強(qiáng)度減小，使得圍巖承載能力降低，不利于圍巖體的穩(wěn)定。

圖6　圍巖內(nèi)徑向應(yīng)力分布

圖7　圍巖內(nèi)切向應(yīng)力分布

2.2.2熱-固耦合作用下塑性圈寬度及徑向位移分布

由圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，巷道開挖使圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為二向應(yīng)力狀態(tài)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力在圍巖內(nèi)均為壓應(yīng)力，且巷道附近都出現(xiàn)一定范圍的卸壓區(qū)。隨著圍巖初始溫度的升高，卸壓區(qū)范圍逐漸增大，對于切向應(yīng)力，在巷道附近經(jīng)過小范圍的卸壓后，出現(xiàn)了較大面積的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨圍巖初始溫度升高，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴(kuò)大。因?yàn)樘幱谙锏辣诟浇鼛r體在耦合場作用下發(fā)生塑性破壞，降低了圍巖承載能力，將一部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鄰近巖體，使圍巖體表現(xiàn)為一定程度的應(yīng)力集中。

耦合場作用下圍巖初始溫度為20 ℃時，與固體力學(xué)物理場作用下，卸壓區(qū)和應(yīng)力集中分布范圍大體一致，因?yàn)橄飪?nèi)溫度與圍巖初始溫度相同，圍巖內(nèi)的溫度沒有發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致熱應(yīng)力值為0，對固體力學(xué)應(yīng)力場沒有產(chǎn)生影響。隨著圍巖初始溫度的增大，卸壓區(qū)和應(yīng)力集中范圍都明顯增大，這是因?yàn)橄飪?nèi)溫度低于原巖溫度：一方面，由于溫差引起的熱應(yīng)力在圍巖內(nèi)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，原巖應(yīng)力作用下，圍巖內(nèi)均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，使得耦合場下壓應(yīng)力值增大；另一方面，圍巖內(nèi)的溫度升高使得巖體的強(qiáng)度減小，圍巖承載能力降低，不利于圍巖體的穩(wěn)定。模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，吻合性較好，驗(yàn)證了Comsol Multiphysics用于分析熱-固耦合問題的適用性。

圖8　圍巖內(nèi)塑性圈寬度分布

圖9　圍巖內(nèi)徑向位移分布

無論是固體力學(xué)物理場還是熱-固耦合場作用下，隨巷內(nèi)支護(hù)阻力的增大，塑性圈寬度和徑向位移值都有明顯的減小，塑性圈寬度平均減小幅度為0.133 m/MPa，徑向位移平均減小幅度為4.2 mm/MPa。耦合場作用下，隨圍巖初始溫度的升高，塑性圈寬度和徑向位移值逐漸增大，塑性圈寬度平均增大幅度為1.33 cm/℃，徑向位移平均增大幅度為1.22 mm/℃，圍巖初始溫度為60℃時，塑性圈寬度和徑向位移值達(dá)到最大，分別為1.58 m和88.3 mm。

通過數(shù)值模擬及理論分析可以發(fā)現(xiàn)，在巷內(nèi)溫度一定的條件下，隨圍巖初始溫度的升高，徑向圍巖卸壓圈范圍增大，巷道附近巖體的應(yīng)力值逐漸減小，切向應(yīng)力集中范圍逐漸增大，因此使得徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力差值隨溫度增大而增大。同時，巖石強(qiáng)度和剛度隨溫度增大而降低。這兩個方面的作用使巖體達(dá)到屈服極限，出現(xiàn)塑性破壞，使得塑性圈寬度和巷道表面的位移增大。

3現(xiàn)場試驗(yàn)分析

濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)安居煤礦東部集中軌道大巷，工作面標(biāo)高為-940 m，設(shè)計斷面形狀為半圓拱形，巷道凈寬為4.9 m，墻高為1.8 m。根據(jù)東部集中大巷地應(yīng)力監(jiān)測資料可知，最大水平主應(yīng)力為33.19～36.69 MPa，為垂直應(yīng)力的1.38～1.62倍，與巷道掘進(jìn)方向夾角為4.99°～17.47°。巷道頂?shù)装鍘r性均為粉砂巖、細(xì)砂巖、砂巖，巖層厚度約為50 m，圍巖的力學(xué)參數(shù)及熱物理學(xué)參數(shù)見表2。區(qū)內(nèi)地溫平均梯度值為2.26 ℃/(100 m)，-940 m水平地溫為35 ℃，局部地溫可達(dá)40 ℃。巷道施工歷時兩年，在不同時期分別對巷內(nèi)溫度進(jìn)行記錄，通過數(shù)值模擬對以上條件進(jìn)行熱-固耦合分析，對比耦合場下不同巷內(nèi)溫度及不考慮熱應(yīng)力場作用時圍巖破壞及變形情況，并對圍巖的塑性區(qū)范圍及位移場進(jìn)行監(jiān)測，以便更好地指導(dǎo)現(xiàn)場支護(hù)設(shè)計，結(jié)果如表3。

