文摘

在煤矿的实际过程和隧道,矩形巷道在地下环境中被广泛使用。然而,周围的岩体的应力分布规律矩形巷道相对复杂,受到不同的参数,如地应力、围岩的地质结构,属性。进行系统和深入的研究是非常重要的应力分布和变形破坏机理矩形巷道周围的岩体。基于理论分析,应力分布规律矩形巷道围岩的岩体在不同强度等级研究直接通过矩形巷道。这进一步揭示了二次应力场的分布规律在矩形巷道的开挖。一个煤矿打算挖掘岩体巷道,然后,矩形巷道是运用FLAC3D软件模拟软件。然后,应变分布和故障类型的巷道围岩在不同岩体属性。结果表明,矩形巷道的失败主要是剪切破坏和拉伸断裂。巷道的屋顶和地板主要是拉伸断裂,和巷道主要是剪切破坏。此外,压力变化和分布的矩形巷道周围岩体是一个复杂的动态变化过程。 The damage degree of the floor and roof of the rectangular roadway is greater than that of the two sides of the roadway. Its variation is mainly related to the strength of surrounding rock mass.

1。介绍

随着经济的发展,对煤炭的需求也逐日增加,煤炭的开采在中国逐渐扩展到地下岩层,并相应地质条件的复杂性增加。此外,道路在岩体的数量不断增加。巷道的稳定性问题成为一个重要的研究课题1- - - - - -3]。在煤炭资源被发掘,原来的原位应力模式仍然存在。然而,煤矿的开采改变最初的原地应力场和位移场。因此,之前的压力平衡情况的影响。初始应力场的平衡打破,这将导致压力的重新分配,这将导致新的岩体的应力分布。在应力集中区域,高应力导致变形的失败道路在煤矿4,5]。压力的变化导致的生成新矿区周围的应力场。再分配的压力和岩石结构的调整将导致一些新的故障。因此,研究应力和位移的分布场围岩发挥了重要作用,保证煤矿的安全开采。

煤炭安全开采一直是煤炭开采的首要任务,和岩石隧道也支持和强化煤矿安全生产的一个重要研究课题(6,7]。在这方面的学者有不同的研究结果。山et al .,基于理论分析和数值模拟,得出巷道的角落是巷道支架的核心区域,和加强支持强度有利于提高巷道的整体稳定性(8]。此外,陈等人研究了锚杆支护对加固岩体的稳定性,进行了理论分析9]。

对巷道的围岩应力状态,多数学者采用等效圆的方法。然而,对于矩形巷道、等效圆方法不能很好的解释一些矩形巷道的失败,也不能得到双方的应力分布,顶部,底部矩形巷道。如图1压力分布规律,对矩形巷道围岩策划(10]。

在原位应力的影响下,相对较大的压应力发生在周围的岩体,矩形巷道的一面。在水平方向上,主切向应力两边的道路先增加然后减少原岩应力的增加道路的距离中心。拉切向应力状态是顶部的矩形巷道和达到的最大中间道路。随着矩形巷道的距离增加,拉伸应力逐渐降低,成为压应力,然后增加到原岩应力。然而,至于径向压应力,它从0增加到原始地应力。在顶部角落的巷道,应力集中明显,压力的大小受到曲率半径的影响。当曲率半径大,应力集中小成反比。在拐角处,应力集中系数范围从2到5。

