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基于构造应力的弱面斜穿巷道围岩变形特征.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月矿业工程研究 :基于构造应力的弱面斜穿巷道围岩变形特征谷翱翔,余伟健,潘豹(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 ;湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南 湘潭 ;湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 )摘要:为研究弱面与构造应力组合作用对巷道围岩稳定性的影响,基于贵州木孔煤矿工程地质条件,采用 软件,对全断面开挖下的围岩稳定性进行数值模拟,重点分析弱面倾角与构造应力对围岩变形及位移的影响,同时对围岩变形机理进行讨论 研究结果表明:巷道开挖后,水平方向的位移均表现为向巷道中心收敛;巷道竖向位移受弱面倾角影响较大
2、,随着弱面倾角的增大,最大位移从拱顶逐渐转移到巷道左帮;巷道两帮的变形量随着弱面倾角的变化呈现明显的不均匀变形特征,所设置的监测点显示巷道两帮的位移在特定的弱面倾角范围内表现出相反的变化趋势 该研究结果可为巷道支护设计及工程应用提供技术支撑关键词:结构面;不均匀变形;巷道围岩变形;构造应力中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(;);湖南省自然科学基金资助项目()通信作者,:矿业工程研究 年第 卷随着矿区开采深度的增加,巷道所处的工程地质条件越发复杂 在“三高一扰动”作用下,巷道掘出后围岩碎胀、扩容等大变形现象严重 巷道多布置
3、于强度较低的沉积地层中,受沉积岩成层特征、层间岩性及赋存结构差异的影响,掘进中揭露的围岩类型多、岩性各异 层状岩体中常分布一种强度低、厚度小、胶结性差的特殊成层结构,如软弱结构面、裂隙破碎带、软弱夹层、破碎夹层和泥化夹层等,简称巷道弱面 弱面在应力作用下极易产生损伤破坏,加剧邻近岩层松动破裂区的扩展,威胁巷道整体稳定 因此,研究弱面与构造应力组合作用对巷道围岩稳定性的影响,对类似巷道确定支护技术与参数具有一定的工程实际意义关于弱面对巷道变形的影响,国内外诸多学者做了大量的研究 赵同彬等 通过岩石力学试验,分析了加锚前后节理岩石破坏形态、强度特征以及加载过程中变形场演化规律和锚固控制机制;许鹏等
4、 采用霍普金森杆作为冲击加载装置,记录倾斜弱面介质中运动裂纹的扩展过程,对裂纹周围应变场的演化过程、裂纹尖端的开裂应变以及裂纹的扩展速度进行了分析;于永江等 通过对含结构面岩石进行扰动力学试验,发现在循环动力扰动下,岩石塑性变形积累值与扰动循环加载次数存在函数关系;余伟健等 通过 软件对矿山现场调查的裂隙进行重构,分析了我国南方地区部分矿区常规支护方式下典型裂隙巷道围岩变形破裂特征,结合巷道围岩变形特点提出综合控制原则及关键技术;丁乙等 在摩尔 库伦准则的基础上,建立多弱面条件下的强度破坏准则,建立页岩地层坍塌压力预测模型;经来旺等 以甘肃平凉某矿为背景,利用 软件构建数值模型,分析中间岩层厚
5、度和节理弱面厚度对上行开采的影响;姚锡伟等 运用 软件,研究了隧道围岩在双弱面不同空间位置组合下的破坏模式;王亚琼等 以云南昭乐某隧道为工程背景,研究高地应力环境下水平层状隧道围岩的变形破坏特征,构建水平层状围岩力学模型,探讨了隧道围岩变形破坏机理;刘邦等 将贯穿隧道的节理及断层近似为穿越隧道的裂纹,通过室内试验和数值模拟相结合的方法研究双轴作用下模型的损伤破坏规律;郭富利等 以堡镇隧道为研究背景,建立含软弱夹层围岩的力学模型,并分析了含软弱夹层围岩变形破坏的演化过程以上成果对复杂地质条件下含弱面围岩的变形破坏特征研究均有积极的作用,但对于构造应力影响下倾斜弱面斜穿巷道围岩变形的研究却较少涉及
6、 为了揭示弱面斜穿巷道围岩的力学特性与变形特性,本文以木孔煤矿为工程背景,取 处巷道为研究对象,采用 ()数值模拟软件,模拟分析不同侧压系数条件下受弱面影响的巷道围岩的变化特征 工程地质概况木孔煤矿矿区主要为碳酸盐岩岩溶地貌,次为碎屑岩侵蚀地貌 处运输大巷处于该矿井的 和煤层之间,埋深为 左右 该巷道围岩的主要矿物成分为硅质灰岩、粉砂岩和粉砂质泥岩,均为弱隔水层 区域内主要水源为裂隙水,预计最大流量为 ,对生产无太大影响 具体综合岩性如图 所示图 木孔煤矿综合柱状图 第 期谷翱翔,等:基于构造应力的弱面斜穿巷道围岩变形特征 数值模拟 岩体力学参数 运输大巷顶板布置在硅质灰岩层,底板为粉砂岩,在
7、掘进过程中,局部出现小型地质构造 通过岩石力学试验获得基础岩石力学参数,具体数值见表 表 岩石物理力学参数围岩容重()弹性模量 泊松比内摩擦角()黏聚力 体积模量 剪切模量 硅质灰岩 粉砂岩 数值计算根据工程地质资料,建立相应的数值分析模型 模型长 宽 高(),巷道净断面为 ,巷道断面为半圆拱形,埋深 ,弱面倾角分别为 ,巷道围岩的本构模型选择摩尔库伦模型,弱面由犀牛软件建模生成,并弱化其黏结参数,刚度为周边单元体等效刚度的 倍,根据表 中的数据对岩层赋值 计算模型的前后左右和底部取位移边界,上部取应力边界,模型上部应力为上覆岩层的自重应力,大小为 数值模型如图 所示(图 为弱面倾角为 时的数
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