表2　圍巖特性參數(shù)表

表3　圍巖塑性區(qū)及位移場分布

通過對安居煤礦東部集中大巷塑性區(qū)及位移場分布數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測對比分析發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果基本吻合。由于在圍巖初始溫度保持恒定的前提下，隨著巷內(nèi)溫度的增大，使得巷內(nèi)外溫差減小，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力也會相應(yīng)減小，因此導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)范圍及位移大小都有不同程度的減小，很好地驗(yàn)證了Comsol Multiphysics軟件對深部高溫巷道進(jìn)行熱-固耦合分析的正確性和適用性。

4結(jié)論

1) 熱應(yīng)力與圍巖溫度變化量成正比，塑性圈半徑及位移不僅與巖體自身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且還受到原巖應(yīng)力、巷道半徑、巷道內(nèi)外溫差、支護(hù)阻力的影響。

2) 巷道圍巖溫度場分布呈非線性變化，在熱應(yīng)力作用區(qū)，隨距巷道的距離的增大，溫度梯度逐漸減??；熱應(yīng)力作為一種附加載荷疊加到原巖應(yīng)力場上，改變了圍巖原有的應(yīng)力狀態(tài)，成為影響巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素。

3) 隨圍巖初始溫度的升高，徑向卸壓及切向應(yīng)力集中范圍擴(kuò)大；同時，巖石的剛度和強(qiáng)度均隨溫度增大而降低，使巖體達(dá)到屈服極限，出現(xiàn)塑性破壞，使得塑性圈寬度和巷道表面的位移增大。

4) 通過數(shù)值分析和現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖熱應(yīng)力場、應(yīng)力場及位移場計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐燕萍,劉泉聲,徐錫昌.溫度作用下的巖石熱彈塑性本構(gòu)方程的研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,20(4):527-529.

XU Yanping,LIU Quansheng,XU Xichang.The research on the thermo-elasto-plastic equation of the rock under the temperature effect[J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2001,20(4):527-529.

[2]王崇革,劉泉聲,劉雙躍,等.單軸應(yīng)力下巖石的熱-粘彈性模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002,21(增1):2341-2344.

WANG Chongge,LIU Quansheng,LIU Shuangyue,et al.Study of thermo-visco-elasto-plastic rock model under the condition of uni-axial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(S1):2341-2344.

[3]孫天澤.高溫條件下巖石力學(xué)性質(zhì)的溫度效應(yīng)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,1996,11(4):36-39.

SUN Tianze.Temperature effect of rock mechanics under high confining perssure[J].Progress in Geophysics,1996,11(4):36-39.

[4]夏才初,周舒威,胡永生,等.循環(huán)單軸應(yīng)力和循環(huán)溫度作用下玄武巖力學(xué)性質(zhì)初探[J].巖土力學(xué)學(xué)報,2015,37(6):1016-1024.

XIA Caichu,ZHOU Shuwei,HU Yongsheng,et al.Preliminary study on mechanical property of basalt subjected to cyclic uniaxial stress and cyclic temperature[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(6):1016-1024.

[5]孟召平,李明生,陸鵬慶,等.深部溫度、壓力條件及其對砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(6):1177-1181.

MENG Zhaoping,LI Mingsheng,LU Pengqing,et al.Temperature and pressure under deep conditions and their influences on mechanical properties of sandstone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(6):1177-1181.

[6]左建平,滿軻,曹浩,等.熱力耦合作用下巖石流變模型的本構(gòu)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(增1):2610-2616.

ZUO Jianping,MAN Ke,CAO Hao,et al.Study on constitutive equation of rock rheological model with thermo-mechanical coupling effects[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(S1):2610-2616.

[7]郤保平,趙陽升,萬志軍,等.熱力耦合作用下花崗巖流變模型的本構(gòu)關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(5):957-967.

XI Baoping,ZHAO Yangsheng,WAN Zhijun,et al.Study of constitutive equation of granite rheological model with thermo-mechanical coupling effects[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(5):957-967.