更重要的是研究围岩的应力、应变状态直接通过矩形巷道的角。本文采用了数值软件FLAC3D软件。关于巷道稳定性数值分析是设计和执行。此外,有价值,得出了有益的结论。

2。数值模型和参数的确定

2.1。数值模型的建立

在中国煤矿计划挖一个大断面巷道岩层。道路的横断面几何形状是矩形。横截面的这条路,宽8米,墙高8米。其主要力学参数表中列出1。数值模拟软件FLAC3D软件用于此。路的实际几何尺寸 。上覆岩体的自重的矩形隧道顶部表面的垂直应力的数值模型,底面的垂直位移的数值模型是固定为零,和水平位移的左右水平数值模型是固定为零。来模拟这个几何,平行六面体的径向网格使用。具体地说,它是完全由16400区和17602年的网格点。莫尔-库仑本构模型用于数值模拟,如图1。在这个数值模型的中心,它是一个巷道中嵌入岩层。在横向平面 被选中。此外,与正轴平行 ,五个计量点的相等的距离排列,即1点,2点,3点,4点,5点。点之间的距离1和岩石巷道边是0.5米。此外,积极的轴平行 ,五个等距测量点排列,即点1,2,3,4,5。点1和岩石巷道端之间的距离是0.5米。之间的距离测量分前剩下的一点是2.5米,和五个计量点排列,即点A, B, C, D, e .测量点之间的距离和岩石巷道的屋顶是1米。在积极的方向 - - - - - -轴,测量点之间的距离2.5米和前一个测点,如图2。

2.2。确定的参数

数值模型主要包括三个不同类型的岩层,即泥岩、细砂岩,粉砂岩,和煤炭。道路的几何尺寸是8米宽8米高。巷道挖掘在泥岩层,底部的煤层。实用的原位观测表明,主要压力是16.2 MPa, 12.6 MPa, 7.5 MPa。主要每个岩层的力学参数是通过采样和机械测试。的主要岩层的力学参数列在下表中1。进行参数分析,进一步确定应力、应变的分布规律的影响下的各种参数。除了这些之外,塑料领域的范围进行了研究。

3所示。该数值模型的验证和结果分析

3.1。验证数值模型

验证数值模型的可信度,初步进行了运行。然后,最大应力和最小应力的分布。结果表明,获得的结果之间有密切匹配和矩形巷道周围应力分布的参考书是表示“我的压力和地层控制”由Minggao钱(10]。更具体地说,数值模拟的结果显示在图3。

根据数值模拟结果,拉应力区中间的矩形巷道屋顶。当巷道围岩的抗拉强度极限,巷道顶板围岩将拉伸断裂。有一个大的压应力两边的道路,而达到的最大边缘的中间道路,远离道路,逐步降低初始地应力。具体地说,它可以概括如下:(1)巷道中心屋顶和地板,出现拉应力区,图中的虚线所示3。周围的拉应力是最大的边界附近的道路。在深部巷道周围岩体应力主要从拉应力转移到压应力。然后,它转移到原始地应力状态;(2)相对较大的压应力将出现在双方的矩形巷道。中间的边缘,它是最大的。深地区逐渐减少到原始地应力;(3)剪切应力集中在矩形巷道的角落里。曲率越大,越集中的压力。

3.2。研究应力分布规律在巷道围岩

道路被发掘后,压力等高线图所示4。双方的主应力在表面矩形巷道的最小值。之间的距离的增加,巷道的内在部分,主应力达到最大值,然后逐渐减小。在道路中间的屋顶和道路层,拉伸应力集中发生(11,12]。基于这个数字,就可以知道在巷道周围的围岩,四个角落剪切应力在截面的矩形巷道达到最大值,并出现明显的应力集中。

基于图4(一)的地板上,就可以知道,有这样的强度水平,顶部的拉应力集中的矩形巷道的影响下垂直压力和相对较高的水平应力。当外部拉应力达到甚至超过临界顶板岩层的强度,拉伸断裂逐渐发生从底部到顶部的屋顶。矩形的支承压力的影响下巷道屋顶,双方的矩形巷道搬到的内在部分巷道,巷道顶板下沉和变形。当岩层巷道层强度大,巷道层向上弯曲和变形的综合影响下支承压力和水平地应力两边的道路。然而,当岩层巷道层强度较低,巷道层将被拉伸裂缝从上到下,导致巷道底鼓发生严重的灾难。

