侧压对底板切槽围岩稳定性影响模拟分析

1、侧压对底板切槽围岩稳定性影响模拟分析     侧压对底板切槽围岩稳定性影响模拟分析刘宁宁，阚甲广，王龙龙*作者简介：刘宁宁，(1986- )，男，中国矿业大学采矿工程专业硕士研究生，主要从事巷道支护与围岩控制方面的学习与研究工作。通信联系人：阚甲广，(1983- )，男，讲师，从事巷道围岩控制理论及技术的教学与研究工作. E-mail: 力演化规律的影响。随着煤炭开采逐渐向深部延伸，整体地应力水平的提高，巷道围岩出现明显的大变形和强流变性7。我国多个矿区的地应力测试结果表明：构造应力普遍大于围岩45 的自重应力。侧压系数对底板开槽效果

2、的影响应引起足够重视。1 数值模型的建立采用FLAC2D 建立底板切槽对围岩稳定性影响分析模型。数值计算模型如图1 所示，模型尺寸为80×80m；共划分200×240 个网格。开挖巷道的断面为直墙半圆拱形，宽4m，直墙高1.6m。巷道为未支护的裸巷，底板正中切槽，槽宽0.5m。模型底部为位移固定边界，50 侧面固定x 方向位移；模型顶部为应力边界条件，施加应力20Mpa，模拟埋深800m。根据侧压系数的不同，模拟方案共分为 =1.0 、 =1.2 、 =1.4 三组，每组包括切槽深度h 从0 到4m 按0.5m 递增的9 个方案。图1 网格划分过的模型55本构模型选择摩尔-

3、库伦模型。围岩设置为单一均匀介质，各参数见表1，属于类围岩。边界元分析结果表明当切槽后的槽内充填弹性模量为围岩弹性模量的40%的松散介质时，可以消除切槽两壁的拉应力3,8。底板切槽后对槽内进行充填，充填介质的弹性模量为围岩弹性模量的40%。60表1 数值模型围岩参数密度/kg×m-3 内聚力/Mpa 内摩擦角/° 剪切模量/MPa 体积模量/MPa 抗拉强度/Mpa2500 0.8 26 1540 3340 0.82 侧压对巷道变形影响规律模型建立完成后对27 个方案分别进行运算，考察了巷道的变形规律及围岩应力演化规65 律。 (a) =1.0 ， h = 0 (

4、b) =1.0 ， h = 4m图2 底板切槽对围岩位移矢量影响70侧压系数 =1.0 未切槽( h = 0 )时围岩位移矢量如图2(a)所示，底板围岩移动方向为垂直向上；侧压系数 =1.0 槽深h = 4 m 时围岩位移矢量如图2(b)所示，巷道周边所有对应位置网格点的位移矢量长度远小于前者，底板围岩除充填的松散介质外其余各点的位移矢量方向发生了改变，由原来的垂直向上改为以水平方向为主指向切槽，从而降低了底鼓量。75(a) 底鼓量 (b) 帮、顶位移量图3 巷道围岩变形与切槽深度关系曲线( =1.0 )通过对各模型底板设置监测线，对底板各点的底鼓量进行了监测。侧压系数 =1.0 时，80 巷

5、道围岩变形曲线如图3 所示。由图3(a)可知底板切槽深度较小( h 1m)时，底鼓量并未出现明显降低，切槽深度h = 0.5m 时，平均底鼓量甚至超过了未切槽时的底鼓量；切槽深度较大(h 1m)时，底鼓量随切槽深度的增加线性下降。槽深h = 4m 时，平均底鼓量和最大底鼓量与不切槽相比分别减小了47.25%、54.86%。85 由图3(b)可知底板切槽后顶板下沉量和两帮移近量均有所增加，但二者随切槽深度的变化并不是单调递增的，存在一定的波动。槽深h = 4m 时，顶板下沉量增加了12.08%，两帮移近量增加了13.17%。侧压系数不同时围岩绝对变形量会发生较大变化，以相对变化率(切槽后的围岩变

6、形量与未切槽时的变形量之差比上未切槽时的变形量所得到的值，%)来表示不同侧压系数条件90 下底板切槽对围岩变形的影响程度。切槽深度h = 4m 时，侧压系数对切槽效果的影响曲线两帮移近量/mm 如图4 所示。(a) 底鼓相对变化率 (b) 帮、顶位移相对变化率图4 侧压系数对切槽卸压效果的影响曲线(h = 4m)95在图4(a)中，底鼓相对变化率均为负值表示切槽后底鼓量均有所降低。随侧压系数的增大，底鼓相对变化率绝对值越大，表明相同的切槽深度在侧压系数越大时，对底鼓的控制效果越明显。在图4(b)中，帮、顶位移相对变化率均为正值表示底板切槽后帮、顶位移有所增加。随100 侧压系数的增大

7、帮、顶位移相对变化率绝对值减小，说明相同的切槽深度在侧压系数较大时引起的帮、顶位移增加程度较小。通过以上对巷道变形规律分析，可以得到：采用底板切槽治理巷道底鼓时，会对帮、顶产生不利影响，引起帮、顶位移增加；侧压系数越大，切槽对底鼓控制效果越明显，所引起的不利影响越小。因此从控制巷道围岩变形的角度出发，底板切槽更适合于侧压系数较大的105 巷道。3 侧压对围岩应力演化规律影响在巷道正中的顶板、两帮、底板底角分别设置了应力监测线，以监测不同侧压系数条件下不同切槽深度的围岩应力。监测线长度为14m，每隔0.5m 均匀设置1 个监测点，共29个。获得了大量围岩应力数据。110图5 应力演化规律曲线图例

