急倾斜巷道围岩变形数值模拟分析

No. 1

煤 炭科技

2018COAL SCIENCE & TECHNOLOGY MAGAZINE

文章编号：1008-3731 (2018)01-0001-06

急倾斜巷道岩变形数值模拟分析

王宫伟力U高霞!,#，

(1.中国矿业大学(北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083;2.中国矿业大学(北京）力学与建筑工程学院，北京100083)

摘要：为了研究急倾斜岩层中巷道的稳定性，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，分析了 500 \"1 000 m深度下75。倾斜岩层中巷道开挖后的变形特征及围岩应力分布规律。结果表明：急倾斜岩 层中的巷道变形，主要受倾斜层理及软弱岩层的层间滑动控制，巷道开挖后的最大变形方向与岩层 的倾向基本一致，并且随着巷道的深度增加，变形量也逐渐增大。而且，巷道围岩的变形与应力分布

特征。数值模拟果与析

值模拟果一定的 中图分类号:TD353

表明，

析的限制，

巷道的围岩与数

，但是进入弹性区后，两

文献标志码：B

的果

较的一致性。

关键词：急倾斜岩层；不同深度；巷道稳定性；数值模拟

Numerical simulation analysis of deformation of surrounding rock in steeply inclined roadway

(GONG Wei-li12，GA0 Xia12，WANG Ning12，SUN Ya-xing12，BAO Min12)

(1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, CUMT,Beijing,100083;2.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing,100083)

Abstract：In order to study the stability of the roadway in steeply inclined rock formation, theoretical analysis and

numerical simulation were combined to analyze the deformation characteristics and stress distribution law of the surrounding rock after excavation in a 75。inclined rock formation at a depth of 500 \" 1 000 m.The results showed that the deformation of the roadway in the steeply inclined rock formation is mainly controlled by the in­clined bedding and the interlayer sliding of the soft rock. The maximum deformation direction after the excava­tion of the roadway is basically consistent with the tendency of the rock formation, and as the depth of the road­way increases, the amount of deformation also gradually increased. Moreover, the deformation and stress distribu­tion of roadway surrounding rock are asymmetrical. The comparison between the numerical simulation results and the analytical solutions shows that there are certain deviations from the numerical simulation results in the rock near the roadway because of the limitations of the analytical solution.However, after entering the elastic zone, the results of the two solutions have good consistency.

Keywords ： steeply inclined rock formation;different depths; stability of roadway ;numerical simulation CLC number ：TD353 Document identification code:B

存急倾斜煤层[3]。与近水>或缓倾斜煤层相比，急倾

1引言

我国急倾斜煤层储量占煤炭总储量比例较大，

斜煤层地质条件复杂。急倾斜煤层工作面回采过程中的围岩运动特征和矿压显现规律具有非均匀性、 非对称性的特点，在开采过程中，容易引发井下动力

倾角大于35。的占17%[1-2]，南方地区80,的矿区赋

基金项目：国家自然科学基金（51574248)

2

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2018年第1期

序号12345厚度/m12.41.41.22. 53. 5岩性砂岩.1煤'泥岩，3煤'泥岩灾害，对安全生产造成极大的威胁。因此，研究急倾 斜煤层中巷道围岩的变形破坏规律具有重要意义。

对于急倾斜煤层的变形破坏机理，从业人员开 展了大量的研究。如开采倾角为近50。煤层的巷道布 置与围岩移动破坏的特点[4];急倾斜煤层充填开采的 覆岩运移规律[5];影响急倾斜煤层巷道围岩稳定性的 因素及控制技术[6];急倾斜煤层水平分段放顶煤开采 时顶板的破断垮落规律[7]等。其次，采用数 研究巷道围岩变形破坏机理的 重要段，相的，

具的

为

开展。例如用

ANSYS软件 4槽工作面的开挖过

[8];采用UDEC

煤

、倾角及面

件下工作

面顶板的活动[9];用FLAC 巷道煤柱宽煤倾角的变研究其对围岩变形的影响[10]，

拟研究巷道开 的

变

[11]以及

件下大断面巷道的围岩

分布、变形及破

[12];

