第２１卷第４期 ２０１２年４月 中 国 矿 业 ＣＨＩＮＡ ＭＩＮＩＮＧ ＭＡＧＡＺＩＮＥ Ｖｏ１．２１。Ｎｏ．４ Ａｐ ｒ． ２Ｏ１２ ｜ 梭ｌ 地应力场方向对巷道围岩稳定性的影响 黄龙现 ，杨天鸿 ，李现光 ，郑 超 （１．东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳１１０００４； ２．金策工业综合大学矿业工程系，朝鲜平壤９９９０９３） 摘要：地应力测试结果表明在构造应力场水平应力是垂直应力的１．８～２．７倍，而且两个水平应力 之比是１．５～２．５。构造应力场是影响对巷道稳定的主要因素之一。本文运用ＣＯＭＳＯＬ３Ｄ有限元软件在 初始应力场轴向变化的情况下模拟了巷道围岩的应力状态，分析得出巷道轴向与最大水平应力方向之间 的夹角越大，巷道越不稳定。此时巷道围岩的剪破坏区深入到巷道顶底板。因此在构造应力场掘进巷道 时要尽量使最大水平应力方向与巷道轴向一致。 关键词：ＣＯＭＳＯＬ ３Ｄ；数值模拟；地应力场；稳定性；巷道 中图分类号：ＴＤ３２２ ．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｏｄｙ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｒｏａｄｗａｙ ＨＷＡＮＧ Ｒｙｏｎｇ—ｈｙｏｎ ¨。ＹＡＮＧ Ｔｉａｎ－ｈｏｎｇ ，ＬＩ Ｘｉａｎ—ｇｕａｎｇ ，ＺＨＥＮＧ Ｃｈａｏ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０００４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｉｍｃｈａｅｋ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐｙｏｎｇｙａｎｇ ９９９０９３，ＤＰＲＫ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｎｉｔｉａ１ ｓｔｒｅｓｓ ｓｈｏｗｓ，ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉ— ｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉＳ ａｂｏｕｔ １．８～２．７ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔＷＯ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ １．５～２．５ ｔｉｍｅｓ． Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｒｏａｄｗａｙ． Ｗｉｔｈ ｖａｒｙｉｎｇ ｔｈｅ ａｘｅ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ，ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｂｏｄｙ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｓｉｍｕｌａ— ｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＣＯＭＳＯＬ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｘｅｓ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｗｏｒｓｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｗｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ，ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ａｓ，ｂｅ ｏｕｇｈｔ ｔＯ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｔｈｅ ａｘｅ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉｚｏｎｔａ１ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｗａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＯＭＳＯＬ ３Ｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｒｏａｄｗａｙ 初始地应力场是一个受多种因素相互作用影 响的复杂系统，要对其进行准确定量的分析十分 困难。