水平应力对巷道围岩稳定性的影响.pdf

第 3 5卷第 6期 2 0 1 0年 6月 煤 炭 学 报 J OURN AL OF C HI N A C OAL S OC I E T Y V0I ． 3 5 NO． 6 J u n e 2 0 1 0 文章 编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 0 6 0 8 9 1 0 5 水平应 力对 巷道 围岩稳定性 的影响 孙 玉福 ， 1 ．煤炭科学研究总院 开采设计研究分院 ， 北京1 0 0 0 1 3； 2 ．潞安矿业 集团 有 限责任公司 ， 山西 长治0 4 6 2 0 4 摘 要 采用理论分析方法研究了巷道布置与地应力场的关系， 利用数值模拟方法分析 了不 同巷道 轴线与最大水平主应力夹角的情况下， 巷道围岩应力分布与变形特征 。指出随着夹角增大， 水平应 力分布从对称变为非对称 ， 应力降低 区与升高区也发生变化 ； 当夹角增大到一定值， 非对称性逐渐 降低， 到9 0 。 时又出现了对称分布； 巷道变形在夹角2 0～ 7 0 。 变化明显。在山西潞安常村煤矿井下 进行 了地应力测量 ， 分析 了地应 力对巷道变形与破坏状况的影响 ， 验证 了理论分析与数值模拟 结 果 。 关键词 水平应力； 围岩； 应力分布； 巷道变形； 数值模拟 中图分类号 T D 3 2 5 ． 1 文献标志码 A Affe c t s o f i n- s i t u h o r i z o nt a l s t r e s s o n s t a bi l i t y o f s ur r o u n di n g r o c k r o a d wa y SUN Yu f u ， 1 ． C o a l Mi n i n g a n d D e s ig n i n g B r a sh ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i na ； 2 ． L u ’ a n Mi n i n g I ndu s t r y G r o u p C ar p ． ， L t d ． ， C h a n g z h i 046 2 04 ， Chi n a Abs t r a c t Th e r e l a t i o n s h i p s b e t we e n r o a d wa y l a y o u t a nd i n - s i t u s t r e s s fie l d s we r e s t u d i e d t h e o r e t i c a l l y ． Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n d i s t ri b u t i o n s i n r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k a t d i ff e r e n t a n g l e b e t w e e n t h e a x i a l o f r o a d w a y a nd ma x i mu m h o riz o n t al p rin c i p a l s t r e s s ， we r e a n a l y z e d b y me a n s o f n ume ric a l s i mu l a t i o n． I t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e d i s t rib u t i o n o f ho riz o n t al s t r e s s v a rie s f r o m s y mme t r y t o n o n s y mme t r y， a n d t h e s t r e s s d e c r e a s i n g a n d i n c r e a s i ng z o n e s a l s o c h a n g e t h t h e a n g l e i n c r e a s i n g ； t h e n o n s y mme t r y g r a d u a l l y d e c r e a s e s wh e n t h e a n g l e a mo u n t s t o fi x e d v alu e， a n d s y mme t ry a p pe a r s a g a i n wh e n t h e a n g l e e q u als t o 9 0。