深部巷道开挖数值模拟及围岩变形

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摘 要：为了揭示深部不同地应力环境下巷道开挖围岩的变形规律，为深部巷道开挖与支护作指导。采用有限差分软件建立了深部巷道模型，对不同水平侧压力状态及开挖进尺深度下巷道开挖过程进行了数值模拟。分析结果表明：巷道拱顶竖向、拱底竖向及中部水平向的变形明显，变形量最大发生在巷道中部，其水平向位移最大值为20 mm左右。当深部岩体水平侧压力系数为1时，即岩体处于静水压力状态，巷道开挖引起的变形量最大。随着开挖深度的增大，巷道变形量趋于稳定。

关键词：水平地应力 深部巷道 侧压力系数 围岩变形 数值模拟

中图分类号：TD35 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0020-04

地应力是引起采矿和地下工程围岩和支护变形、破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性的必要条件，也是对围岩进行稳定性分析和定量计算的前提条件[1-2]。地下工程的开挖实际上是岩体在某一方面的应力得到释放，从而破坏了原有的力学平衡状态[3-5]，会引起开挖周围岩体产生变形或破坏，并最终达到平衡状态。前人研究表明，开挖角度和侧压力系数这两个因素对巷道围岩的稳定性起到至关重要的作用[6]。

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态[7]。矿山朝着深部化的方向发展，深部岩体所处的应力环境将更加复杂。该文旨在模拟在深部不同地应力情况下的巷道开挖，对于研究洞室围岩的破坏机理、应力及变形分布具有重要的理论及现实意义[8]。

1 巷道模型及岩石参数定义

采用有限差分软件建立了尺寸规格为：X方向80 m，Y方向40 m，Z方向80 m的深部巷道模型，巷道上覆岩体厚度为1 000 m；巷道断面为圆形，其直径为4 m。数值模拟计算选用Mohr-Coumomb弹塑性材料模型，需要定义的材料参数包括：密度、体积模量、剪切模量、内聚力、内摩擦角和抗拉强度[9]。相关参数见表1。

2 不同开挖方式下的模拟结果

为了模拟巷道在不同应力状态及开挖进尺下的巷道变形规律，巷道所处水平侧压力系数分别设定为0.5、0.8、1.0、1.5、2，设计巷道开挖进尺深度分别为2 m、3 m、4 m。在该次数值模拟中设计巷道开挖总深度为24 m。为了监测巷道的变形情况，在距巷道模型端面1 m处的巷道拱顶、拱底和右侧中部布置了监测点。表2为不同开挖工况下的巷道变形监测位移结果。从表2中可以看出，巷道拱顶竖向、拱底竖向及中部水平向的变形明显，变形量最大发生在巷道中部，其水平向位移最大值为20 mm左右。当水平侧压力系数为1.0，即深部岩体处于静水压力状态下时的变形量最大。

3 模拟结果分析

3.1 侧压力系数对巷道变形影响

为了分析水平侧压力系数对巷道围岩变形的影响，以进尺深度为3 m时为例进行分析。表3为进尺深度为3 m 时不同水平侧压力系数下的巷道变形。

从上图可以看出，巷道拱顶竖向位移、拱底竖向位移和右侧中部水平向位移均随水平侧压力系数的增大呈先增大后减小的趋势；当水平侧压力系数为1时，各测点的位移值最大。当水平侧压力系数为0.5时，拱顶竖向位移出现正值，即向着远离巷道中心的方向变形。

3.2 开挖深度对巷道变形影响

以水平侧压力系数为1，进尺深度为3 m时为例，分析开挖深度对巷道围岩变形的影响，如图3所示。从图中可以看出，随着开挖深度的增大，巷道围岩变形渐趋稳定；巷道拱底和中部变形较大；拱底产生底鼓，变形量为15 mm；巷道中部产生缩径，变形量约为20 mm。

4 结语

通过建立深部巷道数值模型并模拟不同应力状态及开挖进尺工况条件下的巷道开挖过程，对不同工况条件下的巷道变形特征进行了监测，并分别分析了应力状态和开挖深度对巷道变形的影响规律。得出如下结论。

（1）巷道拱顶竖向、拱底竖向及中部水平向的变形明显，变形量最大发生在巷道中部，其水平向位移最大值为20 mm左右。

（2）当深部岩体水平侧压力系数为1时，即岩体处于静水压力状态，巷道开挖引起的变形量最大。

（3）随着开挖深度的增大，巷道变形量趋于稳定，巷道拱底和中部变形较大。

参考文献

[1] 徐燕，武建军.不同地应力条件下巷道开挖的弹塑性分析[J]. 兰州理工大学学报，2010，36（2）：168-171.

[2] 于学馥，郑颖人，刘怀恒，等.地下工程围岩稳定性分析[M].北京：煤炭工业出版社，1983.

[3] 张晓君，靖洪文.高应力巷道开挖围岩损伤分析[J].采矿与安全工程学报，2009，26（1）：45-49.

[4] 陈德名，甘仕伟，王冬琳.有限元法在巷道掘进数值模拟研究中的应用[J].矿业工程，2012，10（6）：59-61.

[5] 姜守俊，孔德秀，刘敬.采矿巷道的开挖变形及支护效果研究[J].采矿技术，2008，8（4）：80-82.

[6] Jia P，Tang C A.Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23（5）：500-507.

[7] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（16）：2803-2813.

[8] 曾繁慧，邹存静.巷道围岩变形破坏数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2013，32（12）：1664-1668.

[9] 姜守俊.采矿巷道围岩变形机理的初步研究[J].矿业快报， 2008（11）：12-14.