側(cè)壓對底板切槽圍巖穩(wěn)定性影響模擬分析

1、側(cè)壓對底板切槽圍巖穩(wěn)定性影響模擬分析     側(cè)壓對底板切槽圍巖穩(wěn)定性影響模擬分析劉寧寧，闞甲廣，王龍龍*作者簡介：劉寧寧，(1986- )，男，中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)碩士研究生，主要從事巷道支護(hù)與圍巖控制方面的學(xué)習(xí)與研究工作。通信聯(lián)系人：闞甲廣，(1983- )，男，講師，從事巷道圍巖控制理論及技術(shù)的教學(xué)與研究工作. E-mail: 力演化規(guī)律的影響。隨著煤炭開采逐漸向深部延伸，整體地應(yīng)力水平的提高，巷道圍巖出現(xiàn)明顯的大變形和強流變性7。我國多個礦區(qū)的地應(yīng)力測試結(jié)果表明：構(gòu)造應(yīng)力普遍大于圍巖45 的自重應(yīng)力。側(cè)壓系數(shù)對底板開槽效果

2、的影響應(yīng)引起足夠重視。1 數(shù)值模型的建立采用FLAC2D 建立底板切槽對圍巖穩(wěn)定性影響分析模型。數(shù)值計算模型如圖1 所示，模型尺寸為80×80m；共劃分200×240 個網(wǎng)格。開挖巷道的斷面為直墻半圓拱形，寬4m，直墻高1.6m。巷道為未支護(hù)的裸巷，底板正中切槽，槽寬0.5m。模型底部為位移固定邊界，50 側(cè)面固定x 方向位移；模型頂部為應(yīng)力邊界條件，施加應(yīng)力20Mpa，模擬埋深800m。根據(jù)側(cè)壓系數(shù)的不同，模擬方案共分為 =1.0 、 =1.2 、 =1.4 三組，每組包括切槽深度h 從0 到4m 按0.5m 遞增的9 個方案。圖1 網(wǎng)格劃分過的模型55本構(gòu)模型選擇摩爾-

3、庫倫模型。圍巖設(shè)置為單一均勻介質(zhì)，各參數(shù)見表1，屬于類圍巖。邊界元分析結(jié)果表明當(dāng)切槽后的槽內(nèi)充填彈性模量為圍巖彈性模量的40%的松散介質(zhì)時，可以消除切槽兩壁的拉應(yīng)力3,8。底板切槽后對槽內(nèi)進(jìn)行充填，充填介質(zhì)的彈性模量為圍巖彈性模量的40%。60表1 數(shù)值模型圍巖參數(shù)密度/kg×m-3 內(nèi)聚力/Mpa 內(nèi)摩擦角/° 剪切模量/MPa 體積模量/MPa 抗拉強度/Mpa2500 0.8 26 1540 3340 0.82 側(cè)壓對巷道變形影響規(guī)律模型建立完成后對27 個方案分別進(jìn)行運算，考察了巷道的變形規(guī)律及圍巖應(yīng)力演化規(guī)65 律。 (a) =1.0 ， h = 0 (

4、b) =1.0 ， h = 4m圖2 底板切槽對圍巖位移矢量影響70側(cè)壓系數(shù) =1.0 未切槽( h = 0 )時圍巖位移矢量如圖2(a)所示，底板圍巖移動方向為垂直向上；側(cè)壓系數(shù) =1.0 槽深h = 4 m 時圍巖位移矢量如圖2(b)所示，巷道周邊所有對應(yīng)位置網(wǎng)格點的位移矢量長度遠(yuǎn)小于前者，底板圍巖除充填的松散介質(zhì)外其余各點的位移矢量方向發(fā)生了改變，由原來的垂直向上改為以水平方向為主指向切槽，從而降低了底鼓量。75(a) 底鼓量 (b) 幫、頂位移量圖3 巷道圍巖變形與切槽深度關(guān)系曲線( =1.0 )通過對各模型底板設(shè)置監(jiān)測線，對底板各點的底鼓量進(jìn)行了監(jiān)測。側(cè)壓系數(shù) =1.0 時，80 巷

5、道圍巖變形曲線如圖3 所示。由圖3(a)可知底板切槽深度較小( h 1m)時，底鼓量并未出現(xiàn)明顯降低，切槽深度h = 0.5m 時，平均底鼓量甚至超過了未切槽時的底鼓量；切槽深度較大(h 1m)時，底鼓量隨切槽深度的增加線性下降。槽深h = 4m 時，平均底鼓量和最大底鼓量與不切槽相比分別減小了47.25%、54.86%。85 由圖3(b)可知底板切槽后頂板下沉量和兩幫移近量均有所增加，但二者隨切槽深度的變化并不是單調(diào)遞增的，存在一定的波動。槽深h = 4m 時，頂板下沉量增加了12.08%，兩幫移近量增加了13.17%。側(cè)壓系數(shù)不同時圍巖絕對變形量會發(fā)生較大變化，以相對變化率(切槽后的圍巖變