基于图4 (b)压力,它可以知道道路开挖后围岩将重新分配。大支持压力出现两边的道路。当岩体的强度两边的道路很弱,支承压力和水平构造应力的影响下,发生弹塑性变形,当它达到平衡,平衡区和弹性区形成至关重要。拉伸断裂发生围岩表面。

从数据可以看出4(一)和4 (b)切向压应力是主要的部分屋顶矩形巷道开挖后应力。通过这两个人物的比较,发现垂直压力高于水平的压力。

图5显示的结果横截面矩形巷道的位置 。水平轴代表之间的距离测量点安排在岩体和矩形巷道的中心点(O)。纵轴显示测量一点的应力值。图5(一个)表明,在初始阶段,随着中心距离的增加矩形巷道,压力逐渐增加,后期,轻轻地压力增加。图5(一个)表明,在垂直方向,压力与中心距离的增加逐渐增加矩形巷道在最初的阶段,和增加的压力轻轻在以后的阶段。图5 (b)表明,在水平方向上,随着距离的增加矩形隧道的中心点,压力逐渐增加,然后减少。在道路的两侧,不平等的应力分布发生。

3.3。研究围岩的位移分布规律在巷道周围

矩形巷道挖掘之后,在周围浅岩体巷道的塑性区有相对较大的区域产生。拉伸断裂发生在道路的中央区域地板和屋顶。在垂直方向,剪切破坏发生在巷道的距离的增加。在水平方向上,大面积剪切破坏将发生两边的道路。在矩形巷道的一角,塑性区深度相对较大。这表明围岩是在这个地区严重受损。

根据图6 (b),可以看出矩形开挖后围岩的应力重新分配。此外,两边的道路,将生成的压力相对较大的支持。当岩体巷道两侧的强度相对较低,在支承压力的影响下发生弹塑性变形和水平构造应力。然后,平衡区域和弹性区域形成至关重要。表面上的围岩,拉伸裂纹故障,在矩形巷道生成和隆起。

基于图7,就可以知道,沿着轴的方向 ,双方的矩形巷道搬到中部水平应力的影响下。然而,变化不是很明显。在水平方向上,从巷道的距离的增加,岩体是在一个阶段,不是受巷道的围岩应力的影响。即使位移偏离中心线的道路,位移值相对较小,可以忽略。根据图7(一),沿着 - - - - - -轴方向,巷道顶板受垂直压力和位移的48毫米。同时,巷道底鼓发生地板上有一个,地板升沉位移是30毫米。因此,有一个逐渐增加的影响,有逐渐增加的趋势。在巷道地板,与道路之间的距离进一步增加,受到的干扰更小。因此,与道路之间的距离进一步增加,围岩的变形就小。

4所示。参数分析

在各种数值模拟方法,有限差分法是广泛使用的。其中,应用最广泛的软件FLAC3D软件设计基于快速拉格朗日分析方法。这个程序的操作很简单,和应用程序是宽13]。此外,它可用于隧道工程、沟滑坡,基础。它特别适用于岩土工程(14- - - - - -17]。除了这些,在这个程序中,结构元素整合,如电缆元素和元素。这些结构元素可以用来模拟岩石加固肌腱,如锚杆和电缆螺栓。这些结构元素可以修改用户意识到特殊用途(18,19]。为研究巷道周围岩体的稳定性(20.),使用最广泛的是莫尔-库仑模型本构法律。这个项目有不同的地质条件,所以重要的是设置合理的参数使用应用FLAC3D软件模拟隧道。在数值计算中,如何选择合适的本构模型的参数,以保证计算结果的合理性是一种有价值的研究课题。

数据8和9显示的矩形巷道开挖后围岩塑性区分布。矩形巷道挖掘时,压力重新分配在矩形巷道的围岩。这将导致收益率围岩的失败。根据现有的研究,这项研究塑性区体积或范围的围岩压力的大小密切相关,岩土性质,这是对围岩的稳定性具有重要意义。分析围岩的稳定性时,塑性区不容忽视的影响。基于图8的范围,就可以知道在巷道塑性区边大于屋顶上的塑性区范围。这表明当巷道挖掘,不稳定问题可能发生在道路两边。这个地方应该在巷道支架的核心地位。在施工过程中,应特别强调本节。