[8]譚云亮,寧建國,趙同斌,等.深部巷道圍巖破壞及控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2010:120-143.

[9]唐世斌,唐春安,朱萬成,等.熱應(yīng)力作用下的巖石破裂過程分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(10):2071-2078.

TANG Shibin,TANG Chun’an,ZHU Wancheng,et al.Numerical investigation on rock failure process induced by thermal stress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(10):2071-2078.

[10]李連崇,楊天鴻,唐春安,等.巖石破裂過程TMD 耦合數(shù)值模型研究[J].巖土力學(xué),2006,27(10):1727-1732.

LI Lianchong,YANG Tianhong,TANG Chun’an,et al.Study on coupled thermal-mechanical-damage model in rock failure process[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(10):1727-1732.

[11]張數(shù)光,李永靖.裂隙巖體的流固耦合傳熱機(jī)理及其應(yīng)用[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2014:80-105.

[12]張樹光,李志建,徐義洪,等.裂隙巖體流-熱耦合傳熱的三維數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2011,32(8):2507-2511.

ZHANG Shuguang,LI Zhijian,XU Yihong,et al.Three-dimensional numerical simulation and analysis of fluid-heat coupling heat-transfer in fractured rock mass[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(8):2507-2511.

[13]張明璐,趙同彬,姚旺.考慮水壓影響的M-C準(zhǔn)則修正及數(shù)值模擬[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,34(2):19-24.

ZHANG Minglu,ZHAO Tongbin,YAO Wang.M-C criterion modification and numerical simulation with the consideration of effects of hydraulic pressure[J].Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science),2015,34(2):19-24.

[14]趙彥東,趙文奎,柯尊乾,等.溫度對深井巖石力學(xué)性質(zhì)的影響[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,12(2):71-73.

ZHAO Yandong,ZHAO Wenkui,KE Zunqian,et al.Influence analysis of temperature on rock mechanical property in deep well[J].Journal of Chongqing University of Science and Technology (Natural Science),2010,12(2):71-73.

[15]施毅,朱珍德,李志敬.考慮溫度效應(yīng)時深埋硐室圍巖變形特性[J].水利水電科技進(jìn)展,2008,28(3):33-36.

SHI Yi,ZHU Zhende,LI Zhijing.Deformation characteristics of deep-buried caverns considering thermal effect[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2008,28(3):33-36.

(責(zé)任編輯：呂海亮)

Numerical Analysis of Surrounding Rock Deformation and Failure in Deep Roadway under the Condition of Thermal-solid Coupling

TAN Yunliang1,2,ZHANG Qiang1,2

(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China;2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:To study the deformation and failure characteristics of surrounding rock in deep roadway under the condition of thermal-solid coupling,the analytical solution of stress field,displacement field and plastic circle radius in surrounding rock under the condition of thermal-solid coupling was obtained and the influencing factors of deformation and failure of surrounding rock under thermal stress was summarized based on the steady temperature field model of surrounding rock mass in deep roadway.With the multi-physical-field-coupling simulation software of Comsol Multiphysics,the thermal-solid coupling numerical simulation of surrounding rock in deep roadway was carried out and by introducing the relationship between rock mechanical parameters and temperature into the simulation calculation, the influence law of thermal stress and support resistance on deformation and failure of surrounding rock was analyzed. The results show that the thermal stress field distribution in surrounding rock is of nonlinear variation with large stress gradient in shallow surrounding rock but small stress gradient in deep surrounding rock. When the temperature in the roadway is lower than that of the original rock, the thermal stress is compressive stress and when

the temperature of the original rock increases,the pressure relief range in the radial direction and the stress concentration range in the tangential direction expand,the width of plastic circle and radial displacement of surrounding rock is increased.When the support resistance in the roadway increases,the width of plastic ring and the radial displacement of surrounding rock decrease.The field test shows that the calculated results of roadway’s thermal stress field,stress field and displacement field are in better agreement with the actual field measurements.

Key words:deep roadway;temperature field;stress field;thermal-solid coupling;surrounding rock；stability

收稿日期：2015-11-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51274133,51474137，51474136)；山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(ZR2012EEZ002)

作者簡介：譚云亮(1964—)，男，山東臨朐人，教授，博士，主要從事巖石力學(xué)科研與教學(xué)工作.E-mail：tylllp@163169.net E-mail：1039714664@qq.com

中圖分類號：TD315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)02-0029-09

張強(qiáng)(1991—)，男，山東濱州人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究，本文通信作者.