饶运章,吴国兴,罗 欢

(江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000)

矿山巷道地压形成机理及分布规律的研究

饶运章,吴国兴,罗 欢

(江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000)

通过对国内外学者研究巷道地压问题论述的分析,总结出矿山巷道地压形成的一般机理,并运用数值分析软件和有限差分的基本原理,对半圆拱形巷道在一定的侧压系数条件下开挖前后围岩应力状态进行数值模拟与分析,总结出半圆拱形巷道开挖后围岩应力的分布规律。

巷道地压;数值模拟;有限差分;侧压系数;围岩应力

1 前言

为了开采矿石,常常需要掘进各种断面形状的巷道,例如:矿山开拓中的阶段运输巷道,采准切割中的的切割巷道,矿石开采中的天井和凿岩巷道。巷道一旦开挖,原岩应力将受到开挖绕动,导致应力的重新分布,形成巷道地压。

这种围岩应力与原岩应力相比,表现出很大的应力集中现象,例如:巷道周边环向应力将大幅升高,径向应力明显降低。对于不支护巷道,巷道周边径向应力为0。巷道围岩中这种重新分布的应力组合是否超过岩体的强度极限或某种强度条件,将直接关系到矿山地下工程的稳定性。例如经常出现的“地压显现”可以表现为巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏,甚至垮塌。所以对矿山巷道开挖后地压的研究显得相当重要。

2 巷道地压的形成机理

从根本上讲,地应力是矿山巷道地压显现的根本来源。地应力是存在于地层中的天然应力,也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的情况下,岩体处于原始平衡状态。矿山巷道的开挖,打破了原始平衡状态,导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。这是地压发生的过程和机理。

因此从本质上来定义,地压就是岩体因受开挖扰动而产生的力学效应。它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。

按表现形式,地压可分为四类:散体地压、变形地压、冲击地压和膨胀地压。下面以圆形巷道为例说明开挖引起的巷道围岩地压分布规律。

地压岩体和金属材料不同,它不是线弹性体,而是复杂的非线性体,多数可简化为弹塑性体。若以弹塑体来考虑,并假设原岩应力为均匀应力场,其值等于P0,那么巷道开挖后一般将在围岩中形成三个区,即塑性区(A/B)、弹性区(C)和原岩应力区(D),其中塑性区通常又分为两个区,即松动区(A)和塑性应力升高区(B),如图1所示。

图1 巷道周边围岩

地下巷道开挖前,岩体处于原始平衡状态。巷道开挖后出现围岩应力重新分布,围岩的一部分弹性变形产生的压力为弹性变形地压。当二次应力场使弹性围岩局部地区,也是在巷道周边地区的应力状态达到屈服条件时,这部分围岩就是进入塑性状态,产生塑性区。应力再次重新分布,塑性区的应力一部分向弹性区转移。另一部分因塑性变形而释放,同时产生塑性变形地压,塑性变形的进一步发展就会引起岩体的破坏,同时巷道周围区域可能出现的拉应力也会导致岩体的破裂,从而在最靠近巷道周边的区域形成松动区。上述就是A,B,C三个区的形成过程。各区的应力、围移状态分析如下。

塑性区:

假设岩体满足摩尔-库仑屈服准则,根据屈服条件和平衡方程,有(1),(2)式即可求出塑性区内的应力大小。

由公式(1)～(3)可以看出,塑性区的应力状态与原岩应力P0无关,而只与岩体的强度指标(c,φ值)有关。塑性区通常也是极限平衡区。

弹性区:

弹性区内的应力大小可由弹性力学的后壁筒公式,(4)、(5)式求得。

由(4)式、(5)式可以看出来,弹性区内的应力大小不仅与岩体强度指标(c,φ值)有关,而且与原岩应力有关。

塑性区的半径可根据弹、塑性交界面上的应力、位移连续的条件求得:

根据广义胡克定律和伊留申弹塑性小变形理论,求得巷道围岩中的径向位移u。因为该问题满足轴对称条件,故周向位移为零。

3 半圆拱形巷道数值模拟试验描述

3.1 试验条件

对于圆形和椭圆形等断面形状的巷道,在假定岩石(岩体)均质、连续、各向同性的前提下,利用弹性力学理论,可以求出其围岩应力分布的精确分析解。但是无论是矿山巷道,还是公路和铁路隧道,其断面形状绝大多数都是直墙拱形,而这种直墙拱形断面巷道围岩应力分布,到不前为止,还没有办法利用弹性或弹塑性理论求得解析解。而随著计算机技术的发展,数值模拟已经成为一种近似求解的工具,本试验是用数值模拟软件flac3D来对半圆形巷道进行模拟分析。FLAC3D是一个三维有限差分程序,采用了一个“显式解”方案,没有必要存储刚度矩阵,计算更快捷。对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。

