穿倾斜岩层巷道非对称变形数值模拟研究_张俊树.pdf

穿倾斜岩层巷道非对称变形数值模拟研究张俊树，孙景阁（中国平煤神马控股集团 科技创新管理部，河南 平顶山；平顶山天安煤业股份有限公司 煤炭开采利用研究院，河南 平顶山）摘 要：当巷道布置在倾斜错动的岩层中时，巷道掘进方向与岩层斜交，使巷道周围出现沿岩层节理面为主的破坏、非对称变形等现象。本文首先分析了某矿采区泵房联络巷变形破坏特点，采用 数值模拟方法研究了穿倾斜岩层巷道非对称变形破坏的规律。结果表明：在倾斜岩层中掘进巷道时，不同类型穿层段巷道应力和变形破坏呈现非对称特征；砂质泥岩层在巷道中所处位置极大概率会成为直接导致巷道发生破坏的关键部位。巷道所处围岩砂质泥岩层含量越大，巷道应力集中程度越大，非对称变形越大。研究结果将为相似条件穿倾斜岩层软岩巷道非对称变形及支护控制提供依据。关键词：穿倾斜岩层巷道；非对称变形；数值模拟中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）引言当岩层的走向及倾向受到地质构造的影响发生倾斜时，岩层层位会出现错动现象。将巷道布置在此类倾斜岩层中时，掘进方向就会与岩层斜交，使巷道出现顶板沿岩层节理面发生破坏、帮部变形，巷道断面缩小，破坏支护结构等现象。穿倾斜岩层巷道呈现出的非协调变形现象，变形和破坏特征也出现差异性特征。随着巷道关键部位的损坏，破裂区会逐渐变大，巷道围岩失稳破坏，持续恶性循环。本文针对某矿采区泵房联络巷穿倾斜岩层软岩巷道在掘进过程中非对称变形严重问题，分析了穿倾斜岩层软岩巷道非对称变形整体失稳的关键因素，通过数值模拟方法研究不同类型穿层断面巷道的非对称变形的特点，总结其破坏规律。研究结果将为相似条件穿倾斜岩层软岩巷道非对称变形及后续支护控制提供依据。工程概况 巷道工程背景某矿采区东翼泵房联络巷道埋深为 左右，巷道掘进过程中穿越不同岩性的岩层，不同断面内部各岩性所占的比例具有很大差异，非对称分布情况明显。巷道断面形状设计为直墙半圆拱，净宽、高分别为、。巷道顶板以砂岩层为主，夹杂粉砂岩层，底板含有砂质泥岩，强度略低。巷道穿层布置平面图如图 所示。图 巷道穿层布置平面图 围岩地质构造利用可视化钻孔窥视仪器，对巷道掘进范围内部围岩进行松动破坏范围探测，测点布置在两帮，探测深度为。探测得到的影像资料如图 所示。图 围岩钻孔窥视结果 通过分析钻孔窥视结果可知：裂隙发育区内的裂隙发育剧烈，不同破裂区域的裂隙类型各异，张开型裂隙集中在 的浅层裂隙发育区，滑移型裂隙主要分布在 浅中深度范围内，非对称破坏特征明显，右帮破碎程度大于左帮。穿倾斜岩层巷道非对称变形破坏规律研究 穿倾斜岩层巷道数值模拟 工程地质模型选取巷道地质条件相对复杂的 种穿层类型断面DOI:10.13487/ki.imce.022902巷道作为基础。简化不同断面岩性的分布特点，主要针对包含砂质泥岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩这 种不同岩层在断面内位置的不同交互、变化进行建模，具体模型如图 所示。（）类型 （）类型（）类型图 不同岩层类型分布示意图 数值计算模型参考巷道断面开挖影响区域的理论，取大于 倍巷道断面尺寸作为模拟区域。巷道断面形状为直墙半圆拱，宽，直墙部分高，拱形高度为。设定模型宽、高均为，纵向长度为。选用 强度准则，取岩层平均倾斜角度为。固定模型前后左右四个面，限制其、轴三个方向上的位移，模型底部也固定住，限制其 方向上的位移。巷道上覆岩层自重应力，侧压系数取，各岩层物理力学参数如表 所示。