6、形量與未切槽時的變形量之差比上未切槽時的變形量所得到的值，%)來表示不同側(cè)壓系數(shù)條件90 下底板切槽對圍巖變形的影響程度。切槽深度h = 4m 時，側(cè)壓系數(shù)對切槽效果的影響曲線兩幫移近量/mm 如圖4 所示。(a) 底鼓相對變化率 (b) 幫、頂位移相對變化率圖4 側(cè)壓系數(shù)對切槽卸壓效果的影響曲線(h = 4m)95在圖4(a)中，底鼓相對變化率均為負(fù)值表示切槽后底鼓量均有所降低。隨側(cè)壓系數(shù)的增大，底鼓相對變化率絕對值越大，表明相同的切槽深度在側(cè)壓系數(shù)越大時，對底鼓的控制效果越明顯。在圖4(b)中，幫、頂位移相對變化率均為正值表示底板切槽后幫、頂位移有所增加。隨100 側(cè)壓系數(shù)的增大

7、幫、頂位移相對變化率絕對值減小，說明相同的切槽深度在側(cè)壓系數(shù)較大時引起的幫、頂位移增加程度較小。通過以上對巷道變形規(guī)律分析，可以得到：采用底板切槽治理巷道底鼓時，會對幫、頂產(chǎn)生不利影響，引起幫、頂位移增加；側(cè)壓系數(shù)越大，切槽對底鼓控制效果越明顯，所引起的不利影響越小。因此從控制巷道圍巖變形的角度出發(fā)，底板切槽更適合于側(cè)壓系數(shù)較大的105 巷道。3 側(cè)壓對圍巖應(yīng)力演化規(guī)律影響在巷道正中的頂板、兩幫、底板底角分別設(shè)置了應(yīng)力監(jiān)測線，以監(jiān)測不同側(cè)壓系數(shù)條件下不同切槽深度的圍巖應(yīng)力。監(jiān)測線長度為14m，每隔0.5m 均勻設(shè)置1 個監(jiān)測點，共29個。獲得了大量圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)。110圖5 應(yīng)力演化規(guī)律曲線圖例

8、為了方便圍巖應(yīng)力演化規(guī)律曲線的繪制，以下所有應(yīng)力演化規(guī)律曲線圖例均如圖5 所示。 115 3.1 頂板圍巖應(yīng)力演化圖6 頂板水平應(yīng)力和主應(yīng)力差演化曲線( = 1.0 )由圖6 可知，頂板水平應(yīng)力和主應(yīng)力差峰值均出現(xiàn)在距頂板表面6m 的位置，水平應(yīng)力120 峰值集中系數(shù)為1.3。底板切槽深度的不同對頂板水平應(yīng)力和主應(yīng)力差演化曲線沒有明顯影響，既未出現(xiàn)應(yīng)力峰值的降低也未出現(xiàn)峰值位置向圍巖淺部或深部移動。 = 1.2 、 = 1.4 時，頂板14m 范圍內(nèi)水平應(yīng)力和主應(yīng)力差演化規(guī)律曲線與圖6 類似，不同切槽深度的應(yīng)力演化曲線基本相同，不同之處在于峰值點分別移到了7.5m 和8.0m 左右的

9、位置。由此可以得出結(jié)論：不同側(cè)壓系數(shù)條件下，底板中部切槽的深度對頂板水平應(yīng)力和125 主應(yīng)力差基本不產(chǎn)生影響，切槽前后應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。3.2 幫部圍巖應(yīng)力演化(a) = 1.0130 (b) = 1.2 (c) = 1.4圖7 幫部圍巖水平應(yīng)力演化曲線135由圖7 可知：監(jiān)測線區(qū)域范圍內(nèi)，幫部水平應(yīng)力隨深度的增加逐步達(dá)到穩(wěn)定值，但并未達(dá)到原巖應(yīng)力，也沒有出現(xiàn)峰值應(yīng)力。隨底板切槽深度的增加，對應(yīng)位置的水平應(yīng)力降低。側(cè)壓系數(shù)不同時，應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值的位置相同，均距巷道表面8m。隨側(cè)壓系數(shù)的增加，切槽導(dǎo)致的應(yīng)力水平的降低程度減小。以達(dá)到穩(wěn)定值的點為例，側(cè)壓系數(shù)1.0，切槽深度為140

10、4m 時穩(wěn)定值與未切槽相比降低了14.6%；側(cè)壓系數(shù)為1.2 和1.4 時，分別降低了13.38%、10.70%。(a) = 1.0145 (b) = 1.2 (c) = 1.4圖8 幫部圍巖垂直應(yīng)力演化曲線150 由圖8 可知：幫部垂直應(yīng)力在監(jiān)測線范圍內(nèi)達(dá)到了原巖應(yīng)力，并且存在峰值區(qū)域。隨著切槽深度的增加，峰值點出現(xiàn)的位置向巷道深部轉(zhuǎn)移，峰值點的應(yīng)力集中系數(shù)也逐步減小。側(cè)壓系數(shù)為1.0 時，未切槽時峰值點的應(yīng)力集中系數(shù)為1.098；底板切槽深度為4m 時，應(yīng)力集中系數(shù)為1.031.不同側(cè)壓系數(shù)的條件下，峰值點出現(xiàn)的位置不同：側(cè)壓系數(shù)越大，峰值點的位置越靠近155 巷道表面；峰值點隨

