不同侧压系数下深部巷道变形破坏数值分析_张雨豪.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月浅部矿产资源逐渐开采殆尽，资源开采活动逐步由浅部向深部发展1-2。深部矿产资源赋存条件多数比较复杂，特别是在构造应力复杂的情况下，巷道的稳定性面临巨大挑战。深部开采与浅部开采相比，在高围压的状态下，其应力分布状态、围岩塑性区发育范围以及变形区域都存在着巨大差别3。现如今，深部巷道普遍存在围岩变形量大、围岩承载力低及支护失效等现象，造成巷道顶部冒落，巷道两帮出现片帮，底部出现严重的底鼓现象4。原始地应力是巷道围岩稳定性数值分析中一个很重要的影响因素，为了能够明确地将它表征出来，利用了侧压系数的概念。侧压系数是指，巷道所受到的水平应力h与垂直应力v的比值，通常用表示，是数值模拟中必不可少的一个参数。因此，侧压系数概念的提出是非常有意义的。自重应力、水平构造应力是模拟模型中必有的边界。埋深不同、岩体不同的h和v，导致巷道发生变形，致使巷道周围塑性区发生变化。由于造成巷道变形的原因不同，巷道的破坏在形式上有很大的差异5-9。栗东平等人7 基于F L A C3 D软件建立模型，并对比试验结果与数值模拟结果，研究了巷道断面为矩形时，在不同侧压系数下逐步开挖导致的巷道周围应力变化和塑性区的变化。项戈泽等人1 0 通过实验室仿真试验，自制了岩爆模型试验装置。运用自制的装置，研究了岩收稿日期：2022-10-11基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2019MS05011）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJYT-20-A21）第一作者简介：张雨豪，1998年生，女，山西晋城人，在读硕士研究生，主要从事岩石力学方面的研究。不同侧压系数下深部巷道变形破坏数值分析张雨豪1，陈世江1，2（1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头0 1 4 0 1 0；2.六盘水师范学院，贵州 六盘水5 5 3 0 0 4）摘要：随着开采深度的不断增加，巷道围岩破坏程度也逐渐增大，巷道稳定性成为相关工作人员关注的焦点。矿产资源处于地层较深处，开采环境复杂，特别是在构造应力复杂的情况下，巷道的稳定性面临巨大挑战。对深部巷道围岩在不同的侧压系数下，水平位移、垂直位移、最大应力分布以及塑性区的变化特征进行了研究，并运用3 D E C（3D im e n s io nD is tin c tE le m e n tC o d e，三维离散单元法程序）软件进行数值模拟研究。研究结果表明：巷道两帮的水平位移会随着侧压系数的增大逐渐变大；顶底板的垂直位移也在增大，并向两帮扩展；此系数对巷道顶底板塑性区的影响较为明显，出现剪切形式的破坏范围呈增长趋势，两帮塑性区破坏形式主要为剪切破坏。通过3 D E C数值模拟研究，为深部巷道处于复杂应力环境时的巷道支护提供参考。关键词：深部巷道；侧压系数；数值模拟；应力集中中图分类号：T D 3 2 5文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 1 3-0 5Numerical Analysis of Deformation and Failure of Deep Roadways under Different LateralPressure CoefficientsZHANG Yuhao1,CHEN Shijiang1,2(1.College of Mining and Coal,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,Inner Mongolia,China;2.Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,Guizhou,China)Abstract:With the continuous increasing depth of mining,the degree of damage to roadway surrounding rock is graduallyincreasing,and the stability of the roadway has been the focus of attention.As the mineral resources are in the deep strata,themining environment is complex.Especially in the case of complex tectonic stress,the stability of roadway faces great challenges.Inthis paper,the variation characteristics of horizontal displacement,vertical displacement,maximum stress distribution and plasticzone of deep roadway surrounding rock under different lateral pressure coefficients were studied.By using 3DEC(3 DimensionDistinct Element Code)software,the numerical model study was performed.The results of the study show that the horizontaldisplacement of both sides of the roadway will gradually increase with the increase of the lateral pressure coefficient;the verticaldisplacement of the roof and floor also increases and extends to both