文摘
根据静水压力的岩体的初始应力状态理论,结合把中心思想原则,原则不变的围岩压力洞在平等的条件下提出在深部岩体的压力。数值模拟是用来研究围岩的性质和截面形状不同的洞,塑性区深度,压力影响的范围,以及它们之间的关系。研究结果显示如下。(1)在当前的开采深度范围内,很难达到5倍的极限孔半径不变的情况下深部岩体的压力,它有一个显著的影响在近场,对远场的影响相对较小,反映应力影响范围的定位效果。(2)增加压力的影响范围主要以塑性区范围的增加向外移动,和增长斜率较低,往往是水平,增加数量是微不足道的。(3)当失败洞的塑性区范围很小,不改变应力的影响范围,它反映了围岩的应力不变性的小规模失败的洞。研究结果验证了应力不变性原理洞的围岩条件下深部岩体的压力相等,这把的中心思想是一致的。
1。介绍
浅矿产资源的逐渐枯竭和资源开发的持续趋势向地球的深度,在千米深井开采深部资源已经逐渐成为一个新的正常的资源开发。深部开采通常是伴随着地质条件、地壳应力、温度、和其他因素,导致一系列的问题,比如增加开采困难,经营环境恶化,生产成本大幅增加。谢院士(1,2]提出原位力学行为和地壳深部岩体的应力环境,这是特别重要的一个关键的科学问题深层岩体力学和采矿理论。
开挖后地下洞,岩体的原岩应力状态遭到破坏,导致压力的重新分配。在地下的无限空间,失败和围岩的稳定性可以统一成洞周围的岩石力学的研究(3,4]。国内外学者开展了系统研究围岩的失败的孔,取得了丰硕的研究成果5- - - - - -10]。当赵et al。11,12]研究了圆形巷道的围岩的塑性区,他们发现巷道的围岩会产生“蝴蝶形状的塑性区”在非均匀应力场。郭et al。13)进一步研究塑性区形状的非均匀应力场,得到了圆,椭圆,蝴蝶的判断标准和压力条件。刘等人。14- - - - - -17)发现,当形状的塑性区围岩的巷道是圆形或椭圆形,最大塑性区半径线性增加,慢慢地与主应力的增加,应力和塑性区范围的影响增加线性和缓慢;当塑性区形状的蝴蝶,塑性区扩展迅速,压力影响的范围不均匀、快速。基于多年的理论研究和现场实践围岩地下洞的失败,再加上把的原则18]:如果表面力的一部分变成了静态对象的边界等效表面力有不同的分布,这种表面力只会产生巨大的压力在不远的地方,和远端压力的影响可以忽略。
同等条件下的压力在深部岩体,围岩的应力不变性原理是,当岩体的初始应力状态是在静水状态,周围压力的变化引起的岩体洞的安排在近场有很大的影响,在远场的影响被忽略,其影响范围反映了局部效应。深静水压力的状态被认为是压力条件,和失败之间的关系状态的围岩和压力的影响范围分析了不同条件下的围岩性质和截面形状。分析围岩的失败状态之间的关系和影响范围的压力是研究深岩石的力学性能的基础和分析围岩的稳定性。它有重要的科学知识进一步了解失败和深岩围岩的力学机制。特别是在深部开采的过程中,巷道和钻孔间距的选择具有重要的工程意义。
2。建立数值模型
方面的影响范围的围岩压力的孔(19),处于弹性状态,轴对称平面应变的应力范围圆孔的问题通常是作为影响半径时的最大主应力超过5%的原岩应力,并得出影响半径国际扶轮= ,在哪里国际扶轮圆孔的半径。数值模拟软件是用于分析圆孔周围的应力变化的岩体(20.),三个州的圆形,椭圆,和蝴蝶是通过循环应力等高线的方法,椭圆,蝴蝶塑料领域。
本文应用FLAC3D数值模拟软件是用于建立一个平面应变模型50米×0.1米×50米X,Y,Z通过应用莫尔-库仑强度准则的方向。孔部分的半径2.5米,面积相对较小,和细胞宽度是0.1米。左右的水平位移模型的有限,和屋顶的垂直位移和底部是有限的。最初的力量用于加载。原岩应力都是相等的压力(静水压力)条件。侧压力系数λ值为1,即σx=σy=σz=γH(σx是X设在压力,σy是Y设在压力,σz是Z设在压力,γ是上覆地层体积密度,然后呢H是深度),和埋深大于或等于巷道半径20倍。岩石巷道的影响范围内的自重巷道半径(5倍)将被忽略。图1显示了数值模型示意图不同的孔的形状。
根据单洞围岩应力的影响范围,本文确定的影响范围最大主应力超过5%的原岩应力达到5r1 = 12.5 m定义应力影响范围。
为了使普遍意义的验证结果,选择三个代表岩石材料在地下开采的围岩条件下洞,和物理力学参数根据煤的力学参数,确定泥岩、砂质泥岩在实际地质条件(13,21,22]。特定的岩石的物理力学参数如表所示1。