11、切槽內(nèi)移的距離不同。側(cè)壓系數(shù)為1.0 時，切槽深度4m 與未切槽相比峰值點內(nèi)移1.0m；側(cè)壓系數(shù)為1.2 時，峰值點內(nèi)移0.5m；側(cè)壓系數(shù)為1.4 時，幾乎未出現(xiàn)峰值點的內(nèi)移。圖9 幫部圍巖主應(yīng)力差演化曲線( = 1.0 )160由圖7 可知幫部圍巖主應(yīng)力差存在峰值，隨切槽深度的增加峰值點出現(xiàn)的位置向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移：切槽深度為4m 與未切槽相比峰值點內(nèi)移1.0m。側(cè)壓系數(shù)對幫部主應(yīng)力差的影響與對垂直應(yīng)力的影響相同，即側(cè)壓系數(shù)越大，峰值點的位置越靠近巷道表面，同時切槽引起的峰值點內(nèi)移的距離越小。 165 3.3 底板圍巖應(yīng)力演化(a) = 1.0(b) = 1.2170(c) = 1.4

12、圖10 底板圍巖水平應(yīng)力演化曲線由圖10 可知：底板水平應(yīng)力在淺部分布不規(guī)律，進(jìn)入深部后存在峰值，峰值過后在監(jiān)175 測區(qū)域內(nèi)達(dá)到了原巖應(yīng)力。隨著切槽深度的增加，峰值點一方面向深部轉(zhuǎn)移，另一方面峰值點應(yīng)力集中系數(shù)降低。側(cè)壓系數(shù)為1.0 時，未切槽時峰值點的應(yīng)力集中系數(shù)為1.2；底板切槽深度為4m 時，應(yīng)力集中系數(shù)為1.1。不同側(cè)壓系數(shù)的條件下，峰值點出現(xiàn)的位置不同：側(cè)壓系數(shù)越大，峰值點的位置越靠近 巷道深部，與幫部水平應(yīng)力正好相反；峰值點隨切槽內(nèi)移的距離不同。側(cè)壓系數(shù)為1.0 時，180 切槽深度4m 與未切槽相比峰值點內(nèi)移1.5m；側(cè)壓系數(shù)為1.2 時，峰值點內(nèi)移1.0m；側(cè)壓系數(shù)

13、為1.4 時，峰值點內(nèi)移0.5m。(a) = 1.0185 (b) = 1.2(c) = 1.4圖11 底板圍巖主應(yīng)力差演化曲線190 由圖11 可知：底板主應(yīng)力差與底板水平應(yīng)力分布規(guī)律相同。監(jiān)測范圍內(nèi)存在峰值，隨切槽深度的增加峰值點向巷道深部轉(zhuǎn)移的同時應(yīng)力集中系數(shù)降低。不同側(cè)壓系數(shù)條件下，峰值點出現(xiàn)的位置不同：側(cè)壓系數(shù)越大，峰值點的位置越靠近巷道深部，與幫部主應(yīng)力差正好相反；峰值點隨切槽內(nèi)移的距離不同。 上述切槽深度相同時，應(yīng)力峰值隨側(cè)壓系數(shù)靠近或遠(yuǎn)離巷道表面是由側(cè)壓系數(shù)不同引起195 的，與切槽與否及切槽深度無關(guān)；相同側(cè)壓系數(shù)條件下，隨切槽深度的增加峰值點向巷道深部轉(zhuǎn)移同時峰值降

14、低是底板切槽造成的。4 結(jié)論通過上述底板切槽對巷道變形規(guī)律及圍巖應(yīng)力演化規(guī)律的分析，可以得到以下結(jié)論：(1) 底板切槽會對幫、頂產(chǎn)生不利影響，引起幫、頂位移增加；側(cè)壓系數(shù)越大，切槽對200 底鼓控制效果越明顯，對幫、頂?shù)牟焕绊懺叫?。因此從控制巷道圍巖變形的角度出發(fā)，底板切槽更適合于側(cè)壓系數(shù)較大的巷道。(2) 底板切槽對頂板圍巖應(yīng)力分布沒有明顯影響，對幫、底圍巖應(yīng)力分布影響顯著：隨著切槽深度的增加一方面幫、底圍巖應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，另一方面應(yīng)力峰值降低。幫部以應(yīng)力峰值降低為主，底部以應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移為主。205 (3) 在側(cè)壓系數(shù)較大的情況下，幫、頂應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移的距離較小。參考文獻(xiàn)

15、 (References)1 李志奇，高占峰，孟文福. 高應(yīng)力軟巖巷道卸壓法防治底鼓機理研究J. 機電信息,2010,30:153-1552 Sun Jin, Wang Lianguo. Numerical simulation of grooving method for floor heave control in soft rock210 roadwayJ. Mining Science and Technology (China), 2011, 21(7): 49-563 陳炎光，陸士良. 中國煤礦巷道圍巖控制M.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，19944 黃運飛，楊維懷. 地下工程圍巖維護(hù)的新途徑-切縫弱化圍巖