基于Hoek-Brown准则的巷道围岩力学响应特征分析.pdf

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1、第12卷第2期矿业工程2014年4月MiningEngineering3·矿物开采·基于Hoek-Brown准则的巷道围岩力学响应特征分析左鹏鹏侯春锐z(1．神华宁夏煤业集团公司红石湾煤矿有限责任公司，宁夏银川750400；2．国电英力特能源化工集团股份有限公司煤炭事业部，宁夏银川750001)摘要：基于Hoek—Brown准则对巷道围岩进行了弹塑性分析，开展了算例分析和数值模拟研究。结果表明：围岩应力场、位移场、塑性变形区均呈对称性分布；垂直位移量约是水平位移量的5倍，随着表面围岩向深部延伸，位移量逐渐减小直至为0。围岩开挖后形成了一个环形的塑性变形区。关键

2、词：Hoek—Brown准则；围岩；力学特征；弹塑性分析中图分类号：TD313文献标识码：A文章编号：1671—8550(2014)O2—0003—03型如图1。0引言巷道围岩开挖后，围岩的应力状态和变形随时间不断演化，尤其是在开采深度逐渐增加和原岩应力随之增大的情况下，围岩变形愈加严重，巷道稳定性难以保证，所以深部巷道围岩力学特征及支护po依旧是关注的热点。不少学者对此进行了大量研图1力学模型究，并取得了一系列研究成果[1州]，这些研究大多采用莫尔一库伦强度准则判断围岩是否进入塑性状A一塑性区B一弹性区C-／~．岩厦力区态。然而有研究表明：Hoek—Brow

3、n准则能够反映材料的非线性破坏特征及岩体结构的影响，霍克1．1巷道围岩弹性区应力一布朗强度包络线较莫尔一库伦强度包络线更吻合莫在弹性区内，距巷道轴线为r处围岩的径向应尔极限应力圆口]，可以更好地反映巷道围岩的力学力为，，切向应力为，剪切应力为r，其弹性特征。解为基尔希解即：本文采用Hoek—Brown准则分析了侧压系数=丢(1+)户。(1—a2)+1(一1)户(1—4+3)cos为1的圆形巷道围岩的应力、位移、塑性区半径的解析解，根据具体的地质条件进行了算例分析，并=÷(1+)户。(1一譬)一÷(一1)户(1+3)cos2模拟了巷道围岩开挖后的力学响应特征。l

4、力学模型=丢(1一)户。(1+2譬一3脚(1)当一1时，其解为：为便于分析，假设：1)深埋巷道为圆形(半r2径为r)、无限长巷道；2)围岩处于静水压力状r一。(1-)态，应力大小为P。；3)原岩为理想弹塑性体；4)口=户。(1+r2(2)原岩为不可压缩材料；5)侧压系数=：=1。力学模)rr0收稿日期：2013—12—17上式为弹性区围岩应力。作者简介：左鹏鹏(1985一)，男，陕西渭南人，助理工程师，主要从事设计技术管理及现场管理工作。1．2巷道围岩塑性区应力4矿业工程第12卷第2期Hoek—Brown屈服准则适用于结构完整(连2算例分析续介质)且各向同性的

5、均质岩体和破裂岩体(节理化岩体)及各向异性的非均质岩体，其表达式为：巷道埋深约为一680m，巷道半径取a一2m，O'0一+(3)原岩应力P。一18Mpa，m一4，s一0．001，抗压强式中——单轴抗压强度；、——经验系数，度=7Mpa，代人式(11)得：R一6．36m。m的变化范围为0．001(强烈破坏岩体)～25(坚3巷道围岩力学特征数值模拟硬而完整岩石)，s的变化范围为0(节理化岩体)～1(完整岩石)。为与力学模型分析中巷道形状保持一致，便于平衡微分方程为：分析围岩力学响应特征，巷道断面取圆形，半径为2ITI。模型尺寸为2O×2Om，模型边界条件：侧r一鲁

6、以r一。(4)面限制水平移动，底面限制水平和垂直移动，上部式(3)代入(4)，可得：施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量。3．1巷道围岩应力场／maCo,+so~一—一—挚一：=0Il(●5、)l由图2可以看出围岩开挖后，原岩应力平衡状将上式化简积分，可得：态被打破，在巷道周边围岩形成应力集中和释放，巷道周围应力场呈现对称性分布，巷道两侧围岩产干一Inr+c(6)生了明显的应力集中，最大应力集中系数为2．2，将塑性区内边界条件r一口，一0代人(6)顶底板围岩应力出现卸压现象，且顶底板围岩应力可得：明显小于两侧围岩应力。应力较高处的围岩聚集了大量能量，当积聚的c一一l

7、nn能量超过某一临界值时就会使围岩发生破坏，若能将c代人(6)可得：量在瞬间释放很可能诱发事故。因此，围岩在开挖后应及时进行支护。一(、n÷n+卜／7，z㈩●dRR1io7将(7)代人(3)可得：(Inrm，+(a一-~m!一1．3塑性区半径一-I-'壁当应力超过围岩的屈服极限强度后，巷道围岩出现塑性区，随着径向距离r的增大，巷道围岩将图2垂直应力云图由塑性状态过渡到弹性状态，在弹塑性交界处，弹性区内两应力之和等于塑性区内两应力之和。3．2巷道围岩位移场口+，一2Po(9)由图3、4可知，巷道围岩垂直位移场和水平位移场均呈对称分布，表面围岩位移量最大，垂直一厶

8、(、In譬n+m1／‘+厶(、-n鲁口