应力与尺寸协同变化对围岩稳定性影响的数值模拟

周春雷,纪洪广,王 军

(1.总参谋部管理保障部工程建设指挥部，北京 100088；2.北京科技大学，北京 100082；3.山东理工大学 山东 淄博 255049)

由于受到开采成本限制，许多露天矿在进入深部开采以后，由露天开采转为露天与地下联合开采。在地下与露天联合采动影响下，由于两种采动影响域中的一部分相互包含，致使它们之间应力场变化过程与动态平衡过程之间相互扰动、相互叠加，边坡岩体在空间不同位置上的原岩应力发生了根本性变化[1]。而边坡岩体应力场的变化，正是这两种采动影响因素综合叠加的结果，如果忽略某一影响因素，最终结果将与实际情况存在一定差异，从而影响到理论评价的真实性。因此，本文以抚顺西露天煤矿北帮为工程背景，通过数值模拟研究侧压系数、工程尺寸两类因素协同变化对巷道围岩稳定性的影响。

1 工程概况

抚顺西露天煤矿位于辽宁省抚顺市区南部，1996年进行露天与地下联合开采。矿坑长6.6 km，宽2.2km，矿坑总面积为14.52km2，最大开采深度400m。工作面巷道位于西露天矿坑下西北部，石油一厂保护煤柱以外，-297.5m标高以上。经距E100m～W1000m(矿区坐标)，东西走向长约1100m，纬距N500m～N700m，最大南北宽200m，开采面积约531000m2。东部以E100m为界与西露天矿现采区相邻，西部到煤层走向拐点W1000m为止，南部到露采到界线，北部是煤层顶板[2]。工作面上部W900m～W1000m之间、-210m标高以上被深部井用水砂充填采煤法开采完毕，W900m以东为露采到界剩余角煤部分。E100m以西、-305m标高以下由原胜利矿和深部井用水砂充填采煤法开采完毕，见图1。

2 计算模型选取

本次模拟计算以油母页岩为研究对象，考虑其容重、弹性模量、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度五个参数，岩石的物理力学参数见表1。

图1 工作面巷道地质剖面图

表1 巷道围岩岩层物理力学参数

将西露天矿北帮边坡W1000剖面简化成平面应变问题。选取其中水平方向N570到N810，垂直方向-300m到-150m为研究对象，其中巷道高度为25m。因为该处各岩层多为水平或微倾，因此忽略倾角对顶板稳定性的影响，岩层取为水平状态[3]。模型几何范围为240m×150m，模型上方施加均布荷载模拟上方岩层压力作用，两侧边界施加水平地应力，下部边界固定。力学模型见图2。

图2 选取的计算模型

所用软件为FLAC2D3.3[4]，开挖体高度一定，跨度分别取高度的倍数为1、1.5、2.0、2.5、3.0。在上边作用竖向均布应力10MPa，左右两边分别作用水平均布应力2.5MPa、5MPa、7.5MPa、10MPa。

3 模拟结果及分析

3.1 模型最大主应力场

模型最大主应力场如图3至图5所示。

3.2 模拟结果分析

在开挖硐室围岩中，存在着一个拱形应力升高区，称其为“自平衡拱”。“自平衡拱”的特征为该区域的应力高于拱内外其他区域，即岩体在受到开采扰动后，工程围岩体中产生了一种自平衡拱结构。围岩通过应力重分布所形成的这种自平衡结构来承担上部荷载，自平衡结构体内岩体的破坏不会对整个系统造成影响。其内部的垮落体可以作为垫层充填采空区。

“自平衡拱”的形状，受应力环境和巷道断面尺寸影响。当水平应力与竖向应力相等即λ=1时，所形成的“自平衡拱”与巷道的形状有关。当β=1巷道为正方形时，“自平衡拱”的形状大体为圆形，当巷道为矩形时，“自平衡拱”的形状为椭圆形，椭圆的长轴方向为矩形的长边方向。即此时决定“自平衡拱”大小的因素为巷道的高度。

图3 侧压系数为1时不同工程尺度的应力场

图4 侧压系数为4∕3时不同工程尺度的应力场

图5 侧压系数为2时不同工程尺度的应力场

当竖向应力是水平应力的4/3时，所形成的“自平衡拱”形状为椭圆形，椭圆的长轴方向仍然为矩形长边。随着巷道跨度的增加，“自平衡拱”的短轴方向略有增加。即此时决定“自平衡拱”大小的因素，仍然是巷道的高度。当λ≥2时，“自平衡拱”的形状仍然为椭圆形，椭圆的长轴方向仍然为矩形的长边。随着巷道跨度的增加，“自平衡拱”短轴方向有增大趋势，即此时决定“自平衡拱”大小的因素，是巷道的高度和跨度。

当竖向应力与水平应力相差不大时，决定“自平衡拱”形状的主要因素是工程尺寸，即此时的“自平衡拱”的长轴与工程尺寸(跨度和高度)中的较大者方向一致；当竖向应力与水平应力相差悬殊时(模型中竖向应力为水平应力的四倍)，此时“自平衡拱”的长轴方向与竖向应力和水平应力中较大应力方向一致；处于中间状态的，两种因素共同影响。

4 结 论

(1)受开挖扰动的围岩体中存在“自平衡拱”结构。其特征为该区域的应力高于其他区域。围岩体通过应力重分布所形成的这种自平衡结构来承担上部荷载，自平衡结构体内岩体的破坏不会对整个系统造成影响。

(2)巷道断面尺寸和水平应力的大小，是影响“自平衡拱”形状的重要因素。

[1] 王军．露天转地下开采围岩稳定性数值模拟分析[J]．金属矿山，2010(1)：48-50.

[2] 王俊峰.露天转地下开采围岩体力学性能研究[D].北京:北京科技大学,2006.

[3] 于学馥，郑颖人．地下工程围岩稳定分析[M]．北京：煤炭工业出版社，1985.

[4] 刘波，韩彦辉．FLAC原理实例与应用指南[M]．北京：人民交通出版社，2005.