复杂地质条件下巷道支护技术研究.doc

复杂地质条件下巷道支护技术研究李世鹏山西晋城 晋城泽泰安全评价中心太原理工 2009.1采矿工程本科 出生年月：1981.3.29职称：助理工程师 联系：13935643748 0356-2068072摘要：三维离散单元法程序(3DEC)基于不连续力学理论，采用拉格朗日求解模式使其在岩土工程 及相关行业内具备强大的分析能力，能满足对节理、断层等结构的模拟分析采用3DEC对复杂地质条 件下巷道支护效果进行模拟分析，得出了锚杆全长支护是节理巷道支护的有效手段之一，为类似条件的巷 道支护提供了良好的理论和实践依据关键词：3DEC复杂地质条件节理岩体巷道支护Research on supporting technique of roadway under complicated geological conditionsAbstract: The three-dimensional discrete element method program (3 DEQ based on discrete mechanics theory, using Lagrange solving the model in geotechnical engineering and related within the industry have the strong analysis ability, can satisfy the simulation analysis of fracture, fault and structure. The simulated and analyzed is done on complex geological conditions of roadway effect support,and the conclusion is draw that bolt supporting is one of the effective means,and a good theoretical and practical basis is provided for roadway support of similar conditions.Keywords: Three-DEC; complex geological conditions ; jointed rock mass ; roadway support在巷道开挖中，岩体的破坏经常被结构面的 存在所控制，比如断层，剪切带，层面和节理。

这些结构面的互相切割可以产生块体，这些块 体可以塌落，或者沿着开挖面滑落在这种情 况下，完整的岩石很少发生破坏，变形和破坏 一般沿着单独的结构面或者面与面的交线滑动 [1]=基于上述情况对复杂节理巷道进行建模、 开挖分析，得出一种有效的支护方法1巷道锚固模拟1.1建立几何模型巷道开挖后原岩应力遭到破坏，围岩应力 重新分布，巷道的顶底板和两帮出现变形甚至 破坏，其影响范围为开挖直径的3~5倍范围内 所要模拟的巷道位于含有两条节理的岩石中， 它们的倾角和倾向分别为dipi=65、dd】=40 , dip2=70、dd2=270巷道直径5m,煤层厚 度为3m,顶板为14m的细砂岩，底板为13m 的粉砂岩，故设计选取的模型尺寸为55mX 55m X28m,巷道中心线与模型Y方向平行，模型 示意图见图1模型的边界条件为：在Z方向固 定模型底部X、Y、Z方向的位移，X方向和Y 方向的两边界分别固定X方向和Y方向的位 移，顶部边界无约束1.2物理模型与岩石力学参数的确定3DEC拥有的材料模型有：弹性模型、各 向异性模型、莫尔库仑模型、Drucker-Prayer模 型、双线性塑性模型、应变软化模型、蠕变模 型和用户自定义模型。

本文中巷道处于节理岩 体中，因此采用莫尔库仑模型较适合巷道支护 计算根据地质报告知模型顶部的上覆200m岩 层，平均容重为25000N/m3,数值计算所采用的 岩体及结构血的力学参数见表1、表2山原岩 应力测试报告知，水平与垂直应力的比值为 0.5o表1岩体力学参数岩层层厚 体积 切变 内聚)内摩 抗拉 密度m 模量 模量 MPa擦角强度 Kg/n?(MPa) (MPa) () MPa细砂岩 14 17424 8984 10 42 3 2560煤层 3 3788 1953 3 30 0.63 1400粉砂岩 13 13636 7031 12 39 2.2 2700表2打理及断层参数材料法向刚度(MPa/m)剪切刚度(MPa/m)粘聚力Pa内摩擦角()抗拉强度Pa岩体节理10000200050001550002数值模拟方案为了模拟大断面巷道快速掘进过程中围岩变 形及应力分布情况，用fish语言设置巷道掘进循环, 每循环掘进2m掘进完成后立即支护主要模拟模 型在已知边界条件下的初始平衡；巷道掘进后不支 护条件下节理岩体中巷道围岩的变形情况；巷道开 挖后立即进行锚杆支护的支护效果；监测巷道开挖 过程中的最大不平衡力和节理面上的剪切位移、剪 切应力。