； t h e r o a d wa y d e f o rm a t i o n c h a n g e s o b v i o u s l y wh e n t h e a n g l e i s b e t w e e n 2 0 。a n d 7 0 。 ． T h e i n s i t u s t r e s s me a s u r e me n t s w e r e c a r ri e d o u t i n C h a n g c u n C o al Mi n e i n L u’ a n c o a l mi n - i n g d i s t ric t ， a n d t h e a f f e c t s o f i n s i t u s t r e s s e s t o r o a d wa y d e f o r ma t i o n a n d d a ma g e we r e a n aly z e d， a n d t h e r e s u l t s g o t f r o m t h e o r e t i c a l a n d n u me r i c a l s t u di e s we r e v e r i fie d． Ke y wo r d s h o riz o n t al s t r e s s ； s u r r o un d i n g r o c k； s t r e s s d i s t rib ut i o n； r o a d wa y d e f o rm a t i o n； n u me ric a l s i mu l a t i o n 地应力是影响巷道围岩稳定性的重要 因素。随 着煤矿开采强度与广度 的不断增加 ， 开采深度越来越 大， 地质条件也越来越 复杂 ， 地应力对巷道 围岩变形 与破坏的影响更加突出。煤矿中的一些灾害， 如顶板 冒落、 冲击矿压、 煤与瓦斯突出及透水等事故 ， 均与地 应力有直接或间接的关系。因此 ， 在地应力实测数据 的基础上 ， 分析地应力场对巷道布置与围岩稳定性的 影响 ， 并应用于采矿工程设计 ， 对煤矿安全、 高效生产 具有重要意义。 现有的地应力测量方法有多种 ， 但 目前在煤矿井 下应用 比较广泛的只有应力解 除法及 水压致裂法。 从 1 9 9 6年澳大利亚岩层控制技术公司 S t r a t a C o n t r o l T e c h n o l o g y L t d ． 采用 空心包体应力解 除法， 在邢 台 东庞煤矿进行地应力测量以来 ， 这种方法得到较多应 用。特别是山东兖州矿区引进了岩层控制技术公司 的地应力测量技术 ， 并进行 了改进与发展 l ] ， 完成 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 7 责任编辑 常琛 作者简介 孙玉福 1 9 6 o 一 ， 男 ， 河北东光人 ， 高级工程师 ， 博士研究生 。E m a i l S h a n x i s y f 1 2 6 ． c o rn 8 9 2 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 了全矿区的原岩应力测量 ， 分析 了兖州矿区原岩应力 分布特征， 并将 测试结果应用 于巷道 布置与支护设 计 ， 取得 了良好效果 。在水压致裂法方面 ， 2 0 0 0年， 煤炭科学研究总院开采设计研究分 院开发研制 出适 合于煤矿井下巷道 中测试 的小孔径水压致 裂地应力 测量装置， 并在多个矿 区井下进行 了测量 ， 获得 了大 量宝贵的地 应力数据 。这些测试成果 已经应用 于巷 道 围 岩 应 力 场、 稳 定 性 分 析 与巷 道 支 护 设 计 J ， 提高了设计的合理性与科学性。 潞安矿区从 2 0 0 0年开始进行全 面、 系统 的地应 力测试 ， 采用小孔径水压致裂地应力测量装置完成了 矿区主要矿井的地应力测量 j ， 并研究了全矿区地 应力分布特征与规律 。地应力实测数据成为巷道支 护设计必不可少的基础参数 “ J ， 地应力测量也成 为巷道支护技术不可 或缺 的环节 。本文主要采用理 论分析与数值模拟方法研究水平应力方 向对巷道稳 定性与围岩变形的影响， 基于常村煤矿井下地应力实 测数据 ， 进行现场实例分析。 1 巷道布置与地应 力关 系的理论分析 大量地应力测量结果表明 ， 岩层 中的水平应力在 很多情况下大于垂直应力 ， 而且水平应力具有明显的 方向性 ， 最大水平主应力明显高于最小水平主应力 ， 这种趋势在浅部矿井尤为明显 J 。因此 ， 水平应力 的作用逐步得到人们的认识和重视。