深部巷道開挖數(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力環(huán)境下巷道開挖圍巖的變形規(guī)律，為深部巷道開挖與支護作指導。采用有限差分軟件建立了深部巷道模型，對不同水平側(cè)壓力狀態(tài)及開挖進尺深度下巷道開挖過程進行了數(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。當深部巖體水平側(cè)壓力系數(shù)為1時，即巖體處于靜水壓力狀態(tài)，巷道開挖引起的變形量最大。隨著開挖深度的增大，巷道變形量趨于穩(wěn)定。

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

中圖分類號：TD35 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0020-04

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

隨著對能源需求量的增加和開采強度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進入深部資源開采狀態(tài)[7]。礦山朝著深部化的方向發(fā)展，深部巖體所處的應力環(huán)境將更加復雜。該文旨在模擬在深部不同地應力情況下的巷道開挖，對于研究洞室圍巖的破壞機理、應力及變形分布具有重要的理論及現(xiàn)實意義[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)摩擦角和抗拉強度[9]。相關(guān)參數(shù)見表1。

2 不同開挖方式下的模擬結(jié)果

為了模擬巷道在不同應力狀態(tài)及開挖進尺下的巷道變形規(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)計巷道開挖進尺深度分別為2 m、3 m、4 m。在該次數(shù)值模擬中設(shè)計巷道開挖總深度為24 m。為了監(jiān)測巷道的變形情況，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)測點。表2為不同開挖工況下的巷道變形監(jiān)測位移結(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)下時的變形量最大。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 側(cè)壓力系數(shù)對巷道變形影響

為了分析水平側(cè)壓力系數(shù)對巷道圍巖變形的影響，以進尺深度為3 m時為例進行分析。表3為進尺深度為3 m 時不同水平側(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；當水平側(cè)壓力系數(shù)為1時，各測點的位移值最大。當水平側(cè)壓力系數(shù)為0.5時，拱頂豎向位移出現(xiàn)正值，即向著遠離巷道中心的方向變形。

3.2 開挖深度對巷道變形影響

以水平側(cè)壓力系數(shù)為1，進尺深度為3 m時為例，分析開挖深度對巷道圍巖變形的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著開挖深度的增大，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

通過建立深部巷道數(shù)值模型并模擬不同應力狀態(tài)及開挖進尺工況條件下的巷道開挖過程，對不同工況條件下的巷道變形特征進行了監(jiān)測，并分別分析了應力狀態(tài)和開挖深度對巷道變形的影響規(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）當深部巖體水平側(cè)壓力系數(shù)為1時，即巖體處于靜水壓力狀態(tài)，巷道開挖引起的變形量最大。

（3）隨著開挖深度的增大，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

[1] 徐燕，武建軍.不同地應力條件下巷道開挖的彈塑性分析[J]. 蘭州理工大學學報，2010，36（2）：168-171.

[2] 于學馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

[3] 張曉君，靖洪文.高應力巷道開挖圍巖損傷分析[J].采礦與安全工程學報，2009，26（1）：45-49.

[4] 陳德名，甘仕偉，王冬琳.有限元法在巷道掘進數(shù)值模擬研究中的應用[J].礦業(yè)工程，2012，10（6）：59-61.

[5] 姜守俊，孔德秀，劉敬.采礦巷道的開挖變形及支護效果研究[J].采礦技術(shù)，2008，8（4）：80-82.

[6] Jia P，Tang C A.Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23（5）：500-507.

[7] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（16）：2803-2813.

[8] 曾繁慧，鄒存靜.巷道圍巖變形破壞數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2013，32（12）：1664-1668.

[9] 姜守俊.采礦巷道圍巖變形機理的初步研究[J].礦業(yè)快報， 2008（11）：12-14.