sides;this coefficient affects the plastic zone of the roof andfloor of the roadway,which is more obvious,and there is a growing trend of damage in the form of shear,while the damage form inthe plastic zone of the two sides mainly shows shear failure.The 3DEC numerical simulation study provides a reference for thesupport of deep roadways when they are in a complex stress environment.Key words:deep roadway;lateral pressure coefficient;numerical simulation;stress concentration（总第2 1 0期）本刊特稿1 3 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0622 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 1 模型设计爆的宏观破坏及变形特征，然后结合F L A C3 D数值模拟软件对其破坏过程进行了仿真。朱欣鹏等人1 1 运用F L A C3 D软件研究了不同对软岩巷道的影响。许多学者将弹性力学、损伤力学等理论与实际相结合，运用数值计算、数值模拟等方法，对断面形状为圆形、矩形的（0 1，13，3.0时，半圆拱与直墙相交的地方出现最大位移，并逐渐向下扩展，底板也慢慢出现了较为明显的位移。1 4 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 3 应力变化趋势图a)水平应力变化趋势图0-20-40-60-80-100-120-140-160-180水平应力 h/MPa帮部顶板底板1.02.03.04.05.0侧压系数b)垂直应力变化趋势图帮部顶板底板100-10-20-30-40垂直应力 v/MPa1.02.03.04.05.0侧压系数e)=5.0图 2 最大主应力云图a)=1.0b)=2.0c)=3.0d)=4.0图6为巷道帮部、顶板、底板在侧压系数分别为1.0，2.0，3.0，4.0，5.0时，位移量的变化情况。由图6可知，当增大时，巷道两帮位移呈增加趋势，表明增大对巷道两帮的影响更大；巷道顶板的位移在1.0 3.0之间时，呈现出减小的趋势；当取3.0 4.0时，巷道底板的位移量达到最小，此时底板最不容易被破坏；当4.0时，巷道底板的位移又呈现出增长的趋势；巷道顶板位移随着的增大，呈缓慢增长的趋势。2.3不同 下塑性区域分布图7为不同时，巷道围岩塑性区分布位移云图。由图7可知，在=1.0的情况下，巷道围岩局部出现拉破坏，顶底板较为明显；随着的增大，巷道两帮塑性区出现明显的拉破坏，伴随着巷道顶底板塑性区出现剪切破坏；当=3.0时，顶板主要发生剪切破坏，并随着的增大范围扩大；当=5.0时，巷道两帮出现先剪后拉破坏，顶板已经出现明显的破坏，后期支护时需要重点关注；巷道围岩塑性区变化呈蝴蝶状分布。张雨豪，等：不同侧压系数下深部巷道变形破坏数值分析1 5 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月b)=2.0a)=1.0a)=1.0图 5 Z 轴位移云图图 4 X 轴位移云图c)=3.0d)=4.0e)=5.0b)=2.0c)=3.0d)=4.0e)=5.01 6 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 7 塑性区云图3结语总的来说，不同的对巷道围岩水平方向的位移、垂直方向的位移有比较大的影响，反映在巷道塑性区域变化上也是非常明显的，具体结论如下。a)随着的增大，巷道两帮的X轴方向位移迅速增加，而顶板和底板X轴方向变化不显著。b)随着的增大，巷道顶底板Z轴方向位移随之增大，并逐步向帮部延伸扩展。c)随着的增大，巷道顶底板由拉破坏转化为剪切破坏，两帮表现出先剪后拉破坏现象，塑性区域也随着的增大而增大，并且逐渐呈蝴蝶状向四周扩散。参考文献：1 史明将，弓培林，姚春波，等.深部煤巷偏应力场分布特征及围岩控制研究 J.煤炭工程，2022，54(4)：122-127.2 康红普.我国煤矿巷道围岩控制技术发展 70 年及展望 J.岩石力学与工程学报，2021，40(1)：1-30.3 贺心燕，宁掌玄.深井大断面双巷布置回采巷道破坏机制及控制技术 J.煤矿安全，2019，50(10)：88-92.4 王新丰，何毅，陆明远，等.开挖卸荷扰动深部巷道围岩变形破坏特征研究 J.中国安全科学报，2021，31(8)：83-90.5 谭涛，许梦国，王平，等.不同侧压系数下巷道围岩变形破坏特征研究 J.化工矿物与加工，2020，49(8)：21-25.6 尚彦军，蒋毅，赵斌，等.不同侧压系数下复合地层变形破坏特征数值模拟 J.科学技术与工程，2022，22(13)：5437-5446.a)=1.0b)=2.0c)=3.0d)=4.0e)=5.03.02.52.01.51.00.50-0.5位移量/cm帮部顶板底板1.02.03.04.05.0侧压系数张雨豪，等：不同侧压系数下深部巷道变形破坏数值分析（下转第 48 页）图 6 位移变化趋势图1 7 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月 7 栗东平，冯瑞广.不同侧压系数下矩形巷道逐步开挖的稳定性分析 J.煤矿安全，2022，53(5)：203-210.8 王康健，鲁海峰，张元.不同地应力环境下巷道破坏变形特征数值模拟研究 J.煤炭技术，2021，40(9)：5-10.9 茹锐锋，于雁武，贾康辉，等.矩形巷道岩爆危险性受侧压系数的影响研究 J.中北大学学报（自然科学版），2021，42(2)：117-122.10 项戈泽，祝文化，刘畅，等.不同侧压系数的深埋洞室岩爆破坏特征研究 J.土工基