当巷道轴线与 最大水平主应力平行 ， 巷道受水平应力的影响最小 ， 有利于顶、 底板稳定； 当巷道轴线与最大水平主应力 垂直 ， 巷道受水平应力的影响最大， 顶、 底板稳定性最 差 ； 当两者呈一定夹角时 ， 巷道一侧会 出现水平应力 集 中， 顶 、 底板 的变形与破坏会偏 向巷道 的某一帮。 根据最 大水平 主应 力 or 最 小水平 主应 力 or 及垂 直 主应力 or 三者数值 的大小 ， 把原岩应力场分 为 3种 不同的形式 ， 即 H 型 ， H h O r ； H 型， H h ； 型 ， Or Or 。从地应力 的角度考虑巷道布置时 ， 必须考虑巷道轴线方 向与最大水平主应力之间的夹 角 ， 最优的夹角应使作用在巷道围岩边界上的法 向应 力比值 ／ Or 1 为作用在巷道两侧的水平法向 应力 。最优夹角随原岩应力场型式的不同而不同。 1 ． 1 H 型应 力场 型应力场中， 最大主应力 ， 中问主应力 ，最小 主应力 。在这种应力场 中要使 ／ Or 1 是不可能的， 只能是接近 1 ， 故只能使 O - ，即最优夹角等于零。因此在 型应力场中， 平行 于最大主应力方 向的轴线是最佳巷道轴线方向。 1 ． 2 型应 力场 H 型应力场中， 1 H ， o r 2 ， 3 c r h ， 在这种 原岩应力场 中， 可以满足 。根据任意斜 面上 的法向应力与主应力的关系， 可确定出最优的最大水 平主应力与巷道轴线的夹角 O t 为 o ／0 a 。 1 盯 ∞吣 _ 由式 1 可看 出， 在 型应力场中， 最佳巷道轴 线与 之 间夹角 的变化 范 围为 0 o r 。 9 0 。 。假定 1 0 MP a ， 根据式 1 计算 出不同水平应力条件下 的最佳夹角 O t 。 见表 1 。可见 ， 当 一定时 ， 随着 增 加 ， ％逐渐减小 ， 即最优方向逐渐接近 方向； 当 一 定时 ， 随着 o r 减小 ， 。 增大， 最优方向逐渐偏离 方向。 表 1 不 同应力状态下巷道布置最佳 夹角 1 0 MP a Ta bl e 1 The o pt i m u m a ng l e o f r o adwa y a x i a l i n di ffe r e nt in- s i t u s t r e s s s t a t e s 1 0 M P a 1 ． 3 型应 力场 型应力场中 ， 1 ， 2 H ， 3 ， 在这种 地应力场条件下无法使 o r ， 只能接近 ， 故只能 取 ---- - Or ， 即 O t 。 9 0 。 ， 也即在 型应力场 中， 最佳的 巷道轴线布置方 向就是与最大水平应力相互垂直 的 方 向。 2 数值模 拟分析 2 ． 1 数值模型与模拟方案 数值模拟对象为潞安矿区典型 的大断面运输巷 道。巷道 沿 3号煤 层底 板 掘进 ， 煤 层平 均厚 度 为 6 m， 近 水 平 赋 存。煤 层 平 均 单 轴 抗 压 强 度 为 1 5 MP a 。煤层顶板为泥岩 ， 单轴抗压强度为 4 2 M P a 。 最大 水 平 主应 力 为 1 6 MP a ， 最 小 水 平 主 应 力 为 9 MP a ， 垂 直主应力为 7 MP a 。巷 道断面呈矩形 ， 宽 5 ． 0 m， 高 3 ． 3 m。 模拟方案 分别模拟最大水平主应力方 向与巷道 轴线夹角为 09 0 。 、 间隔为 1 0 。 时的围岩应力分布、 变形与破坏范围。模型应力边界条件根据最大水平 主应力方向与巷道轴线的夹角按式 1 计算。 2 ． 2 数 值模 拟结 果及分 析 不 同巷道轴线与最大水平主应力方 向夹角的围 岩最大主应力分布如图 1所示。距顶板 3 m水平切 面水平应力分布如 图 2 a 所示 ， 巷道两帮水平切面 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 的斜上方发展， 出现了类似方形 的塑性区， 而且拉伸 破坏逐步发展为剪切破坏 ； 两帮围岩破坏逐渐从剪切 破坏发展到拉伸破坏， 底板拉伸破坏逐步发展为剪切 破坏。 7 巷道围岩变形在巷道轴线平行于最大水平 主应力方向时最小。随着夹角增大 ， 位移不断增加。 在 0 2 0 。 范围内位移增加不明显 ， 在 2 0～ 7 0 。 有较 明 显的变化 ， 之后 ， 位移的增加又变得 比较平缓。 总之 ， 巷道轴线与最大水平主应力方向的夹角是 影响巷道围岩应力分布、 破坏范围及围岩变形的关键 因素 。特别是夹角在 2 0～7 0 。 影响明显。因此， 在进 行巷道布置与支护设计时 ， 应充分考虑巷道轴线与最 大水平主应力方向夹角的影响。 3 现场应用实例分析 为进一步了解地应力场对巷道布置的影响， 在常 村煤矿 s 6轨道上山布置测点 图 4 ， 该处测点埋深 3 4 5 m。