地应力是指岩体处于天然产状条件下所具 结果 。 自重应力与地质构造运动过程中在地下岩体 内发生的构造应力都会影响地应力分布。在构造 应力场中，水平应力一般大于垂直应力，而且随 着地点的不同其方向也不同。 随着开采深度的增加垂直应力正比于自重应 力，而水平应力增长速率较快。地应力是引起地 下工程围岩破坏的根本因素，初始地应力场的研 究更是地下结构稳定性研究的前提和必要条件。 有的内应力。有的称为岩体初始应力，或天然岩 体内应力，这种天然的内应力主要是由于地壳构 造运动而产生的水平应力造成的，其次是上覆岩 层的自重作用造成的内应力，还有变异应力及其 他应力。地应力是在漫长的地质历史时期中逐渐 形成的，主要是重力场和构造应力综合作用的 收稿日期：２０１１—０９—０７ 配置巷道时一般考虑经济效率，而忽略了初始应 力场的方向。水平应力的大小和方向对巷道围岩 破坏起重要作用，巷道底鼓与高水平应力关系密 切［５ 。关于水平应力对巷道围岩稳定性的影响， 国内外的研究表明：巷道顶底板破坏的主要因素 基金项目：国家自然科学基金项目资助（编号：５０８７４０２４）；教育 部重点科技项目资助（编号：１０７０３３）；博士点基金资助（编号： ２００８０１４５０００３） 作者简介：黄龙现（１９６９一），男，东北大学资土学院岩石力学博 士研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｗａｎｇｒｙｏｎｇｈｙｏｎ＠１２６．ｃｏｒｎ。 １Ｏ６ 中国矿业 第２１卷 是水平应力而不是垂直应力，并提出了锚杆支护 的最大水平应力理论，指出巷道掘进方向与最大 水平应力的夹角应该小于２５。～３０ Ｅ 。 为了研究在构造应力场中巷道配置方式对巷 道围岩稳定的影响，本文运用ＣＯＭＳＯＬ ３Ｄ有限 元软件建立相应的数值计算模型对造应力场的一 般特征而进行了数值模拟分析。 １初始应力场的特征 一般来说地下岩体静态平衡由地应力由自重 应力与构造应力组成。 确定自重应力比较容易但确定构造应力很 难。一般情况下在应力数值模拟中以自重应力做 为初始应力，但根据测定实际岩体应力，构造应 力对初始应力的影响很大。按在一个矿山利用应 力解除法测定数据，初始应力场垂直应力ｄ 跟自 重应力差不多，而最大水平主应力大约是平均垂 直应力的２．３倍，是最小水平主应力的 ０．９７倍 。 最大水平主应力与最小水平主应力之比平均 为２．４１，二者相差较大。测定结果表示初始应力 场不仅只有自重应力，构造应力对其影响也很大。 综合关于深度２５～２７００ｍ的信息来看垂直应力跟 测定地点或者深度无关而随着自重应力的变化而 变化。在靠近地表一定深度内，水平应力大于垂 直应力，两个水平主应力之在０．２～０．８范围内， 其中，大部分介于０．４～０．７之间。在地下深度 ５（）（）～１０００ｍ范围内水平主应力大于垂直应力，因 此初始应力场不完全取决于自重应力。 ２数值计算模型的建立 为考察初始应力场大小和方向变化对水平巷 道的影响，模型的物理力学参数如表１所示。 表１两个水平主应力之间的关系 测定区 数据— ＿ — ｝罢警＝ — ｌ ５１ １４ ６７ １３ ６ ２ ２２２ ２２ ４６ ２３ ９ ５ １ ５６ ２４ ８ 巷道模型尺寸为２ｍ×２ｍ×１０ｍ，整体模型尺 寸为３０ｍＸ ２０ｍ×５０ｍ。模型单元数为２４０００，节 点数为１０００００，模型是各向同性材料。本文在恒 定外载条件下改变内部巷道轴向方向来研究地应 力场方向对巷道围岩应力的影响。 恒定应力条件：垂直应力为Ｐ 一２０ＭＰａ，最 小水平主应力Ｐ 一２０ＭＰａ，最大水平主应力 Ｐ．ｚ＝＝＝４０ＭＰａ ３数值计算结果及分析 用ＣＯＭＳＯＬ ３．