，对于倾角超过70。的岩巷道围岩的变

形破坏机理的数

分开展的不够充分。

煤的工

为

，对大倾角煤层巷道围岩难以控制的

，分了大倾角煤

巷道破坏的机理及破坏特。

用FLAC3D 了 75。岩倾角下巷道围岩变形破坏的数值讨 型，并建立了从500 m至1 000 m深度范围内（每 100 8为 量)6个计算分过，从

应变

角对开巷道的围岩的变形机理

F

了分析，时巷道围岩 置

点，

围

岩的水平

分

，并

与 形 围 分 理 对 分， 开

的巷道围岩

。2

研究背景

2.1工程地质条件

以旗山煤-1 000 m水平轨道大巷为研究背 景，

巷道

面，巷道围岩要分为：岩岩组％ 中岩岩）、岩岩组％

岩 岩）煤岩

％ 4煤、3煤1煤）。-1 000 m 道大巷

如图1

，相

的 理

数如

1

。

表1

巷道围岩概化力学参数

岩性容重

抗拉强度弹性模量 黏聚力摩擦角/(kN*m-3)/MPa /GPa泊松比

/MPa/(%)岩岩25. 64. 7818. 250. 13516. 5133泥岩岩组25. 33. 319. 110. 14923. 5927煤体岩组

14. 0

1. 5

6. 15

0. 12

5. 418

25

60. 6，4煤

7

16. 88

1

*泥岩

图1 -1 000 '轨道联络大巷地层柱状

2.2地应力条件

结果，旗山煤矿-1 000 m水

平最大主应力大小为40. 5 MPa，方位角为140。，而 -1 000 m水平北翼道联络大巷的走为NE6。， 因此巷道走与最大 的夹角为46。，受

：

力影响较大，对巷道支护非常利。

2.3巷道支护破坏特征

通过场考察调研，巷道在初期掘进过程 中，围岩及支护变形、破坏严重，如 2

。

(@)顶板下沉

图2

巷道破坏情况

巷道变形、破坏主要表现以下几个方面：(1) 收缩变形量大且变形不均匀；

(2)

巷道掘过程中，底鼓现象严重，严重影

巷道的正常使用；

2018年第1期

巷道顶板喷层剥落、掉块。

宫伟力等：急倾斜巷道围岩变形数值模拟分析

3

(3)顶板受力不均，均有不同程度的下沉而且

3各向同性岩体圆形巷道应力理论解

假设:①围岩为均质，各向同性，线弹性，无蠕

变或黏性行为;②原岩应力为各向等压(静水压力） 状态;③巷道断面为圆形，在无限长的巷道长度里， 围岩的性质一致。采用研究平面应变问题的方法， 取巷道的任一截面作为代表，且埋深大于或等于20 倍的巷道半径！。

根据弹性理论，运用叠加原理，得到双向不等 压应力场内的圆形孔(如图3)的应力分布：

!二

\"

2

(1-f)

2U-4 *

+ 3 ^■)cos2\"

(1)

:

i

\"

2

(1

+ f

)2

(1+3!4)cos2\"(2)

2

(1+ 3

r

)+i-2\"(3)

式中！—

巷道的垂直应力，MPa;!$ = $);----水平应力，MPa;!& = %$);

%—

压

。

结合旗山煤矿工程地质资料，当开挖深度为 500 m 时，取 ％ = 0. 8，$ = 25. 73 kN/m3,代入式（1)(2)中可以得到！_和！\"的分布曲线，如图4所示。

图4

埋深500

m的巷道围岩径向应力和切向应力的分布

4巷道变形数值分析

4.1数值模型

运用FLAC3D建立75◦岩层的数值模型，如图5

所亦。模型的尺寸为长x宽x局=30 m x 30 m x 20 m，巷道为圆形，

为2. 5 m。围岩岩性从左至 为：9. 5 m

岩、0. 6 m煤层、3. 5 m泥岩、

2. 5 m煤层、1. 2 m泥岩、1. 4 m煤层、11. 3 m砂 岩。 如表1

，采用

％

，

且开 大变形 。

图5 75°岩层圆形巷道数值模型

的

面 面设 水平 ，设 水平

; 顶

加

， 的

应力 ， 面 加 水

平 ， 水平应力。为 不同埋深的巷道

变形

，

加不同的 水平荷载，应

力加水平如表2

。

表2

不同埋深的巷道应力加载水平

巷道

埋深/m应力/MPa水平应力/MPa

50012. 8010. 2470018. '022. 0880020. 5628. 7890023. 2036. 201000

25. 70

38. 0'

4

4.2模拟结果及分析

4.2.1 埋深500 m的巷道变形及应力分布

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輝《_

D

(a) x方向位移云图

(#) $方向位移云图

图6埋深500

m的巷道围岩位移云图

由图6可知，巷道开挖后，出现非对称收敛。最 大水平位移量出现在巷道左帮偏顶角及右帮偏底 角处，左帮最大位移量为55 ''，右帮最大位移量 为66. 5 mm;最大垂直位移量也出现在巷道左侧顶 角及右侧底角处，最大下沉76 mm，底鼓量为74. 3

