深部平行巷道在构造应力场中的稳定性分析.pdf

收稿日期2000Ο05Ο16 作者简介孔德森1977 - ,男,山东滕州人,山东科技大学硕士研究生,主要研究方向为矿山压力。 特约专稿 深部平行巷道在构造应力场中的稳定性分析 孔德森,蒋金泉,宋振骐 山东科技大学 资源与环境工程学院,山东 泰安 271019 摘 要选用2D σ有限元计算软件,对深部平行巷道在构造应力场中的稳定性进行了数值分析,着重讨 论了深部平行巷道围岩的变形特征、 塑性区发育特征、 围岩应力分布特征和动态演化过程,探明了构造应 力作用与深部平行巷道围岩变形破坏的动态关系及围岩破坏机理,给出了合理的岩柱间距。 关键词深部平行巷道;构造应力场;稳定性 中图分类号TD31 文献标识码A 文章编号1005Ο2798200005Ο0005Ο03 引 言 在煤矿经常遇到两条平行巷道的开挖问题,当 两巷道间距很大时,可以认为两巷道的开挖没有相 互影响,当两巷道间距较小时,巷道的围岩应力状态 就要受到较强的相互影响。这时,由于巷道开挖及 开挖后,周边岩体要产生变形、 位移、 出现松弛带,两 条巷道相邻一侧岩体中的松弛带若相互叠加,将极 大地减弱这部分岩体的稳定性及强度,同时,若两巷 道间夹的岩体没有足够的宽度,它将因不能承受上 覆岩体的压力而破坏,再者,在采用钻爆法开挖时, 开挖的第一条巷道将成为第二条巷道开挖爆破的一 个弱面,并且爆破振动也可能对第一条巷道的支护 和衬砌造成破坏。 两平行巷道的应力分析,在力学上属双连通域 问题,国内外学者一直设法寻找一个行之有效的求 解方法。目前,有限单元法仍是求解该问题的一个 常用方法。选用日本软件公司开发的基于Windows 系统的、 面向对象的、 专门用于岩土工程有限元分析 的2D σ应用软件,对深部平行巷道在构造应力场 中不同岩柱间距下的围岩稳定性进行了分析。 1 数值计算模型的建立 1. 1 数值计算模型的特点 本次数值计算均作为平面应变问题处理,物理 模型定为弹塑性模型,塑性屈服准则选用Mohr - Coulomb准则。为了消除边界效应,各模型均具有 足够大的尺寸,模拟范围取开挖巷道跨度的10～ 15倍,巷道处于模型的中心。模型岩层划分与巷道 实际所处层位岩层柱状严格一致。根据实际经验与 采矿理论,在模型左右边界设为水平位移约束 ux 0 , 下边界设为固定约束 u x 0, uy 0 , 上 边界自由。各模型上边界加载,载荷大小为覆岩自 重,水平应力根据分析问题的具体要求通过改变侧压 系数的方式进行施加。各岩层力学参数通过正算位 移反分析法求得。采用阶段分析方法。先模拟原始 应力情况,再在此前提下开挖巷道并进行巷道支护。 1.2 数值计算模型的建立条件 计算模型分别以汶南煤矿北石门的实际地质条 件建立,对应五种不同的岩柱间距,即岩柱间距分别 取为10 m、15 m、20 m、25 m和30 m。共建模型 10个,模型宽度和高度均为100 m ,模型单元数为 2 068 ,节点数为6 195。在模型上部自由边界施加 垂直应力σyγH 21.8 MPa ,左右边界施加水平 应力含构造附加应力σx 1.3γHsin76 27. 5 MPa。 2 数值模拟计算结果分析 2. 1 巷道围岩变形特征分析 不同岩柱间距时的平行巷道围岩变形特征,见 图1。巷道在不同岩柱间距时的巷道围岩变形量, 见表1。 5煤 第9卷第5期 图1 不同岩柱间距时平行巷道围岩 变形特征与塑性区发育形态 从表1可以看出,当平行巷道间的岩柱间距由 10 m逐渐增加到20 m的过程中,巷道各部位的变 形量都在逐步减小,但当间距由20 m继续增大时, 变形量减小甚微或不再减小,并逐渐稳定于一固定 值。通常,底鼓量最大,两帮移近量次之,顶板下沉 量最小。 表1 不同岩柱间距时平行巷道围岩变形量 岩柱间距/ m 两帮移近量/ mm底鼓量/ mm顶板下沉量/ mm 左巷右巷左巷右巷左巷右巷 1019719720820797100 151731711831848587 201581561721737777 251551541711727777 301541541711727776 当巷道所处岩体的弹性模量不同时,巷道各部 位的变形量也不同,一般来说,岩体弹性模量越大 时,巷道变形量越小。 2. 2 巷道围岩塑性破坏区发育形态分析 不同岩柱间距时的平行巷道的围岩塑性破坏区 发育形态,见图1。巷道在不同岩柱间距时各部位 的破坏区最大值,见表2。 表2 巷道在不同岩柱间距时各部位的破坏区最大值m 岩柱间距 破 坏 区 范 围 两帮底板顶板最大量最大位置 左巷右巷左巷右巷左巷右巷左巷右巷左巷右巷 101. 251. 312. 532. 381. 221. 252. 532. 38底中底中 151. 201. 262. 472. 301. 131. 102. 472. 30底中底中 201. 131. 172. 282. 251. 051. 032. 282. 25底中右帮 251. 121. 172. 272. 251. 051. 032. 272. 25底中底中 301. 121. 162. 282. 201. 051. 022. 282. 20底中底中 从表2可以看出,当岩柱间距为10 m时,巷道 各部位的破坏区均较大,随着岩柱间距的增大,巷道 破坏区最大值逐渐减小。当岩柱间距由20 m继续 增加时,破坏区最大值变化很小,甚至不再减小,这 时,巷道底板破坏区最大,顶板和两帮破坏区大小相 近。 