軟巖交叉巷道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

李龍福,金愛兵,鄧富根,劉 波

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

軟巖問題一直是世界性難題，特別是隨著開采深度的增加，軟巖問題如兩幫鼓脹擠出、頂沉底鼓、巷道全斷面收縮等越來越嚴(yán)重，直接影響到礦山安全生產(chǎn)，危及井下作業(yè)人員的人身安全。因此，確定合理的支護(hù)方案，顯得尤為重要。但要想有效的進(jìn)行軟巖巷道的支護(hù)，必須根據(jù)軟巖巷道所處的工程地質(zhì)環(huán)境，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，選擇合理的支護(hù)參數(shù)，確定最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段[1-3]。

北洺河鐵礦位于武安斷陷盆地西緣，在NNE向的玉泉嶺-礦山村-茶村斷裂帶的西側(cè)，區(qū)內(nèi)為次一級(jí)的NWW向的褶曲構(gòu)造所控制，以褶皺為主，斷裂次之，屬接觸交代“矽卡巖型”鐵礦床，礦體埋深為136～679m，采用無底柱分段崩落法開采。自開采以來，該礦就對(duì)軟巖巷道的支護(hù)問題進(jìn)行了研究，但是在巷道使用過程中，出現(xiàn)了越來越多的地質(zhì)災(zāi)害，如巷道底鼓、片幫、冒頂?shù)?，尤其是在?lián)巷與進(jìn)路的連接處，圍巖暴露面積大、受力狀態(tài)差，是采場(chǎng)中最容易變形破壞的區(qū)段，嚴(yán)重影響了礦山正常生產(chǎn)的需要。

針對(duì)上述實(shí)際情況，在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[4-8]，以北洺河鐵礦300m采深的采準(zhǔn)切割工作中出現(xiàn)的交叉巷道為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)數(shù)值模擬研究、巷道收斂監(jiān)測(cè)反分析等手段，研究交叉巷道在開挖過程中圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布特征及規(guī)律，為施工設(shè)計(jì)提供有效的參考依據(jù)。

1 模型的建立

模型采用十字型交叉巷道，位于模型中部，分別為巷道a和b，巷道斷面為半圓拱直墻形，寬4m，墻高2m，拱半徑2m，巷道埋深300m。根據(jù)圣維南原理及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，局部開挖僅對(duì)距離巷道3～5倍跨度范圍內(nèi)有影響。因此，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=30m×30m×27m，共計(jì)單元總數(shù)為26×112，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總計(jì)28×490個(gè)，開挖部分以空模型模擬(Null Model)。模型采用位移邊界條件：四周采用滾支撐(ux=0,uy=0)，底部固定(ux=0，uy=0，uz=0)，上部邊界為上覆巖體的自重應(yīng)力，σzz=-7.9MPa，巖體的水平應(yīng)力σxx=σyy=0.37σzz。計(jì)算時(shí)，采用Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化準(zhǔn)則[9-10]，計(jì)算采用的基本力學(xué)參數(shù)見表1。由于模型的對(duì)稱性，a、b巷道的開挖順序?qū)τ?jì)算結(jié)果不產(chǎn)生影響，將兩條巷道的開挖分3步完成，見表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 巷道開挖步數(shù)與開挖長(zhǎng)度