3.2 试验模型

假设研究的巷道所处深度相对于开挖高度大很多,在巷道所处位置原岩应力为确定值,即视原岩垂直应力和水平应力在巷道及其围岩所处空间范围内为常数,并忽略围岩自重的影响。深度H处的岩石所受应力,根据海姆(Heim)的结论有:

式中:γ为岩石的容重;H为上覆盖岩的深度;μ为泊松比;σν、σh为原岩的垂直和水平应力。在岩体中开挖巷道,应力重分布的范围是有限的。弹性理论分析和现场测试表明,对于巷道开挖的应力应变,仅在其周围距开挖空间中心3～5倍巷道开挖宽度(或高度)的范围内存在实际影响。在3倍宽度处的应力变化一般在10%以下,在5倍宽度处的应力变化一般在3%以下。所以设计的模型边界宽度是开挖巷道宽度的5倍。建立20m×10m×20m的模型,巷道宽4m,墙高2m,半圆半径为2m,建立的模型网格划分见图2。

图2 巷道模型

4 模拟实验结果

(1)开挖前后巷道周边的位移变化见图3～8。

图3 开挖前拱顶Z方向位移变化

(3)巷道围岩开挖前后各部分监测数据表。

如图3、4、5、6、7和8可知,监测点的垂直位移测试数据如表1。

表1 不同监测点巷道围岩的垂直位移

如图9、10、11、12、13和14可知,监测点的径向应力测试数据如表2。

表2 不同监测点巷道围岩的径向应力/pa

监测点的周向应力测试数据如表3。

表3 不同监测点巷道围岩的周向应力/pa

5 数值模拟分析

(1)由图3、4可知,巷道开挖前在自重应力下达到平衡状态过程中,拱顶垂直位移随着时间的增长,不断增大,最后曲线趋向于水平达到稳定平衡。巷道开挖后,忽略巷道平衡产生的位移,考虑开挖的影响,位移开始走负方向发展。图3、4同样说明了巷道底部中间类似的情况。从这些可知,巷道受开挖的影响变形非常明显。

(2)从图7、8可知,巷道围岩各点在开挖前后的位移变化。在开挖后,巷道围岩的应力集中相对明显,位移加速变化较大。表1列举了拱顶中间,两边墙中间,底部中间三点的位移,可以看出在清零后的位移变化还是比较大的。拱顶中间相对其他两点的位移变化较大。

(3)从图11、12、13和14可知,巷道围岩在开挖前都是以压应力为主,但在开挖后许多部位应力集中比较明显,产生了拉应力,因岩石的抗拉强度较小,容易破坏。

(4)巷道两边墙中间处的周向应力、拱顶中间的径向应力和底部中间的径向应力基本上始终为0。这与巷道围岩理论中的开挖空间周边处径向应力始终为0的结论是相符的。

(5)巷道周边产生塑性变形,随着时间的推移,塑性变形越来越大,最终形成流变。特别是,拱顶中间、两边墙中间、底部中间等应力集中比较明显的地方。后处理工程中,应该加强巷道支护,防止塑性流变的发生。

6 结语

运用数值模拟或数值实验方法,分析计算半圆拱形巷道在一定原岩应力条件下开挖前后围岩应力场和位移场的变化和分布情况,并准确确定巷道周边某些点周向和径向应力的大小,无论从技术角度还是经济方面,都是十分可行的。

从理论上说,弹性介质受力后其内部的应力分布是与介质本身的力学性能无关。flac3D软件都是建立在有限差原理基础之上的,而有限差分计算是先通过动态显示计算出结点位移的。因而对于具体的工程进行数值模拟或数值实验之前,物理方法测定岩石介质的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度等力学参数是必要的。

由于岩石是脆性材料,在其内部各种宏观或微观节理裂隙作用下,其抗拉强度几乎为0。对于确定的巷道工程,断面形状与尺寸初定后,根据原岩应力侧压系数和岩石的力学性能参数等进行数值模拟试验,并修改设计,确保围岩不产生周向拉应力,在技术、安全和经济方面都是具有重要意义的。

REFERENCES

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Ground Pressure Formation M echan ism ofM in ing Tunnels and Research on StressD istribution

RAO Yun-zhang,WU Guo-xing,LUO Huan
(JiangxiUniversity of Science&Technology,Resources&Environment Engineering Institute ,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

Through analysis on dissertation of tunnel ground pressure issues by scholars at home and abroad,the article summarizes the for mingmechanis m ofmining tunnel ground pressure.Numerical simulation and analysis are made on surrounding rock stress status of the semicircle arch tunnel before and after excavation under the condition of the some lateralpressure coefficients by numerical analysis software and basic principle of the finite difference.The distribution rules of surrounding rock stress are illustrated after excavation of semicircle arch tunnels.

roadways pressure;numerical simulation;the finite difference;lateral pressure coefficient;surrounding rock stress

TD3

:A

:1009-3842(2010)01-0016-05

2009-11-24

饶运章(1963-),男,江西会昌人,博士,教授,从事采矿工程与环境岩土工程方面的教学、研究工作。