深井巷道群掘进扰动效应影响因素研究第2章Word下载.docx
- 文档编号:14281980
- 上传时间:2022-10-21
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:833.10KB
深井巷道群掘进扰动效应影响因素研究第2章Word下载.docx
《深井巷道群掘进扰动效应影响因素研究第2章Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《深井巷道群掘进扰动效应影响因素研究第2章Word下载.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
将高达60~80MPa[39]。
巷道围岩短时间之内经受如此大幅的应力变化,必然导致岩体强度的迅速劣化,加快岩体内部裂隙的萌生与扩张,导致一定范围内的围岩破坏失稳进入峰后残余强度阶段,超过原岩应力的影响范围将向深部转移。
巷道开挖导致的应力重分布使得巷道周围煤岩体中形成采动应力场,新掘进工作面形成后,掘进头前方一定区域范围内成为应力集中区,应力水平高于原岩应力,而邻近掘进头一定范围中围岩应力处于小于原岩应力的卸压状态,称为应力降低区。
岩体内应力场存在降低-升高-降低的变化趋势,由近及远分为卸压区、塑性区、弹性区、原岩应力区,卸压区和塑性区统称为极限平衡区,如图2-1所示。
图2-1巷道前方采动应力场分布
Fig.2-1Thedriving-inducedstressfieldinfrontofdrivageface
巷道掘进过程是一个有掘有停,且停掘时间不等的间歇掘进过程[40]。
巷道开挖以后,围岩应力状态由原本的平衡状态瞬间变为失稳状态,而后岩体进入应力重新分布阶段,应力状态最终成为相对稳定的静态应力场,而在这过程当中应力处于不断调整变化状态。
巷道新掘出后,即使暂时停止掘进,巷道周边采动应力场仍为一个动态应力场。
采动应力场是巷道开挖引起的围岩应力重分布的动态反应,应力集中峰值位置随着掘进工作面的向前推动而不断前移,围岩应力始终处于不断调整过程当中。
如图2-2所示,从t0时刻开始到最终时刻达到静态应力场之前,围岩应力随着时间呈现出动态变化的过程。
其变化特征如下:
围岩峰值应力大小逐渐降低、峰值位置逐渐远离掘进工作面;
极限平衡区(卸压区和弹性区)从无到有,宽度由小变大;
弹性区不断向前推移,逐渐远离掘进头;
应力影响范围随时间的推移逐渐变大。
图2-2巷道停掘期间采动应力演变过程
Fig.2-2Evolutionprocessofdriving-inducedstressduringtheroadwaystopdriving
巷道掘进是按照正规作业循环进行的一个有掘有停的过程,不会停歇无限长
时间使采动应力场定型为静态应力场之后再进行掘进。
换言之,停歇阶段正在动态调整着的采动应力场,在新一次掘进时和掘进后将不得不又引起应力重新分布。
新的掘进使原来极限平衡区内破裂了的煤体会部分或全部被挖掉(挖掉多少由掘进速度和掘进时间决定),新的掘进头前方煤体上应力进入新的调整过程。
巷道在掘进过程中采用应力场演变过程如图2-3所示,图中曲线1为巷道首次开掘之初作用于煤体上的初始应力场;
曲线2为停歇一段时间的过渡应力场,由峰值前的极限平衡区和峰值后的弹性区组成;
曲线3是新一轮掘进后形成的另一个初始应力场;
曲线4则是虚拟的随掘进同步前行的曲线。
图2-3巷道掘进过程中采动应力演变过程
Fig.2-3Evolutionprocessofdriving-inducedstressincontinuousdriving
2.1.2塑性区半径的确定
未受施工扰动的岩体通常处于三向受力状态,整体受力平衡。
岩体所受垂直应力等于上覆岩层的重量
(
为上覆岩层的容重,
为巷道埋深)。
地下巷道的开挖,引起围岩应力的重新分布,导致巷道顶底板及帮部均出现应力集中现象。
若围岩应力小于岩体强度,则其物理性质状态保持不变,仍处于弹性状态。
若局部区域的应力集中程度超过围岩所能承受的强度极限,围岩将会被破坏,产生塑性变形。
巷道周边一定区域范围内,围岩应力小于
,为围岩破裂区。
巷道围岩周边变形区及应力分布如图2-4所示。
图2-4巷道围岩弹塑性变形区及应力分布图
Fig.2-4Elastic-plasticdeformationzoneofroadwaysurroundingrockandstressdistribution
为使得计算尽量简化,我们做出如下假设:
(1)巷道为单一形状圆孔,且巷道周边应力均匀、等压,即巷道处于静水平应力场中;
(2)塑性区破坏满足摩尔-库伦屈服准则,弹性区应力分布情况与弹性体中受力圆孔周边应力分布相同;
(3)围岩可看做连续弹性体,均质、连续、各向同性,截取巷道任一截面作为平面应变问题进行分析;
(4)破裂区围岩应力小于原岩应力。
根据如上假设条件,在塑性区部分可以得到以下方程组:
静力平衡条件:
(2-1)
根据摩尔-库伦屈服条件,可得如下关系式:
(2-2)
式中
为煤体内摩擦角
为煤体内聚力,MPa
边界条件,r=a时:
(2-3)
根据(2-1)、(2-2)、(2-3),解得:
(2-4)
(2-5)
根据假设条件
(1),巷道处于静水平应力场中,垂直应力与水平应力大小相当。
弹性区与塑性区边界R位置,满足条件