2 模擬結(jié)果分析

2.1 完成第1步巷道a開挖

對(duì)巷道a進(jìn)行開挖不支護(hù)模擬，以了解該巷道開挖后，圍巖的二次應(yīng)力分布情況。

開挖引起兩幫垂直應(yīng)力的增加和頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力的降低。其中，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力從-2MPa逐漸過渡到-8MPa(在FLAC3D中，負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力，正號(hào)表示拉應(yīng)力，以下同)，兩幫應(yīng)力呈對(duì)稱分布，其中在兩幫中下部出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到-14.5MPa，并沿巷道徑向逐步過渡到原巖應(yīng)力狀態(tài)。受開挖的影響，應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)約在離幫壁5m范圍之內(nèi)。最大主應(yīng)力σ1為-14.73MPa，出現(xiàn)在兩幫靠中下部圍巖中，頂?shù)装宓淖畲笾鲬?yīng)力σ1為-0.43MPa～-4MPa。巷道開挖造成圍巖最小主應(yīng)力σ3的降低，在巷道四周為-3.65MPa，并在巷道底部中央出現(xiàn)-0.87MPa的拉應(yīng)力，須注視該處的支護(hù)。剪應(yīng)力中最大正剪應(yīng)力為4.094MPa，最大負(fù)剪應(yīng)力為-4.095MPa，最大正負(fù)剪應(yīng)力分別沿右拱角-左邊墻角與左拱角-右邊墻角分布，開挖后將造成兩幫和墻角大面積的剪切破壞，交叉口頂?shù)装宓募魬?yīng)力大小分別為2.0MPa、1.0MPa。在主要位移點(diǎn)中，拱頂垂直位移為-47.6mm，底板向上位移34.9mm，相對(duì)收斂值82.5mm，遠(yuǎn)超過《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》[11]規(guī)定的相對(duì)收斂值36mm的上限，應(yīng)采取支護(hù)手段。由塑性區(qū)分布云圖可知，兩幫及墻角處主要受到剪切破壞，頂?shù)装逯饕艿嚼炱茐?，兩幫出現(xiàn)2m范圍塑性區(qū)，頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)為巷道周邊1m以內(nèi)，相比較而言，墻角和拱頂部位的塑性破壞較為嚴(yán)重。

2.2 第2步巷道b開挖至交叉口

在掌子面的端部圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到-15.7MPa。最大主應(yīng)力σ1出現(xiàn)在交叉口頂板和底板部位，量值在-14MPa～-16MPa之間。由于巷道b的開挖，在交叉口部位使得受到應(yīng)力擾動(dòng)的范圍擴(kuò)大一倍左右，而且在巷道的四周普遍出現(xiàn)0.5MPa的拉應(yīng)力，圍巖的受力狀態(tài)下降。頂板和底板的垂直位移值增大，分別達(dá)到-66.8mm和43.5mm。巷道a受到的正負(fù)剪應(yīng)力分別為4.26MPa、-4.16MPa，剪應(yīng)力略有增加，在交叉口拱頂與底板的剪應(yīng)力分別為-3MPa、1.0MPa，與之前相比，頂板剪應(yīng)力增加。根據(jù)塑性區(qū)分布云圖，交叉口拱頂塑性狀態(tài)有所改變，由受拉變?yōu)槔艄餐饔?，受力狀態(tài)惡化，為提高交叉口巷道的穩(wěn)定性，應(yīng)提高支護(hù)等級(jí)。

2.3 完成巷道b剩余部分的開挖

根據(jù)垂直應(yīng)力云圖，在巷道交叉口應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，由原先的應(yīng)力集中變?yōu)閼?yīng)力降低區(qū)。最大主應(yīng)力σ1出現(xiàn)在巷道的兩幫，大小為-12MPa～-15MPa，應(yīng)力集中程度和只開挖巷道a相比略有增加。拱頂處的最大主應(yīng)力為-2MPa，與先前相似。在最小主應(yīng)力σ3云圖中，巷道底板和交叉口拱頂處，受到約0.8MPa的拉應(yīng)力。在剪應(yīng)力云圖中，巷道a的剪應(yīng)力進(jìn)一步增加，最大正負(fù)剪應(yīng)力分別為4.32MPa、-4.27MPa,交叉口拱頂和底板的剪應(yīng)力分別為-1.0MPa、-2.0MPa，與上一步相比，頂板受剪情況得到改善，底板剪應(yīng)力增加，這與塑性區(qū)分布云圖中顯示的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，表明由于巷道b的開挖使得巷道a的應(yīng)力重新分布，其結(jié)果是交叉部分應(yīng)力得到釋放，巷道a、b兩幫應(yīng)力集中。在主要位移點(diǎn)中，交叉口拱頂部位的最終沉降量為88.5mm，交叉口底部的最終底鼓為53.3mm。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道a開挖完畢后，圍巖在初始地應(yīng)力場(chǎng)作用下，向開挖臨空面方向移動(dòng)，產(chǎn)生不均衡變形，改變了應(yīng)力場(chǎng)的空間分布特征，在一些應(yīng)力集中區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)圍巖的破壞現(xiàn)象；巷道b開挖后，圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，總體上表現(xiàn)為應(yīng)力從交叉口處向巷道a、b兩幫轉(zhuǎn)移，交叉口應(yīng)力得到釋放。

