辛置矿矩形巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究_杨学师.pdf

辛置矿矩形巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究 杨 学 师 （霍州煤电集团辛置煤矿 ，山西 霍州 031412 ） 摘要 针对辛置矿矩形巷道开挖后围岩应力分布、 塑性区范围与形态、 围岩移动变形等问题， 采用 Flac3D数值模拟软件对其进行研究。结果表明 矩形巷道宽高比对围岩塑性区分布影响较小， 破坏形 状呈圆形，围岩移动变形量及最大应力分布随宽高比增大而增大；侧压系数对围岩塑性区的影响较 大，随着侧压系数的增大，巷道开挖后塑性区形状由竖向蝶形 - 横向椭圆形 - 圆形 - 竖向椭圆形 - 横向蝶形规律性变化， 巷道围岩变形量和最大应力值随着侧压系数的增加先减小后增大。 关键词 矩形巷道 ； 宽高比 ； 侧压系数 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0120- 04 Numerical simulation of deation and stress distribution of surrounding rock in rectangular roadway YANG Xueshi （Huozhou Coal- ElectricityGroup CompanyXinzhi Coal Mine ， Shanxi Huozhou 031412 ） Abstract Aiming at the problems of surrounding rock stress distribution, plastic zone range and shape, and surrounding rock movement and deation after excavation of rectangular roadway, Flac3D numerical simulation software was used for research. The results show that the width- to- height ratio of the rectangular roadway has little influence on the distribution of the surrounding rock plastic area, and the failure shape is circular. The moving deation and the maximum stress distribution ofthe surrounding rock increase with the increase of the width to height ratio; The influence of the zone is greater. With the increase of the lateral pressure coefficient, the shape of the plastic zone after the excavation of the roadway changes regularly from vertical butterfly- transverse ellipse- round- vertical ellipse- transverse butterfly. The amount ofdeation and the maximumstress value decrease with the increase oflateral pressure coefficient and then increase. Keywords rectangular laneway; aspect ratio; lateral pressure coefficien 0引言 随着煤炭开采深度的逐渐增加， 矿井对巷道围 岩稳定性的要求越来越高。矩形巷道由于施工简 单， 掘进速度快， 现已成为我国矿井掘进巷道采用 的主流断面类型。近年来， 我国学者主要采用弹塑 性力学建模推导和数值模拟计算， 现场实测分析相 结合的方法对巷道围岩稳定性与应力的分布规律 进行研究[1]。 蔡峰[2]利用数值模拟软件计算了巷道不 同直接顶厚度开挖后围岩应力变化情况；谢广祥[3] 模拟了综放工作面不同煤柱宽度围岩的应力分布 和塑性区分布； 吴创周[4]利用强度准则推导出了圆 形巷道围岩应力与位移的关系。张俊文[5]通过建立 围岩破坏分区本构模型， 推导出不同破坏分区的应 力解析解。基于前人的研究， 本文主要以辛置矿地 质条件和常用矩形巷道掘进尺寸为工程背景， 利用 数值模拟研究矩形巷道宽高比、 巷道围岩变形及应 力分布规律的影响。拓展研究侧压系数对巷道围岩 变形及应力分布规律的影响。研究结果可弥补矩形 巷道围岩控制方面研究的不足， 而且对巷道支护方 面具有一定的指导意义。 1工程背景 辛置矿 830m水平煤层底板轨道大巷及运输大 巷为全岩巷布置。 