高地应力硬岩多孔模拟结果及分析

由于钻孔卸荷后形成的应力集中区较小，使岩体周围出现应力集中区与应力集中区之间的重合圈对实际情况而言不能实现，所以，对整个岩体模型进行整体分析才更有意义。图3.22～图3.25是3种钻孔布置方式，钻孔间距为100mm、150mm、200mm和250mm的最大主应力分布。

图3.22　钻孔间距100mm最大主应力分布图

图3.23　钻孔间距150mm最大主应力分布图

图3.24　钻孔间距200mm最大主应力分布图

图3.25　钻孔间距250mm最大主应力分布图

对比图3.22～图3.25可知，多孔卸荷后最大主应力在整个岩体主要分为3部分，红色区域为最大卸荷残余主应力，橘黄色为中度卸荷残余主应力，黄色为最小卸荷残余主应力，红色区域的应力值最大，黄色区域的应力值最小。整个岩体在钻多孔卸荷后大多以中度卸荷残余主应力为主，最大卸荷残余主应力和最小卸荷残余主应力在岩体上围绕着钻孔零散分布，所以，当最大卸荷残余主应力所占岩体面积越小，最小卸荷残余主应力占岩体面积越大时，卸荷效果越好，截齿截割时所需能量越小。各钻孔布置方式下在不同钻孔间距最大卸荷残余主应力与最小卸荷残余主应力所占岩体面积比例如表3.4和表3.5所示。

表3.4　最大卸荷残余主应力占岩体面积比例

表3.5　最小卸荷残余主应力占岩体面积比例

对比表3.4中数据可知，当以正三角形为钻孔布置方式时，在间距为150mm时最大卸荷残余主应力占岩体面积比例达到最大值，为17％，在钻孔间距为250mm时达到最小值，为6％；当以正四边形为钻孔布置方式时，在间距为150mm时最大卸荷残余主应力占岩体面积比例达到最大值，为14％，在钻孔间距为100mm时达到最小值，为6％；当以正六边形为钻孔布置方式时，在间距为150mm时达到最大值，为19％，在间距为200mm时达到最小值，为5％。同时，发现在钻孔间距为200mm和250mm时，无论使用哪种钻孔布置方式，卸荷后的最大卸荷残余主应力都相差不大，说明钻孔间距太大时对整个岩体的卸荷将不产生较大影响。

对比表3.5中数据可知，当钻孔间距为250mm时，正三角形和正六边形的钻孔布置方式下的最小卸荷残余主应力占岩体面积比例达到最大值，分别为12％和30％；当钻孔间距为100mm时，正四边形的钻孔布置方式下的最小卸荷残余主应力占岩体面积比例达最大值，为41％。

由上述可知，根据钻孔卸荷后的最大主应力对比分析，钻孔布置方式为正四边形，钻孔间距为100mm，为钻多孔时的最合理的参数设置。

由于岩石所受高应力是由岩体上覆盖的岩石和土层给予的，所以，岩体受力主要为垂直应力，对于钻多孔卸荷后岩体垂直应力，即垂直应力，如图3.26～图3.29所示。(www.xing528.com)

图3.26　钻孔间距100mm最大主应力分布图

图3.27　钻孔间距150mm最大主应力分布图

图3.28　钻孔间距200mm最大主应力分布图

图3.29　钻孔间距250mm最大主应力分布图

对比分析图3.26～图3.29可知，垂直应力分布以红色区域的最大卸荷残余垂直应力和橘黄色区域的中度卸荷残余垂直应力为主，只有在钻孔间距较小时，才有一小部分的黄色区域为最小卸荷残余垂直应力。最大卸荷残余垂直应力和最小卸荷残余垂直应力占岩体面积比例如表3.6和表3.7所示。

表3.6　最大卸荷残余垂直应力占岩体面积比例

表3.7　最小卸荷残余垂直应力占岩体面积比例

由表3.6可知，当钻孔布置方式为正三角形时，在间距为150mm时最大卸荷残余垂直应力占岩体面积比例达到最大值，为74％，在间距为100mm时达到最小值，为14％；当钻孔布置方式为正四边形时，在间距为150mm时最大卸荷残余垂直应力占岩体面积比例达到最大值，为36％，在钻孔间距为100mm时达到最小值，为7％；当钻孔布置方式为正六边形时，在间距为150mm时达到最大值，为38％，当间距为250mm时达到最小值，为22％。随钻孔间距的增加，无论使用哪一种钻孔布置方式，钻孔卸荷后岩体的最小卸荷残余垂直应力都呈现先增大后减小的趋势。并且，增大的速率明显大于减小的速率，说明当钻孔间距达到一定值后，钻孔对岩体的卸荷能力降低。

由表3.7可知：最小卸荷残余垂直应力所在岩体面积比例最大的卸荷布置方式为正四边形；当采用正三角形的钻孔方式时，钻孔间距为150mm和200mm时最小卸荷残余垂直应力占岩体面积比例为零；当采用正六边形的钻孔方式时，钻孔间距为150mm和250mm时最小卸荷残余垂直应力占岩体面积比例为零；当采用正四边形钻孔方式，钻孔间距为100mm时，最小卸荷残余垂直应力达到最大值为17％。因此，采用正四边形的钻孔的卸荷垂直应力卸荷效果优于其他钻孔布置方式。

综上所述，在地应力为50MPa的工况下，钻孔布置方式为正四边形，钻孔间距为100mm时，为钻多孔时的最合理的钻孔参数。