采用煤炭科学研究总院开采设计研究分 院开 发的小孔径水压致裂地应力测量装置进行 了井下原 岩应力测量。测量结果 最大水平主应力 I 1 ． 3 1 MP a ； 最小水平主应力 5 ． 9 2 M P a ； 垂直应力 8 ． 6 3 MP a ； 最大水平主应力方向 N 4 4 ．o E 。 罨 默 ∽ 图4 常村煤矿 s 6采区巷道布置与地应力场的关系 F i g ． 4 R o a d wa y l a y o u t i n S 6 w o r k i n g a r e a o f C h a n g c u n C o a l Mi n e a n d i t s r e l a t i o n s h i p w i t h i n - s i t u s t r e s s fie l d 可见， 最大主应力为最大水平主应力， 构造应力 占明显优势。最大水平主应力与垂直应力 的比值为 1 ． 3 1 ， 与最小水平主应力 比值为 1 ． 9 1 ， 两者相差 比较 大 ， 水平应力具有明显的反向性。 常村煤矿 S 6采 区共有 5条采 区上山巷道 ， 如 图 4所示。上山轴线与最大水平主应力方向的夹角为 8 4 ． 1 。 ， 近似垂直， 上山处于最不利的方向。S 6 1 号 回 风上山是第 1 条掘进上 山巷道， 属于实体煤巷道 ， 采 用锚杆与锚索联合支护。由于上山受力状况差 ， 导致 S 6 1号回风上山掘进 过程 中围岩位移量就很大 ， 多 处两帮移近量在 6 0 0 mm以上 ， 底臌量超过 3 0 0 mm。 出现多根锚杆、 锚索破断。矿压监测数据显示 ， 巷道 围岩变形一直不稳定 ， 处于蠕变状态。由于围岩变形 与顶板离层过大， 不得不在部分地段又架设了钢棚 ， 巷道支护非常困难。 相反 ， 与 s 6 1 号 回风上山相连的 s翼 回风巷 ， 其 轴线与最大水平主应力呈 4 4 ． 9 。 的夹角， 巷道受力状 况明显不同于 s 6 1 号回风上山。回风巷同样采用锚 杆与锚索联合支护 ， 支护参数基本相同， 但巷道掘出 后 围岩变形很快就趋于稳定 ， 而且变形量不大， 锚杆 、 锚索没有出现任何破坏现象。 上述实例表明， 巷道布置方 向对围岩变形与破坏 有很大的影响， 甚至超过支护本身的影响。因此 ， 根 据地应力大小与方 向， 选择合理的巷道布置方 向， 不 仅十分有利于巷道围岩的稳定 ， 而且可以降低支护成 本 ， 起到事半功倍的作用。 4 结 论 1 巷道围岩稳定性 与其轴线与最大水平主应 力方向的夹角有很大关 系。最优的夹角应使作用在 巷道围岩边界上的法向应力 比值等于或接近 1 。 2 巷道开挖后水平应力在两帮出现应力降低 区， 在顶、 底板出现应力集 中区。随着巷道轴线与最 大水平主应力夹角增加 ， 两帮应力降低区范围有所扩 大 ， 顶底板水平应力集中区逐渐远离巷道 。 3 围岩塑性区随巷道轴线与最大水平主应力 夹角不同而发生变化。当巷道轴线平行 于最大水平 主应力时， 塑性区分布在巷道周边附近， 呈圆环状 ； 随 着夹角增大 ， 顶板塑性 区向巷道两角斜上方发展 ， 出 现类似方形的塑性 区。围岩变形 随着夹角增大不断 增加 ， 在 2 0～ 7 O 。 有较明显的变化。 4 井下实践表明， 巷道布置方 向对围岩变形与 破坏有很大的影响。根据地应力大小与方向， 并结合 矿井开拓部署 与采 区布置 ， 选择合理 的巷道轴线方 向， 不仅十分有利于巷道围岩的稳定， 而且可以降低 支护成本， 起到支护本身不能起到的作用。 参考文献 [ 1 ] 倪兴华 ． 地应力研究与应用[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 7 第 6期 孙玉福 水平应力对巷道围岩稳定性的影响8 9 5 国家级煤及煤化工产 品质检 中心在安徽淮南开建 国家级煤及煤化工产品质量监督检验 中心 日前在安徽 淮南山南新区正式开工。据 悉， 该 中心规划总建筑 面积约 1 ． 9 8万 m ， 建设总投资6 7 0 0万元。项 目建成后， 将成为我国华东和中部地区一流的、 全 国知名的煤及 煤化工产品质量监督检验中心， 也将成为集煤炭和煤化工产品质量检测、 煤炭深加工利用工程技术研究、 开发、 咨询服 务 于一体 的 国 内外 交流基地 。 据淮南市产品质量监督检验所 负责人杜恒介绍， 该 中心是淮南市政府设置的具有公益性质的 国家质量监 督检验机构， 已被列入安徽省“ 8 6 1 ” 项 目。 目前 ， 该 中心是继在山西太原布点后设立的第 2个国家级煤及煤化 工产品质量监督检验 中心， 也是淮南市继煤矿 瓦斯治理国家工程研究中心后第 2个国家级重点实验 室。 摘 自“ 中国煤 炭 资源 网”