。
因此,塑性区半径可表示为:
(2-6)
根据假设(4),破裂区中岩体应力低于原岩应力,即
、
,由不等式组求得破裂区半径Rs:
(2-7)
由弹性体中圆孔周边应力分布及在r=R时的边界条件:
,
,可得:
(2-8)
(2-9)
2.2邻近多巷道应力分布规律分析及巷道间距确定(NeighboringRoadwayStressDistributionandRoadwaySpacingDetermination)
2.2.1邻近巷道应力分布规律分析
巷道群开掘所引起的应力分布与单一巷道开挖引起的应力变化具有密切联系。
我们可以在上一节关于单一巷道开挖应力分布规律研究的基础上探讨邻近巷道围岩应力分布规律。
巷道围岩边缘部位由于开挖作用,导致围岩处于双向受力状态,极限承载能力较低,易遭到破坏。
通常情况下一般不允许巷道掘进引起的应力重分布对邻近巷道围岩应力状态产生影响[41]。
邻近巷道应力分布受巷道条数、间距以及每条巷道的形状、尺寸影响。
(1)断面相同相邻两孔的应力分布
巷道围岩应力受到扰动的区域称之为影响带,根据单个圆形巷道围岩应力分布规律可知[43]:
通常以超过原岩应力值5%为界。
令影响带半径为
,若相邻巷道间距离大于
,则两巷道应力影响带互不重叠,此时可忽略巷道之间的应力扰动影响;
反之,若相邻巷道间距小于
,两巷道应力影响带将会存在彼此重叠部分,巷道围岩应力分布会受到邻近巷道掘进扰动的影响。
图2-5等径相邻巷道D=B时的切向应力分布图
Fig.2-5ThetangentialstressdistributionofequaldiameteradjacenttunnelswhendiameterD=B
(2)不等径相邻两孔的应力分布
直径不等的相邻两圆孔,其影响范围为各自影响距离之和。
不等径相邻两孔切向应力分布图如图2-6所示。
由图我们可以看出,在两孔之间区域范围内,大孔周边的切向应力集中系数为2.75,而小孔周边的应力集中系数高达4.26。
这表明大孔对小孔周边应力分布起到关键性影响效应,而小孔对大孔应力分布的影响则微乎其微。
图2-6不等径相邻两孔应力分布图
Fig.2-6Thestressdistributionofunequaldiameteradjacenttunnels
(3)同一水平邻近多孔条件下的应力分布
图2-7所示为仅垂直应力作用情况下,同一水平邻近多孔的相互影响示意图。
由图可看出,孔周边的应力集中系数随孔径D与孔间净距B的比值的增大而增大;
孔周边的应力集中系数也受到同一水平邻近孔数的影响,集中系数随孔数的增多而增大。
图2-7多孔对应力集中系数的影响
Fig.2-7Theinfluenceofseveralholestostressconcentrationfactor
根据以上分析,我们可以得出一般情况下邻近多巷道相互扰动情况下的应力分布,如图2-8所示。
虚线—单个巷道时的应力分布线;
实线—叠加后的应力分布线
图2-8巷道群开掘诱发应力场的演变
Fig.2-8Theevolutionofstressfieldinducedbyexcavationofroadwaygroup
2.2.2两巷之间最小距离的确定
一般情况下,相邻两条巷道或巷道群周围应力分布情况将会受到各个巷道断面形状、尺寸、巷道条数以及相邻巷道间距等因素的影响。
显然,相邻两条巷道之间的距离对巷道群围岩应力重新分布情况具有关键性的影响作用。
一般不允许一条巷道的围岩应力影响范围与邻近应力分布范围产生重叠,巷道间岩柱宽度可按如下经验公式估算[43]:
式中B—岩柱宽度
a—巷道半径
b—岩柱周边塑性区宽度
H—巷道埋深
h—巷道高度
在我国煤矿目前采深条件下,大巷道间的距离以20~40m为宜,围岩较稳定时取小值,围岩不稳定时取大值。
在浅部和坚硬围岩以及在急倾斜煤层的特殊条件下,大巷间的距离可以减小至10m;
在深部和松软围岩条件下,大巷间的距离可增加至50m。
上下山及集中巷道间的距离以15~30m为宜,围岩较稳定时取小值,反之取大值。
在深部和厚煤层内上下山的间距可扩大至30~50m。
2.3不同原岩应力状态下巷道群应力分布数值模拟研究(NumericalSimulationResearchofStressDistributionofRoadwayGroupUnderDifferentOriginalRockStressState)
2.3.1模型的建立
本次模拟建立数值计算模型如图2-9所示,模型尺寸大小为X×
Y×
Z=100m×
10m×
80m,共有网格84320个、节点94479个,巷道尺寸为宽×
高=6m×
5m,邻近巷道中心相距30m,且巷道所在层位进行网格加密处理。
两巷道位于模型中间位置,左侧巷道为先掘巷道,右侧巷道为后掘巷道,数值计算采用摩尔-库伦本构模型。
图2-9数值分析模型
Fig.2-9NumericalAnalysisModel
模型底面采用位移边界条件固定垂直方向位移,两侧面及前后面水平也采用位移边界分别固定X方向及Y方向位移,顶部为应力
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 深井 巷道 掘进 扰动 效应 影响 因素 研究
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)