５ａ软件进行计算。为了避免单 元大小对计算结果的影响，在每个计算方案中网 格划分方式均相同，在巷道附近网格密度较高， 越接近模型边界网格密度越小。模拟以巷道中间 断面为分析面，在顶板中间点与右帮中间点上考 察了应力和位移的变化及规律。 当巷道轴向与最大主应力方向夹角在０。～９０。 之间变化时，巷道围岩应力变化见图１。从图１可 见，随ａ角的增加，巷道两帮的中间主应力和最小 主应力ａ：、ａ。逐渐变小，但最大主应力ｏ 的变化 不确定。当ａ≤１５。时，主应力ａ 变化较小，ａ≥ ３０。时变化较大。 当巷道轴向与最大主应力方向夹角越接近９０。 时，巷道两帮的主应力越来越小，在巷道两帮发 生应力。 在巷道顶板，最小主应力ａ。随 角的增加， 逐渐增大。当ａ≤６０。时，它的变化较大，当ａ≥ ６Ｏ。时变化较小。当 ≤４５。时，顶板中间点主应力 口 逐渐减小，当ａ≥４５。时，顶板中间点主应力６ 逐渐增大，与在两帮应力有所不同。 ０ 一ｌ５ ３Ｏ 塞 －Ｒ ０ ４Ｏ －８０ ０ ｌ５ ３０ ４５ ６０ ７５ ９０ ／。 ＋ １‘ ０ 一 一ｌ５ ３０ 宝 ０ —４０ ８０ 图１ 巷道周围不同位置处应力随ａ变化曲线 第４期 黄龙现，等：地应力场方向对巷道围岩稳定性的影响 １０７ 轴向应力的变化与主应力不同。 ４０ 倾 ． 在巷道顶板，随ａ角的增加，ｘ轴向应力逐 ０ 渐增大，在ａ—Ｏ。～３Ｏ。范围内增长速率较小，ａ≥ ３０。时，增长速率较大。Ｚ轴向应力在ａ一０。～３０。 内逐渐增大，当ａ≥３０。时逐渐减小。ｙ轴向（垂 直方向）应力的变化随０ｔ角的增加，无明显 变化。 —吕 ＼／４Ｏ 。。 。＼／ ． ｛ ０ ４０ ０ 一１５ Ｙ３０ ’４５ ，。 ＼ ６０ ７５ ９０ Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ准则在岩石力学中应用较广， 特别是在弹塑性有限元计算中应用广泛，其优点 是不仅考虑了中间主应力ｄ 的影响，而且考虑了 平均应力 一（ １＋ ２＋ ３）／３一 ／３的影 响ｌ＿１ ］。本文运用Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ破坏准则考察 巷道周围塑性破坏区随ａ的变化情况。 ｆ—ａ ＋￣／万一Ｋ 式中： 为应力张量的第一不变量；Ｊ。为第二不 变量。 ， 的表达式为： １一 １＋ ２＋ Ｊ２一÷［（ １－Ｏ＂２）。＋（ ２－－Ｏ＂３） ＋（ －－Ｏ＂１） ］ 口一： ，Ｋ一．＝＝ ，／３（３一ｓｉｎｑ￣） √３（３一ｓｉｎ￣ｏ） 当巷道轴向与最大主应力夹角在０。～９Ｏ。之间 变化时。 不同的ａ角情况下巷道周围塑性破坏区相对不 同。在Ｇｔ一０。～３０。内变化时，巷道顶底与两帮同时 破坏。这样的形态与水平垂直应力相对近似的情 况下巷道破坏相近。巷道顶底破坏区逐渐增大， 两帮破坏区逐渐减小。在ａ一４５。两帮的破坏区最 小而且随（Ｉｔ的增大逐渐增大，破坏主要发生在拱角 与底角。随Ｃｔ的增加顶板破坏区逐渐增加，在ａ一 ９０。时最大。ａ一９０。时作用于巷道两帮的原应力大 约是ａ—Ｏ。时的两倍，因此两帮的破坏较小，顶底 板主要破坏。 与由Ｍｏｈｒ—ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则决定的二维巷道 周围破坏形态比较一致。从顶板维护角度来看， 巷道轴向与最大主应力方向一致，巷道围岩最为 稳定，互相垂直时最不稳定。 在巷道顶板和侧壁中间点上，位移随ａ的变 化曲线如图２所示。当巷道轴向与最大主应力 方向之间的角度增加时，垂直位移（沉降量） 在巷道顶底和两帮渐减但基本上没什么大变化。 这是因为垂直位移主要由垂直应力引起的。水 平位移在巷道顶底和两帮随ａ的增加，增加或 减小。 ＋３１，。。。 ＋ 图２在巷道顶侧壁位移随 变化曲线 ４ 结论 在两个水平主应力不一样的情况下初始应力 场的方向对巷道围岩稳定性有一定的影响。巷道 围岩破坏区大小在最大水平主应力方向与巷道轴 向一致时最小。在巷道顶底板，破坏区大小随着 角度的增加而增大，当巷道轴向与最大水平主应 力轴夹角ａ一９Ｏ。时最大。当 一０。～３Ｏ。时，破坏主 要发生在巷道两帮中部，Ｏｔ一４５。～９０。时，破坏主 要发生在端部。巷道顶板垂直应力随着角度的增 加而逐渐减小。