3所示。影响范围的围岩压力与不同岩性洞
在地下煤炭开采,一些道路被安排在煤体内做准备。因此,当煤的力学性质的身体作为围岩岩性的孔,孔的深度的变化在塑性区R马克斯和应力影响范围国际扶轮进行了研究。通过理论计算,不同开采深度的原岩应力加载到模型中,并通过限制原岩应力的最小值,数值仿真结果达到应力影响范围的目的只是反映了部分超过5%的原岩应力,如图2。然后,压力影响范围的特定值国际扶轮是测量。
(一)
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(d)
(e)
条件下洞的围岩是煤炭、围岩的塑性区形状的孔是圆随着深度的增加从100米到1600米,和破坏范围逐渐从0.1增加到4.4。可以看出围岩的应力分布状态的应力分布形式也是圆形的孔,和边界外的应力集中发生的塑性区围岩的洞,是边界越近,应力集中越明显,并且越远,越低;应力影响范围逐渐增加从7.1米到12.7米,深度达到1600米,孔半径5倍以上,超过了煤炭安全规定的最大挖掘深度1200米(23]。
当孔排列在岩体和常见的泥岩、砂质泥岩力学性能使用地下开采的围岩的岩性洞,塑料领域的变化和应力影响范围在不同埋藏深度研究,结果在图所示3和4。
(一)
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(c)
(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
从数据可以看出3和4塑料带的形状和应力影响范围是两个围岩条件下循环。泥岩的条件下,随着深度的增加从100米到4500米,塑性区增加的范围从0米至4.1米;压力影响的范围从7.0增加到12.5随着深度的增加,达到5倍孔半径。条件下的砂质泥岩,从100米到9000米,塑性区逐渐增加的范围从0到3.6,和压力影响的范围逐渐从7.0增加到12.5。两种岩性的影响范围内孔应力孔半径超过5倍,这超出了当前限制人类地下开采的深度(3800)24]。
从上面可以看出,在目前的开采技术条件下,很难达到5次的限制开采深度的孔半径范围内,可以实现。在这种情况下,孔压力的范围相对当地,对近场具有重要影响,对远场的影响相对较小。
4所示。影响范围的围岩压力与不同截面形状和孔
是建立模型的截面形状孔矩形和直墙半圆拱部分,这是外部连接到一个圆的半径2.5米(25]。条件下,围岩性质都是煤炭的身体,围岩塑性区和的变化时其应力影响范围与埋深孔的形状的变化进行了研究,如图5和6。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
如数据所示5和6,在两个孔截面形状、应力影响范围的形状是圆形的。
随着埋深的增加从100米到1700米,围岩的塑性区矩形孔不断增加,和增加其故障范围从0.1米到3.5米;从四角形状扩展的中心深度⟶大约钻石⟶大约循环演化分布特征;压力的影响范围从7.1增加到12.5。在初始阶段的围岩塑性区变化与直墙半圆拱巷道的深度,扩大统治的下部和矩形巷道塑性区是一样的,上部的变化和圆孔塑料区域是相同的,如图5 (b);深度的不断增加,塑性区域逐渐演变成的形状近圆分布特性,但失败的深度明显小于上部下部。埋深增加从100米到1700米,和塑性区增加从0.1米到4.3米;压力影响范围从7.2增加到12.5随着深度的增加,达到5次孔半径。可以看出,很难达到5倍的极限孔半径通过改变巷道横截面的形状和压力。浅层围岩的塑性区形状的变化很大,和几乎所有的深部分形成一个环形分布。因此,改变孔截面的形状有很大影响近场和远场的影响相对较小。
5。围岩的破坏范围之间的关系和影响范围的压力
发现随着深度的增加,塑性区和应力的影响范围是在同一过程中,增加的一部分压力是塑性区边界外。为了找出应力范围之间的关系和塑性区范围内,压力之间的差异影响范围和塑性区范围被定义为压力环范围,和数据生成曲线的三个应用于数据的线性拟合的最小二乘法。结果显示了不同围岩条件下的数字7- - - - - -9。