8、为了方便围岩应力演化规律曲线的绘制，以下所有应力演化规律曲线图例均如图5 所示。 115 3.1 顶板围岩应力演化图6 顶板水平应力和主应力差演化曲线( = 1.0 )由图6 可知，顶板水平应力和主应力差峰值均出现在距顶板表面6m 的位置，水平应力120 峰值集中系数为1.3。底板切槽深度的不同对顶板水平应力和主应力差演化曲线没有明显影响，既未出现应力峰值的降低也未出现峰值位置向围岩浅部或深部移动。 = 1.2 、 = 1.4 时，顶板14m 范围内水平应力和主应力差演化规律曲线与图6 类似，不同切槽深度的应力演化曲线基本相同，不同之处在于峰值点分别移到了7.5m 和8.0m 左右的

9、位置。由此可以得出结论：不同侧压系数条件下，底板中部切槽的深度对顶板水平应力和125 主应力差基本不产生影响，切槽前后应力分布规律基本相同。3.2 帮部围岩应力演化(a) = 1.0130 (b) = 1.2 (c) = 1.4图7 帮部围岩水平应力演化曲线135由图7 可知：监测线区域范围内，帮部水平应力随深度的增加逐步达到稳定值，但并未达到原岩应力，也没有出现峰值应力。随底板切槽深度的增加，对应位置的水平应力降低。侧压系数不同时，应力达到稳定值的位置相同，均距巷道表面8m。随侧压系数的增加，切槽导致的应力水平的降低程度减小。以达到稳定值的点为例，侧压系数1.0，切槽深度为140

10、4m 时稳定值与未切槽相比降低了14.6%；侧压系数为1.2 和1.4 时，分别降低了13.38%、10.70%。(a) = 1.0145 (b) = 1.2 (c) = 1.4图8 帮部围岩垂直应力演化曲线150 由图8 可知：帮部垂直应力在监测线范围内达到了原岩应力，并且存在峰值区域。随着切槽深度的增加，峰值点出现的位置向巷道深部转移，峰值点的应力集中系数也逐步减小。侧压系数为1.0 时，未切槽时峰值点的应力集中系数为1.098；底板切槽深度为4m 时，应力集中系数为1.031.不同侧压系数的条件下，峰值点出现的位置不同：侧压系数越大，峰值点的位置越靠近155 巷道表面；峰值点随

11、切槽内移的距离不同。侧压系数为1.0 时，切槽深度4m 与未切槽相比峰值点内移1.0m；侧压系数为1.2 时，峰值点内移0.5m；侧压系数为1.4 时，几乎未出现峰值点的内移。图9 帮部围岩主应力差演化曲线( = 1.0 )160由图7 可知帮部围岩主应力差存在峰值，随切槽深度的增加峰值点出现的位置向围岩内部转移：切槽深度为4m 与未切槽相比峰值点内移1.0m。侧压系数对帮部主应力差的影响与对垂直应力的影响相同，即侧压系数越大，峰值点的位置越靠近巷道表面，同时切槽引起的峰值点内移的距离越小。 165 3.3 底板围岩应力演化(a) = 1.0(b) = 1.2170(c) = 1.4

12、图10 底板围岩水平应力演化曲线由图10 可知：底板水平应力在浅部分布不规律，进入深部后存在峰值，峰值过后在监175 测区域内达到了原岩应力。随着切槽深度的增加，峰值点一方面向深部转移，另一方面峰值点应力集中系数降低。侧压系数为1.0 时，未切槽时峰值点的应力集中系数为1.2；底板切槽深度为4m 时，应力集中系数为1.1。不同侧压系数的条件下，峰值点出现的位置不同：侧压系数越大，峰值点的位置越靠近 巷道深部，与帮部水平应力正好相反；峰值点随切槽内移的距离不同。侧压系数为1.0 时，180 切槽深度4m 与未切槽相比峰值点内移1.5m；侧压系数为1.2 时，峰值点内移1.0m；侧压系数

13、为1.4 时，峰值点内移0.5m。(a) = 1.0185 (b) = 1.2(c) = 1.4图11 底板围岩主应力差演化曲线190 由图11 可知：底板主应力差与底板水平应力分布规律相同。监测范围内存在峰值，随切槽深度的增加峰值点向巷道深部转移的同时应力集中系数降低。不同侧压系数条件下，峰值点出现的位置不同：侧压系数越大，峰值点的位置越靠近巷道深部，与帮部主应力差正好相反；峰值点随切槽内移的距离不同。 上述切槽深度相同时，应力峰值随侧压系数靠近或远离巷道表面是由侧压系数不同引起195 的，与切槽与否及切槽深度无关；相同侧压系数条件下，随切槽深度的增加峰值点向巷道深部转移同时峰值降

14、低是底板切槽造成的。4 结论通过上述底板切槽对巷道变形规律及围岩应力演化规律的分析，可以得到以下结论：(1) 底板切槽会对帮、顶产生不利影响，引起帮、顶位移增加；侧压系数越大，切槽对200 底鼓控制效果越明显，对帮、顶的不利影响越小。因此从控制巷道围岩变形的角度出发，底板切槽更适合于侧压系数较大的巷道。(2) 底板切槽对顶板围岩应力分布没有明显影响，对帮、底围岩应力分布影响显著：随着切槽深度的增加一方面帮、底围岩应力峰值向围岩深部转移，另一方面应力峰值降低。帮部以应力峰值降低为主，底部以应力峰值向深部转移为主。205 (3) 在侧压系数较大的情况下，帮、顶应力峰值向深部转移的距离较小。参考文献

15、 (References)1 李志奇，高占峰，孟文福. 高应力软岩巷道卸压法防治底鼓机理研究J. 机电信息,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 陈炎光，陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制M.徐州：中国矿业大学出版社，19944 黄运飞，杨维怀. 地下工程围岩维护的新途径-切缝弱化围岩