巷道平均埋深 500m， 距离煤层底板 20m， 巷道断面多采用矩形， 直接顶为 4.28m 厚的粉 砂岩， 老顶为 13.83m 的细砂岩， 岩体结构简单、 赋存 稳定。 巷道掘进常用净宽尺寸为 5.6m， 部分区域净宽 为 4.0m和 7.2m， 净高一般选择 4.0m或者 4.5m。 2宽高比对围岩变形及应力分布的影响 利用 Flac3D 数值模拟研究矩形巷道宽高比与 侧压系数变化对围岩受力变化特征的影响。模拟过 程中假设巷道围岩符合摩尔 - 库伦强度准则， 为理 想的弹塑性体，巷道四周为均质连续线弹性介质， 且不考虑地下水的影响。模型长高宽为 60m 60m1m，共划分为 5700 个单元和 11842 个节点。 岩体物理力学参数见表 1，根据现场常用巷道断面 尺寸共制定两组数值模拟方案。 方案一； 侧压系数为 1.0， 巷道高度 4m， 模拟巷 道宽度为 2.4m， 4.0m， 5.6m， 7.2m， 8.8m 时巷道围岩 应力及变形的影响。 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 120 ChaoXing 方案二 巷道宽度 5.6m、 高度 4m， 模拟侧压系 数为 0.25、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0 时对巷道应力及变形的 影响。 巷道埋深为 500m， 重力加速度为 10m/s2。 表 1数值模拟参数表 3宽高比对围岩变形及应力分布的影响 3.1矩形巷道围岩塑性区分布 为了分析宽高比对巷道开挖后围岩塑性区分 布的影响， 以侧压系数 1.0 为基准， 模拟巷道高度为 4.0m 条件下，宽高比为 0.6、 1.0、 1.4、 1.8、 2.2 时， 围 岩的塑性区分布情况， 模拟结果如图 1 所示。 C0.6C1.0 C1.4C1.8 C2.2 图 1不同宽高比对巷道塑性区分布影响 从图 1 可以看出，宽高比 c 对于矩形巷道围岩 塑性区的几何尺寸和分布形态影响并不十分明显。 在侧压系数相同的条件下， 巷道围岩塑性区范围随 着宽高比的增大逐渐增大， 巷道开挖后的最大破坏 深度出现在顶板中心线上。巷道开挖围岩稳定后塑 性区的整体形状为圆形。 3.2宽高比对围岩移动变形的影响 侧压系数为 1.0 时， 不同宽高比条件下矩形巷道 最大帮移量及顶底板移近量模拟结果如图 2 所示。 图 2宽高比与最大位移的关系 由图 2 可以看出， 当侧压系数不变， 巷道高度为 4m时，巷道宽度的变化会对巷道顶底板及两帮的移 近量有一定影响， 随着巷道宽度的增加， 帮移量和顶 底帮移近量也逐渐增加， 相比于帮移量， 顶底板移动 量增加幅度更大。当巷道高度小于 4m 时， 巷道帮移 量要大于顶底板移近量， 当巷道高度为 2.4m时， 顶底 板移近量为 1.57m， 帮移量为 1.87mm； 当巷道宽度为 4m时， 顶底板移近量相等都为 2.2mm； 巷道宽高比越 接近于 1， 顶底帮移近量与帮移量越接近。当巷道宽 度大于 4m 时， 随着巷道宽度的增加， 两帮的移近量 与顶底板移近量的差值越来越大。当巷道宽度为 8.8m 时， 巷道顶底板最大移近量为 3.55mm， 而巷道 两帮移近量为 2.83mm。 3.3宽高比对围岩应力的影响 图 3宽高比与最大应力值的关系 由图 3 可以看出， 当侧压系数不变， 巷道高度 为 4m 时，巷道宽度的变化会对围岩应力的大小产 生一定影响， 应力集中最大的区域通常在矩形巷道 的四个肩角。随着巷道宽度的增加， 巷道四个肩角 区最大应力值呈现逐渐增加的趋势，巷道宽度为 2.4m 时， 围岩的最大应力值为 6.28MPa， 4m 时,围岩 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 岩性 ρ kg/m3 ν Mpa τ Mpa c Mpa ψ σ Mpa 粉砂岩2700110443614.66427.33 细砂岩275896842112.36396.77 粉砂岩2499128459614.96467.65 煤15002451291.1291.75 砂页岩280012212883.2473.81 121 ChaoXing 最大应力值为 6.47MPa， 8.8m 时，围岩最大应力值 为 6.99MPa。 宽高比对最大应力的影响幅度较小， 增 长规律进似满足线性分布。 4侧压系数对围岩变形及应力分布的影响 4.1矩形巷道围岩塑性区分布 为研究侧压系数对巷道围岩变形破坏的影响， 以巷道宽度为 5.6m，高 4m 的巷道围基准，分别模 拟侧压系数为 0.25、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5 条件下围 岩塑性区分布情况。模拟结果如图所示。 λ0.25λ0.5 λ1.0λ1.5 λ2.0λ2.5 图 4不同侧压系数对巷道塑性区分布影响 由图可以看出， 对于矩形巷道而言， 侧压系数 对巷道围岩的塑性区分布影响十分明显。侧压系数 λ 为 0.25 时，巷道破坏形状为蝶形，当 λ 为 0.5 时， 巷道两帮破坏严重， 顶底板只在肩角处发生较 大的破坏， 整体破坏形状近似为横向椭圆形。