表 模型岩石力学参数岩层密度 体积模量 剪切模量 内聚力 内摩擦角 抗拉强度 中粒砂岩砂质泥岩细粒砂岩粉砂岩 巷道开挖变形规律分析 应力分布特征通过比较巷道开挖后，用三种不同穿层类型断面巷道竖直方向应力分布特征分析巷道周围应力分布的规律，如图 所示。（）类型 （）类型（）类型图 不同类型穿层巷道断面竖直方向应力分布特征图三种不同类型穿层巷道应力分布表明：当砂质泥岩为两帮的主要岩性时，应力集中程度在左右帮存在的范围都较大；在中粒砂岩和砂质泥岩各半的穿层断面中，应力集中范围在左侧，中粒砂岩占比较大一帮大于砂质泥岩一帮；反观（）类型穿层断面巷道，粉砂岩占据了大部分区域，应力集中程度远远大于岩性较弱的砂质泥岩帮部。这样的现象可以说明，砂质泥岩层岩性较弱，受到应力作用更容易发生破坏，导致承载能力降低，峰值应力转移至深部围岩，自身被压碎，围岩应力得到了释放，所以应力集中程度略低。而强度较大的粉砂岩层可以承受较大的地应力，应力集中程度大。综上分析，巷道不同岩层岩性差异，导致垂直应力的不对称分布，顶底板应力均偏移至岩性较弱的砂质泥岩层。位移分布特征巷道开挖后，不同穿层岩性段的变形破坏特征也呈现非对称性，比较三种穿层断面巷道位移分布，如图 所示。（）类型 （）类型（）类型图 不同类型穿层巷道断面竖直方向位移分布特征图 从位移分布特征得到：三种不同穿层断面围岩的位移分布也是非对称的，（）类型穿层巷道断面位移分布在左帮中间稍偏下和底板中间，最大位移量可达；（）类型穿层断面位移分布在左帮中间和底板中央偏左的位置，最大位移量可达；（）类型穿层断面较大位移发生在底板中间偏右处，最大位移量可达。分析可知，砂质泥岩层是导致巷道变形发生位移的关键薄弱岩层。塑性区分布特征开挖巷道之后，不同穿层断面其塑性区的分布也显现非对称特征，图 为三种不同穿层断面巷道塑性区的分布情况。（）类型（）类型（）类型图 不同类型穿层巷道断面塑性区分布特征图对比三种不同类型穿层断面巷道塑性区分布：（）类型砂质泥岩占比较多的穿层断面塑性区非对称现象最明显，左下底角比右上肩窝破坏范围更大；（）类型砂质泥岩与中粒砂岩各半的穿层断面塑性区也出现了明显的非对称现象，但是左下底角比右上肩窝破坏范围小；（）类型以粉砂岩为主的穿层断面塑性区分布的非对称现象不是很突出。结论 巷道掘进过程中，不同类型穿层段巷道变形破坏呈现非对称特征，底板凹凸最大变形量可达。钻孔窥视分析可知，巷道围岩 非对称破坏特征明显。通过数值模拟可知，巷道穿层断面不同岩层岩性差异，导致水平、垂直应力的不对称分布，巷道所处围岩砂质泥岩层含量越小，巷道应力集中程度越大，非对称变形越大，非对称位移量最大可达，最小为。砂质泥岩层在巷道中所处位置极大概率会成为直接导致巷道发生破坏的关键部位，发生塑性流动破坏的概率较大，极易先行发生破坏，致使巷道整体失稳。参考文献：王雷，王琦，黄玉兵，等深部高应力穿层巷道变形机制及支护技术研究采矿与安全工程学报，（）：谢小平，吴刚，尉瑞，等断层附近软岩巷道围岩破坏机理及控制研究煤炭科学技术，（）：范磊，王卫军，袁超基于可拓学倾斜软岩巷道支护效果评价方法采矿与安全工程学报，（）：江东海，李恭建，马文强，等复杂节理岩体巷道非均称底鼓机制及控制对策采矿与安全工程学报，（）：郝育喜，王炯，王浩，等深井断层破碎带穿层软岩巷道锚网索耦合控制对策采矿与安全工程学报，（）：范明建，康红普，林健，等埋深 大倾角复合岩层巷道围岩综合控制技术研究采矿与安全工程学报，（）：王洪涛，王琦，蒋敬平，等深部巷道全长预应力锚注支护机理研究及应用采矿与安全工程学报，（）：作者简介：张俊树（），男，河南叶县人，本科，助理工程师，研究方向：煤、岩体微观结构。