因此地下工程中应尽量使最大水 平应力方向与巷道轴向一致。 一 参考文献 ［１］ 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中输入：ｈｔｔｐ：／／ｃｏｍｐｕｔｅｒ． ｗｉｎ２００３． ｃｏｍ／ ２）提交证书申请，申请证书。首先按照前面 的介绍申请证书。然后选择【高级证书申请】，打 开【高级证书申请】页面，选择【第二项使用 ｂａｓｅ６４编码……】，打开【高级证书申请】的【证 书模板】页面，在【保存的申请】中粘贴我们前 面申请的证书，即证书文件名的文件再单击【提 ｃｅｒｔｓｒｖ或者ｈｔｔｐ：／／ｗｉｎ２００３．ｃｏｍ／ｃｅｒｔｓｒｖ（其中 ｃｏｍｐｕｔｅｒ．ｗｉｎ２００３．ｃｏｍ为ＣＡ服务器的域名名 称名称）。打开Ｗｉｎｄｏｗｓ证书服务页面。 步骤２，在【选择一个任务】下选择【申请一 个证书】，打开【申请一个证书】页面。 交】按钮，完成证书颁发，我们下载下来保存。 ３）Ｗｅｂ服务器上安装证书。回到【默认网站 属性】对话框，单击【服务器证书】，在弹出的对 步骤３，选择【高级证书申请】，打开【高级 证书申请】页面。 话框，选择【处理挂起的请求并安装证书】。然后 单击【下一步】，出现【处理挂起的请求】对话 框，浏览选择【路径和文件名】，单击【下一步】， 出现【ＳＳＩ 端口】对话框，再单击【下一步】，出 现【证书摘要】对话框，然后直到完成证书安装。 ４）启用安全通道。在【默认网站属性】对话 框，切换到【目录安全性】，单击【编辑】，出现 【安全通信】对话框，勾选【要求安全通道ＳＳＬＩ。 ５）客户机用ｈｔｔｐｓ：／／访问安全的Ｗｅｂ站点检 测是否成功。客户端输入ｈｔｔｐ：／／ｃｏｍｐｕｔｅｒ． ｗｉｎ２００３．ｃｏｒｎ／访问服务器，出现“该页必须通过安 步骤４，选择【创建并向此ＣＡ提交一个申 请】，打开【高级证书申请】的【证书模板】页面。 在【证书模板】页面中的证书模板下面，可 以选择不同模板的证书，证书模板在前面已经介 绍，对于证书模板中没有列出的证书，可以用新 建证书模板的方法添加。 在密钥选项中，可以选择【创建新密钥集】 还是【使用现存的密钥集】，还可以设置密钥的大 小，以及是否启用私钥保护等参数。 在其他选项中，可以设置哈希算法、证书的 属性、是否保存申请到一个文件，以及为证书起 一全通道查看”的对话框，表明不能直接这样访问。 如果我们再在客户端输入ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｍｐｕｔｅｒ． ｗｉｎ２００３．ｃｏｒｎ／访问服务器，出现一个安全警报对话 框，提示“即将通过安全连接查看网页”，到此为 止，我们的基于ＣＡ认证的煤炭信息安全站点就已 经构建成功了。参考文献 个好记的名称等选项。 设置完参数选项后，单击【提交】按钮，系 统将自动提交申请。会弹出一个【潜在的脚本冲 突】对话框。如果ＣＡ设置成自动颁发证书，客户 ＩＩ 端将自动安装申请的证书。 ６煤炭信息ＳＳＬ站点的构建 陈学平．Ｗｉｎｄｏｗｓ ２００３配置与与应用［Ｍｌ北京：化学 前面的ＣＡ证书安装完成后，我们可以接着做 下面的工作。 ｒ，］ 工业出版社，２０１１． 王萍．浅谈基于ＣＡ认证的电子商务安全［Ｊ］．商场现代 化，２００８（１７）：１７５． １）生成证书申请。首先，单击【默认网站】 米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米 ｃ上接第１０７页） ＿１２］ 李世平．岩石力学简明教程［Ｍ］，徐州：中国矿业大学出 版社，１９８６． 力学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９６． ［１５］ 杨雪强，凌平平，向胜华．基于系列Ｄｒｕｃｋｅｒ Ｐｒａｇｅｒ破坏 准则评述土坡的稳定性［Ｊ］．岩土力学，２００９（４）：８６５ ８７０． ［１３］ 于学馥，郑颖人．地下工程围岩稳定性分析ＥＭ］．北京： 煤炭工业出版社，１９８３． ［１６］ 张永兴，陈洪凯，朱凡．岩体脆性破坏的破坏准则及对 Ｄｒｕｃｋｅｒ Ｐｒａｇｅｒ准则修正的探讨［Ｊ］．重庆交通学院学报， １ ９９５（４ ．６９—７６． ［１４］ 朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工