3 巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)與分析

巷道開挖后，由于所處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，打破了開挖前的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖會(huì)通過變形和應(yīng)力的調(diào)整來達(dá)到一個(gè)新的平衡。因此，通過關(guān)鍵點(diǎn)位移的監(jiān)測(cè)，對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，一方面可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性，另一方面也可以定性地了解巷道在開挖后的變形趨勢(shì)。圖1與圖2分別為巷道交叉口拱頂沉降監(jiān)測(cè)曲線和模擬曲線。

圖1 巷道交叉口拱頂沉降監(jiān)測(cè)曲線

圖2 巷道交叉口拱頂模擬曲線

根據(jù)圖1與圖2可以得出以下結(jié)論：①埋深300m處的交叉巷道交叉部位拱頂沉降的模擬結(jié)果顯示拱頂沉降最大位移為88mm，與實(shí)測(cè)最大位移71mm比較接近，從側(cè)面反應(yīng)了數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)應(yīng)力釋放率把握較為接近實(shí)際情況；②巷道收斂變形的實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線與數(shù)值模擬曲線變形趨勢(shì)一致，變形值也較為接近，由此說明數(shù)值模擬對(duì)巷道開挖后的二次應(yīng)力分布模擬與實(shí)際情況較為接近，數(shù)值模擬結(jié)果可以進(jìn)一步為巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

采用無底柱分段崩落法開采，具有開采強(qiáng)度大、作業(yè)效率高、成本低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點(diǎn)，在金屬礦山迅速得到推廣，特別是在鐵礦山更為廣泛。但在采準(zhǔn)切割工作中出現(xiàn)大量交叉巷道，且其應(yīng)力應(yīng)變分布復(fù)雜。本研究通過FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算方法，分析了交叉巷道在開挖前后，圍巖應(yīng)力、位移和破壞區(qū)分布及其變化規(guī)律。

1)開挖引起兩幫垂直應(yīng)力的增加和頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力的降低，在幫壁中下部位出現(xiàn)應(yīng)力集中；受開挖的影響，在巷道底板出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，特別是在軟巖工程中，尤其應(yīng)當(dāng)注意；在兩幫及墻角處主要受到剪切破壞，頂板主要受到拉伸破壞；應(yīng)力擾動(dòng)范圍約5m，兩幫塑性區(qū)約2m,頂?shù)装逅苄詤^(qū)約1m。

2)巷道交岔點(diǎn)處應(yīng)力隨著開挖進(jìn)程呈現(xiàn)增加趨勢(shì),尤其是當(dāng)?shù)诙l巷道挖到交岔點(diǎn)時(shí),應(yīng)力的重新分布造成交叉處頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力集中,且在幫壁四周普遍出現(xiàn)拉應(yīng)力，圍巖受力狀態(tài)下降，擾動(dòng)范圍擴(kuò)大。

3)由于巷道b剩下部分的開挖，應(yīng)力向交叉口兩邊轉(zhuǎn)移，結(jié)果是交叉口應(yīng)力得到釋放,巷道a、b兩幫應(yīng)力集中。

4)隨著巷道開挖不斷推進(jìn)，巷道位移呈增加趨勢(shì)，最大下沉位移和最大底鼓分別發(fā)生在交叉口處頂?shù)装逯醒?，在此處?yīng)增加支護(hù)等級(jí)，以維護(hù)巷道的穩(wěn)定并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5)巷道收斂變形的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析說明，數(shù)值模擬只是一種工程模擬方法，要真正達(dá)到設(shè)計(jì)的信息化和最優(yōu)，必須輔以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)來獲得實(shí)際施工程中的圍巖力學(xué)動(dòng)態(tài)，以調(diào)整工程類比法的設(shè)計(jì)參數(shù)和數(shù)值模擬的參數(shù)取值，才能客觀地反映出地下工程在施工過程中，圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布等特征。

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