3模拟结果及特征分析3.1无支护巷道围岩变形分析将模型计算应力平衡后，对巷道进行开挖有 —•条节理切割巷道右帮，因此在巷道右帮被节理切 割最可能发生围岩滑移的位置布置两个位移监测 点，一个监测点距巷道端部0.2m,另一个距巷道端 部7.2m图2为巷道开挖后无支护的位移云图和监 测点位移曲线山位移云图可以看出在巷道没有支 护的情况下，巷道右帮的围岩沿节理而处产生了裂 缝，裂缝宽度达200mm山监测点曲线也能看出巷 道围岩产生了滑移山此可以得出：对于节理巷道, 节理血与开挖面相交的区域是支护的薄弱环节，需 要重点加固参数进行计算经过计算得出锚杆长度为2.4 m, 锚杆直径为22 mm , I可排距为0.8 mX 0.8 m采用 上述类型的锚杆模拟巷道开挖后立即支护图3为 巷道支护锚杆位置图计算后得出开挖支护后的位 移云图和监测点位移曲线，如图4所示山图中位 移云图可以看出，对巷道支护后最大位移发生在模 型顶部两条节理相交处，仅为8mm；山图中监测点 位移曲线町以看出巷道内监测点的位移小于1mm 巷道支护前后节理面上的剪切位移和剪切应力图 见图5、图6根据两图对比分析可知，在节理巷 道未支护时，节理而的最大剪切位移和最大剪切应 力分别为55.9mm、4MPa；支护后节理而的最大剪 切位移和最大剪切应力分别为9.17mm、3.55MPa。

图7为巷道开挖立即支护后监测点的位移时间曲 线，山曲线可知在支护后巷帮仍有位移波动，在循 环1200时步以后，监测点Z方向的位移不再随时 间的变化而增大，位移保持在0.1mm山此可以得图2无支护巷道位移云图3DEC DP4.102007 tasca ConsUtng Group, bo.Axes3DEC DP4.10图1模型示意图3.2锚杆支护效果分析巷道大部分沿煤层布置，采用经验公式对锚杆图3巷道支护锚杆位置图3DEC_DP】.1O2007 Itatca ConstAng Group. ir)cCenter (-0 00235.-8 34e-010.6 51)Dip/DD/Roll (90 0.180 0.0 0)Radius 39 8Perspective ProjectionStep 143003DEC_DP4.102007 tasca Consisting Group, Ire.Center (-0.00235-8.34e-010.6.51)Dip^D/Roll: (90.0,180.0.0.0)Rartus 36 2Perspective ProjectionStep 14300Joint shear displacement magnitudeIOOOOOE^OO5.0000E-031 0000E-O21 5000E-02I~ 2.0000E-022.5000E-023 0000E-023.5000E-024 0000E-024 5000E-02I" 5.0000E-025 5000E-025.5995E-02AxesJoint shear stress magnitude■ 00 +002.5000E-015.0000E-017 5000E-011 0000E* *001 2500E+001.5 *001.7500E*002 0000E*002 2500E*002 5000E*002.7500E*003 0000E*003 2500E+003 5000E*003.7500E*004 0000E*00图5无支护时节理面的剪切位移和剪切应力3DEC_DP4.10•2007 Rasce Consubng Or cup. IncStep 14600Joint shear displacement magnitudeI 0 0000E1 OOOOE^OO 1 2500E+00 1 5000E+00 1 7500E+00 2 0000E+00 2 2500E+00 2 5000E+00 27500E*0013 OOOOE^OO 3 2500E*00 3 5000E*00 35573E*00Axes005 0000E-04I 0000E-031 5000E-032 0000E-0325000E-03I 3 0000E-03 3.5000E-03 4 0000E-03 4 5000E-03 5 0000E-03 5 5000E-03 60000E-03 65000E-03 7 0000E-03 1 7 5000E-03 B0000E-03 85000E-03 9 0000E-03 9 1788E-03Axes3DEC_DP】.1O2007 tttsca Consultng Group. IncStep 14600SM> 14600 2011^21 1127 50Hhtorr 4 Z-CMMCWWt ・6 21S3WS <^745736-03vs Step3DEC DP 4.10图6支护后节理面的剪切位移和剪切应力理血出现滑移，最大位移量达200mm。

2)全长锚杆支护改善了围岩稳定状况，其最 大位移量为8mm,是节理巷道支护的有效手段之一3) 3DEC能够准确直观的反映巷道围岩状态， 适用于节理岩体变形问题研究参考文献：[11王涛，陈晓玲，杨建等.基于3DGIS和3DEC的地F洞室等岩稳定性1$ I MStep"图7支护后监测点位移时间曲线4结论通过对比节理巷道支护前后围岩位移及剪切 面位移、应力分析，可得以下结论1)在节理发育的岩体内开挖巷道，围岩沿节研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24 (19)_6.[2] 郭力,赵静,元永国.FLAC3D在巷道支护中的模拟分析[』.山西焦 煤科技,2011,(03)[3] 张承荣，许振华.节理岩体巷道支护作用机理的离散元模拟研究[J]. 现代矿业,2010,(04)⑷周正义，W平，。