软弱破碎巷道围岩深浅承载结构力学分析及数值模拟

赵光明¹，张小波²，王超¹，孟祥瑞¹

1. 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室2. 武汉大学土木建筑工程学院

摘 要：巷道围岩-支护相互作用体系中围岩承载区是围岩应力的主要承载体,控制围岩承载区域的稳定对巷道围岩的稳定具有积极作用。针对软弱破碎巷道围岩工程地质特性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对巷道围岩承载结构进行研究。考虑巷道开挖后岩体强度、应力和变形特征,建立了软弱破碎围岩巷道的理论计算模型,得到了围岩的应力场、位移场和塑性破坏区范围的解析解;考虑岩石峰后强度软化、剪胀扩容效应、原岩应力和支护阻力等因素的影响,在空间上将巷道围岩承载结构划分为"浅支撑层"和"深支撑层",同时在深支撑层内,存在一个高应力区域,承担了围岩的大部分荷载,对深支撑层的承载能力与稳定起着关键作用,称其为"关键支撑层"。通过算例分析了围岩残余强度和支护作用对深浅支撑层结构演化特征和巷道变形的影响。采用FLAC3D程序对深浅支撑层结构演化特征及巷道变形进行了数值模拟。研究结果表明:围岩的残余强度越大,深浅支撑层结构在空间上表现的越明显;剪胀扩容效应发生在深支撑层中的软化区内,但其最终导致浅支撑层发生变形;随着原岩应力的增大,巷道围岩深浅支撑层的厚度均不同程度的扩大。

关键词：软弱破碎围岩;强度软化;剪胀扩容;深浅承载结构;围岩控制;数值模拟;