从图7可以看出,随着深度的增加,塑性区和应力影响范围显示一个线性增长趋势。斜率的两个,可以看出压力影响范围的增加程度略高于增加程度的塑性区范围;从相关系数R2大于0.95,说明拟合的程度随着深度的增加范围高。压力环的斜率为0.001,这意味着其日益增长的范围与深度很小,其相关系数R2只有0.92,线性拟合程度相对较低。分析数据显示,由于埋深的增加从100米到500米,塑性区范围的增加从0.1米到1米,和增加压力影响的范围从7.1到8 m,但压力环范围没有改变,和应力影响范围只会增加深度的塑性区埋深超过500时,应力的范围圈开始增加塑性区深度继续增加。
在泥岩中,当洞的围岩不受损,压力影响范围是7米;埋深100米- 1000米,塑料面积从0米增加到0.8米,压力影响范围从7米增加到7.8米,范围和应力环是不变的;埋深1000米- 4500米,压力环范围从7米增加到8.5米,和增长斜率是只有0.0004。在砂质泥岩为例,当洞的围岩不受损,压力影响的范围是7米,埋深在100 - 1500,塑料的范围面积从0米至0.6米,和压力影响的范围是7米,7.6米,但压力环的范围在这个范围内也不变;埋藏深度从1000 m - 4500 m,压力环的范围从7米至8.9米,和增加的斜率为0.0002,接近水平方向上。
数据7- - - - - -9表明,随着深度的增加,塑性区和应力影响范围显示一个线性增长趋势,斜率和比较表明,孔岩性强度越高,增加塑性区范围越低,应力影响范围,范围和应力环;从压力拟合相关系数R2,发现压力环的拟合程度越高随岩性的增加力量。分析是由于一个事实:越高拟合线逐渐趋于水平。
总之,失败的塑性区范围之间的关系和影响范围的压力可以概括如下:①增加压力的影响范围主要增加而增加塑性区,并与深度的增加线性;②应力循环的变化范围很小的深度和水平往往是随岩性的增加力量;③当塑性区范围很小,应力循环的范围没有改变,压力影响的范围只有向外移动的增加塑性变形区域。
当围岩条件是固定的是煤炭的身体,截面形状对围岩的塑性区和压力范围进行了分析。结果如图10和11。
从图可以看出10矩形孔的埋深在100 m - 700 m,塑料的破坏范围面积从0.1米到2米,增加应力影响范围从7.1增加到9米,压力环的破坏范围在100米和700米是7米的范围(在这个范围内,应力环呈现先下降然后上升的趋势),埋深在100 m - 500 m,和应力环呈现负增长的趋势。分析如下:由于塑性区围岩的矩形孔呈现不均匀的扩张在这个范围内,对应力的影响范围小,塑性区有一个很大的范围,而压力环的范围减小;500后,塑性区逐渐发展到近似圆,和范围的压力环也开始增加。埋深700米后,压力环的范围开始增加,其总体增加的斜率为0.0016,一个小的增加。的变化规律直墙半圆拱部分的矩形的基本上是一样的。
通过数据的比较分析7,10,11塑料的斜率,发现面积和压力影响区域的矩形孔深度略低于圆形巷道。分析的原因是塑料从非均匀矩形剖面孔面积扩大制服,这个过程可以减少双方的发展速度。当失败的塑性区范围很小,失败的圆孔的塑性区范围制服,和压力的影响范围向外移动失败的塑性区范围的增加,但压力环保持不变。矩形和直墙半圆拱部分,因为失败的塑性区不均匀,应力环显示波调整,范围的压力环调整过程中不会增加。
上述结果表明,当孔截面的形状发生变化时,压力影响较小的范围与深度的增加,和斜率的压力循环往往是水平的,在小规模的故障范围,压力影响范围是不变的。
6。结论
(1)在当前开采深度范围内,在恒压条件下不同岩性的深层岩体和横截面形状、孔压力的影响范围是很难达到5倍的极限孔半径,并显著影响近场和远场相对较小的影响,反映出应力影响范围的定位效果。(2)通过研究影响范围的围岩的应力圆孔与不同岩性、结果表明,增加的影响范围深度条件下岩体的应力相等的压力主要是向外移动的增加塑料领域,及其增长斜率较低,往往是水平的。与岩性的强度的增加,斜率是接近水平方向上,和它的增长可以忽略。(3)当失败的圆孔的塑性区范围很小,应力的影响范围和塑料带的变化只会增加,而压力的影响范围本身并没有改变。在一定范围内,压力并不是增加的影响范围,显示了小规模的破坏应力不变的特征。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51964036和51964036),内蒙古自治区自然科学基金(批准号2019 lh05004),科学研究基金会的内蒙古自治区高等教育机构(批准号NJZY20093)和创新基金项目内蒙古科技大学(批准号2019 qdl-b31和2019 qdl-b34)。