mm。巷道最大位移量方向与岩层的倾斜方向具有一

定的一致性，说明急倾斜岩层中开挖巷道，由于不 同地层间更容易出现相对滑动，虽然巷道埋深不 大，但是，仍然会沿地层倾斜方向产生较大的变形。

(a) x方向应力云图

(b) z方向应力云图

图7

埋深500

m的巷道围岩应力云图

由图7可知，巷道开挖后最大水平应力集中在 巷道顶板及底板7〜10 m处，最大值达到13 MPa; 最大垂直应力 在距巷帮6〜9 m处，最大值

15 MPa。 FLAC3D 的

巷道

岩中的应力

，如图8所示。

!b)围岩切向应力曲线

图8埋深500

m的巷道围岩应力分布

由图8(a)可知，监测点径向应力随临 离平

稳增加，1〜5 m

，水平应力从1〜5 MPa稳定，5〜12 m

水平应力值增加

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宫伟力等：急倾斜巷道围岩变形数值模拟分析

5

降低，在11〜12 m处趋于稳定，代表进入原岩应力 区，最大稳定值为7 MPa。由图8(b)可知，切向应力 分布在0 + 2 m松动圈范围内相对平稳，且数值较小为 1〜3 MPa，2〜5 m范围内急剧增大，说明进入塑性区 范围，而后在6〜14m范围内竖向应力趋于稳定，进 入弹性区，峰值达到15. 5 MPa，稳定值为12 MPa% 4.2.2 埋深1 000 m的巷道变形及应力分布

(a) x方向位移云图

(b) z方向位移云图

图9埋深1 000

m的巷道围岩位移云图

由图9可知，埋深增加至1 000 m后，巷道变形 规律与500 m埋深时基本一致，最大位移方向仍然 沿地层倾斜方向。但是，随着埋深的增加，巷道围岩 的应力水平也增大，因此，巷道变形量也显著增大。

处的最大水平位移量达到330 mm，

帮偏底角方向最大水平位移量达到410 mm& 2

的最大

位移量也分增加

至 487 mm'450 mm。

结果，左帮最大位移量为330 mm，右

帮最大位移量为410 mm&硐室部最大位移量为 487 mm，底部最大鼓出量为450 mm&开挖后围岩应 力最大 分布在硐室顶部9〜10 m

，最大 值达到36 MPa;竖向应力

时向

6〜

9 m范围内

，最大集中值达到26 MPa，如图10

。

(a) x方向应力云图

(b) z方向应力云图

图10埋深1 000

m的巷道围岩应力云图

4.3解析解和模拟解对比

为

数值

的正确性，将巷道开挖后围

岩应力分的弹性

与数值

结果进行对

， 图 11 。

(a)径向应力分布理论解

0 12345临空距离6789m

10 1112 131415

(b)径向应力分布数值解

6

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2018年第1期

结论

(1) 巷道开挖后的变形与围岩倾斜方向具有一

的增，变形

岩

与

变形

变形的

岩性

于

控制作用。

增大。弄

一，同

围

5

致性，

一变形 的 岩

时，急倾斜层理

范围大于砂岩一侧，说明围岩中

(2) 开挖引原岩应力重分布，由于岩层 (d)切向应力分布数值解

图11埋深500 $巷道围岩应力理论解与数值解对比

由图11(%)，11(')可知，在距离临空面0〜8) 范围内，模拟结果和解析解均为增大趋势；同时，75% 急倾斜煤层解析解得出的稳定数值为23 MPa，而模 拟得出的仅为7 MPa。说明在趋势上两组解具有一 致性，但由于线弹性小变形条件的限制，理论解无 法考虑真实开挖过程中硐室变形导致的围岩应力 释放问题，所以，本模拟结果

本

硐室开挖后的围岩应力 。

图11(d)可知，数值解 处数值不为零，

这与实际情不符，析可知由于 在空处

具有 ，而FLAC3D 件 的应力

应于

中 ，

不 ，所以产生切应力不为零的情况；1〜2. 5 )范围内， 应数值小，应于范围内岩 的岩， 同 时考虑 距 空 面 ， 应力 释

放为临面 的

形

，岩所

的应力有限，而对应于解析解，

考

的

f

与变形，

范围内的 大;3〜6)范围内，

岩

，岩

大大增，同时开挖

变

形较小，对应于 应力

应力值变，

而 临 距离 增 大， 数值 小 ， 而图 中应力 值，由于应力

时

应力

丨

，所以考虑

值

形势

符解析

解势的。

的倾斜，导致巷道两侧同一

的围岩岩性不同，

造成

两应力

不

。

(3) 围岩径应力解析解与数值模拟解在

趋势上具有一致性。但由于理论解无法考虑真实 开挖过程中 形导致的围岩应力释放问题，导

致解析解得出的稳定数值远大于模拟得的稳

定值。

径距离的增大，在弹性范围内，两种计

算值趋势一致。

参考文献：

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，

.

大面软岩巷道变形破裂规律数值模拟

[J].煤矿安全,2012,43(1):160 - 163.__________________________作者简介：宫伟力（1955#),男，辽宁清原人，中国矿业大

学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室、力学与 建筑工程学院教授，博士生导师，流体力学学科带头人，先后 参加多项国家重点基础研发计划（973计划）、国家教育部创新 团队发展计划、磨料水射流切割顶板锚索具持企业横向课题。

(收稿日期：2018—03—05)