当 λ 为 1.0 时，巷道围岩顶底板及两帮破坏深度近似相 等，塑性区呈近似圆形，特别的当 λ 为 1.5 和 2.0 时， 随着侧压系数的增加， 巷道顶底板塑性区范围 逐渐增大， 特别是肩角处， 但两帮塑性破坏范围增 幅很小，塑性区分布呈近似竖直椭圆形。当 λ 为 2.5 时，巷道两帮及四个肩角处围岩塑性区迅速扩 展， 巷道开挖后围岩破坏范围非常大， 塑性区呈近 似蝶形。 4.2侧压系数对围岩变形的影响 由图 5 可以看出， 宽高比一定时， 侧压系数的 变化对巷道顶底板及两帮的移近量有一定影响， 随 侧压系数的增加， 巷道两帮与顶底板的移近量呈现 图 5侧压系数对巷道顶底板及两帮的影响 出不同的变化规律。当侧压系数大于 0.25 小于 1.0 时，随着侧压系数的增大，顶底帮移近量逐渐从 2.73mm 减小到 2.45mm， 两帮移近量逐渐从 0.79mm 增加到 2.42mm； 当侧压系数为 1.0 时， 巷道顶底板 最大移近量与最大帮移量接近， 约为 2.45mm 左右； 当侧压系数大于 1.0 时，顶底板最大移近量于和最 大帮移量变化趋势保持一致， 顶板移近量的增幅略 大于帮移量的增幅。 4.3侧压系数对围岩应力的影响 图 6侧压系数与最大应力值的关系 由图 6 可以看出， 宽高比一定时， 侧压系数的 增加，矩形巷道顶角处的最大应力值也逐渐增加。 当 侧 压 系 数 为 0.25 时 ， 围 岩 最 大 应 力 值 为 3.706MPa， 当侧压系数为 1.0 时， 围岩最大应力值为 6.307MPa，当侧压系数 2.0 时，围岩最大应力值为 8.561MPa， 最大应力值随侧压系数的增加呈线性增 加。相比于宽高比对围岩应力值影响， 侧压系数的 变化对围岩最大应力值的变化影响较大。 5结论 1） 矩形巷道宽高比对围岩塑性区分布影响较 小， 塑性区破坏形状呈圆形， 围岩移动变形量及最 大应力分布随宽高比增大而增大。（下转第 126页） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 122 ChaoXing （上接第 122 页） 2） 侧压系数对围岩塑性区的影响较大，巷道 开挖后塑性区破坏形状由竖向蝶形 - 横向椭圆形 - 圆形 - 竖向椭圆形 - 横向蝶形规律性变化， 巷道围 岩变形量和最大应力值应力随着侧压系数的增加 先减小后增大。 参考文献 [1] 陈斌.矩形巷道围岩应力弹性解与塑性区宽度研究[D].中 国矿业大学,2015. 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[5] 张俊文. 深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析[J]. 中国矿业大学学报， 2017，46 （02） 292- 299. 作者简介 杨学师 （1984-） ， 男， 汉族， 山西霍州人， 2014 年 1 月毕 业于太原理工大学采矿工程专业， 研究方向 采掘现场及生 产技术管理， 采煤工程师。（收稿日期 2020- 1- 15） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 顶板上方 0～2m位置，离层最大值 17mm；后方 25m 离层基本无变化。迎头至后方 25m 处的离层量变化 在 6～11 天后趋于稳定。 中央二号辅助运输大巷受中央胶带输送机大巷 和中央二号回风大巷双重掘进影响， 且也受水平构造 应力影响， 离层量相对较大。 由图 8a,b可以看出， 整体上， 中央二号辅运大巷 迎头处离层明显位置在煤层顶板上方 2～5m 位置， 离 层量值在 57mm～86mm 之间；后方 25m 离层位置在 顶板上方 5～8m位置和 2～5m位置。离层变化在 5～9 天趋于稳定。 a大巷迎头 b大巷迎头后方 25m 图 8中央二号辅运大巷顶板离层实测统计 3结论 1 ） 巷道冲击矿压解危前，离层位置在顶板上方 0～3m和 3m～7m之间均有发生， 当测点位于构造带及 煤柱附近时，离层量更为显著，深 部 离 层 值 20mm～260mm， 浅部离层值 22mm～180mm， 测点间离 层量差值很大； 部分测点被损坏， 无数据， 瞬间破坏性 强。顶板深、 浅部离层稳定周期长， 稳定时间分别为 7～64 天和 14～58 天 （各测点取最大值集合 ） 。 2 ） 巷道冲击矿压解危后， 离层主要发生在迎头顶 板上方 0～5m位置， 离层变化在 6～11 天趋于稳定， 最 大离层量 1～86mm。 迎头后方 25m离层位置主要发生 在煤层顶板 上 方 2～5m 和 5～8m 位 置 ， 离 层 量 0～1mm。 冲击解危后， 高能量 “煤炮声” 得以有效解决， 研究结果为现场冲击矿压防治提供科学参考。 参考文献 [1] 窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州中国 矿业大学出版社,2011. [2] 齐庆新,窦林名.冲击地压理论与技术[M].徐州中国矿业 大学,2008. 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