巷道所处岩体强度不同时,平行巷道各部位的 破坏区大小也有差异。随着岩体强度的增加,巷道 破坏区逐渐减小。 2. 3 巷道围岩应力分布特征 不同岩柱间距时,平行巷道围岩的应力分布等 值线,见图2。 从水平应力等值线可以看出,不论两平行巷道 的岩柱间距大小如何,巷道两帮和两基角深部岩层 均处于应力降低区,而巷道顶、 底板和两基角浅部岩 层却处于应力集中区,且应力集中或降低的程度与 范围互有差别。 当岩柱间距较小时10 m ,巷道顶板和两基角 浅部岩层应力集中程度十分明显,应力集中范围较 大,底板岩层虽有应力集中现象,但集中程度较弱, 分布范围却较广,延伸至巷道底板很深处。巷道两 帮均处于卸压区,两帮浅部甚至出现了拉应力,卸压 区分布范围较大,两帮间的岩柱卸压区相互串通并 叠加。 图2 平行巷道围岩的应力分布等值线 6Coal 5/ 2000 随着岩柱间距的增大,直到岩柱间距为20 m 时,两巷道的水平应力分布的相互影响程度逐渐降 低,两帮卸压区范围不断缩小,中间岩柱应力叠加现 象逐渐消失,直至出现应力互不影响时为止,而顶、 底板的应力集中程度和应力集中范围变化不大。 当岩柱间距由20 m继续增加时,两平行巷道的 水平应力分布变化十分微小,且几乎互不影响,处于 一种稳定的应力分布状态。 从垂直应力等值线可以看出,不论两巷道间的 岩柱间距大小如何,巷道两帮和两基角处均处于应 力集中状态,而顶、 底板则处于应力降低区,且底板 卸压程度和卸压范围均大于顶板。 当岩柱间距较小时10 m ,巷道两帮和基角处 的应力集中现象十分明显,应力集中范围也很大,并 在两巷道间的岩柱内出现了垂直应力集中叠加现 象。 当岩柱间距由10 m逐渐增加到20 m的过程 中,两巷道垂直应力分布的相互影响程度逐渐降低, 两帮处的垂直应力集中叠加范围逐渐减小,直到互 不叠加,顶、 底板处应力降低区的应力分布情况变化 很小。 当岩柱间距由20 m继续增大时,两巷道的应力 分布变化十分轻微,相互影响程度很不明显,逐渐发 展到一种稳定的应力分布状态。 3 两平行巷道间合理岩柱间距的确定 通过以上对深部两平行巷道在不同岩柱间距时 的巷道围岩变形、 围岩塑性破坏区发育形态、 围岩应 力分布变化等的模拟分析,可以看到,在汶南矿的特 定条件下,当两平行巷道间的岩柱间距为20 m时, 巷道围岩变形量、 围岩塑性破坏区发育形态和应力 分布状态均趋于一稳定值,由此可以将合理岩柱间 距定为20 m。 4 讨 论 在我国煤矿目前采深条件下,大巷间的距离以 20～40 m为宜,围岩较稳定时取小值,围岩不稳定 时取大值。在浅部、 坚硬围岩和急倾斜煤层条件下, 大巷间的距离可减小至10 m。在深部和松软围岩 条件下,大巷间的距离可增大至50 m。上下山及集 中巷间的距离以15～30 m为宜,围岩较稳定时取小 值,围岩不稳定时取大值。在浅部、 坚硬围岩和急倾 斜煤层条件下,上述距离可减小至10 m ,在深部和 厚煤层内上下山的距离可增大至40～50 m。 参考文献 [1] 蒋金泉,韩继胜.巷道围岩结构稳定性与控制设计 [M].北京煤炭工业出版社,1999. [2] 邹喜正,李华祥.平行相邻巷道间距的确定[J ].江苏煤 炭,19971 . [3] 钟世航.浅埋超小净距并行隧道 招宝山隧道的设计 与施工[J ].岩石力学与工程学报,1999 ,18增 . [责任编辑李月成] Stability Analysis of Deep Parallel Roadway in Structural Stress Field KONG DeΟsen ,J IANGJinΟquan ,SONG ZhenΟqi Engineering Institute of Resource A nd Environment , SUS T , TaiA n 271019, China Abstract This paper applied the finite element software of 2D σ to make a numerical analysis of deep parallel roadways stability in structural stress field . It emphasisly discussed the character of deation ,the develop2 ment character of yield region ,the stress distribution character and the dynamic evolution procession of deep par2 allel roadways sourrouding rockmass. The paper demonstrated the failure mechanism of surrounding rockmass and the dynamic relation between the structural stress and deation and failure . It also presented the rational spacing of rock pillar. Key words deep parallel roadway;structural stress field;stability 7煤 第9卷第5期