4.1。体积弹性模量

图8显示的变化时塑性区体积弹性模量的变化。基于这个数字,就可以知道,当周围的围岩巷道的体积弹性模量的增加,塑性区分布的变化的四个角落的巷道巷道的外围。此外,在角落,剪切破坏下降。然后,巷道底板的应力增加,这将导致拉伸断裂的生成。

图9显示的位移大小条件下体积弹性模量的变化。最初,体积弹性模量的增加,围岩的位移沿方向逐渐增加。体积弹性模量继续增加时,围岩的变形的增加减少。此外,随着体积弹性模量的增加,对隧道变形的影响减少。位移沿 - - - - - -轴随着体积弹性模量的增加会减小。这表明当围岩有巨大的力量,它可以产生良好的支持效果。

图10显示了应力测点1 #当体积弹性模量是不同的。图中显示的体积弹性模量的变化没有明显影响巷道围岩的应力分布。作为一个整体,与体积弹性模量的增加,巷道围岩应力的增加,但压力增加的幅度很小。

4.2。剪切模量

图11显示了塑性变形时,剪切模量是不同的。根据图,剪切模量的变化有显著影响巷道围岩的应力分布。塑性区在矩形隧道的角落有一个很大的范围和数量,这表明在拐角处的损害较为严重。根据图,剪切模量的变化有显著影响巷道围岩的应力分布。的塑性区矩形隧道上部的角落有一个很大的范围和数量,这表明在拐角处的损害较为严重。此外,减少巷道层的应力分布。剪切模量的增加没有明显影响的数量和范围塑性区两边的道路。如图11,应力集中也发生在巷道的底部角落。

图12显示了位移大小的条件下,剪切模量是不同的。基于图12,它可以知道增加剪切模量有明显的影响沿水平方向位移和位移沿垂直方向。当剪切模量很小,它有相对较大的影响巷道的位移变化。沿的方向 - - - - - -轴,剪切模量逐渐增加。当剪切模量小,巷道的位移双方将产生重大影响。剪切模量继续增加时,剪切模量的影响在巷道的围岩的水平位移将逐渐减少。的方向 - - - - - -轴剪切模量的增加,巷道顶板的变形程度逐渐降低。

图13显示压力的变化,当剪切模量是不同的。从图可以看出13剪切模量的变化没有显著影响巷道围岩的应力分布。当剪切模量的增加,压力会增加。这进一步表明,岩体性质的特点有一定影响巷道周围应力的分布。

5。结论

本文用三维数值模拟软件FLAC3D软件进行分析矩形巷道周围的应力和位移分布。各种参数的影响在塑性区,压力变化和巷道的位移变化进行了研究。数值模拟结果与理论分析相比。有一个接近的比赛之间的数值模拟结果和理论分析的结果。这证实了数值模拟方法的有效性。根据这项研究,主要结论总结如下:(1)两边矩形巷道的变形和顶板与围岩性质的变化将会改变。发现巷道,巷道的角落是核心的位置需要特别支持在巷道支架(2)围岩的塑性区范围或者卷矩形巷道将改变与围岩强度的变化很明显。此外,不断增加的趋势,在巷道端塑性区和巷道的角落大于屋顶。这进一步表明,巷道的开挖过程中,巷道,巷道角落是最弱的部分受到损害(3)当围岩的强度增加,巷道周围的围岩的能力能承受压力明显增加

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的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的论文是国家重点实验室培育基地天然气地质和气体控制(河南理工大学)(WS2021A03),中央大学的基础研究基金(2022 jccxxny06)中国矿业大学和技术,北京,国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用的煤炭开采(shjt - 17 - 42.16, 2020108, SHGF-16-25QL)。