聯(lián)井型巷道布置的三維數(shù)值模擬及掘進(jìn)順序優(yōu)化

陳順滿 許夢國 王明旭 王 平，2 徐 釗 雒 凱

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院)

采用無底柱分段崩落法開采具有強(qiáng)度高、作業(yè)效率高、成本低和生產(chǎn)安全等特點(diǎn)，在金屬礦山迅速得到推廣，特別是鐵礦山。但在采準(zhǔn)切割工作中出現(xiàn)大量的交叉巷道，且其應(yīng)力應(yīng)變分布復(fù)雜［1］。交岔點(diǎn)指巷道相交或分岔地點(diǎn)的那段巷道［2］。無底柱分段崩落法采礦巷道縱橫交錯(cuò)，形成眾多的交岔點(diǎn)，這些交叉點(diǎn)斷面較大，受力狀態(tài)差，是采場中最容易變形破壞的區(qū)段，會危及井下的安全生產(chǎn)［3］。有許多學(xué)者對交岔點(diǎn)穩(wěn)定性，施工措施和巷道管理措施進(jìn)行了研究［4-7］，但對支護(hù)機(jī)理方面進(jìn)行的研究相對較少［8-9］。

在采用無底柱分段崩落法的金屬礦山井下巷道掘進(jìn)過程中，遇到礦體特別厚大時(shí)進(jìn)路較長，單純的1條中沿已經(jīng)不能滿足后續(xù)回采作業(yè)的高效進(jìn)行，就需要布置1條上中沿。這樣就形成了局部區(qū)域的聯(lián)井型巷道布置形式。所謂聯(lián)井型巷道是指進(jìn)路與上下中沿所組成的一個(gè)個(gè)井字型巷道布置形式。這種巷道布置形式出現(xiàn)很多巷道交叉處，而這些區(qū)域地壓顯現(xiàn)比較明顯，給交叉點(diǎn)圍巖的穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)會造成不利影響。針對這一情況，需要在巷道掘進(jìn)過程中，分析其相應(yīng)的應(yīng)力分布特點(diǎn)和不同巷道掘進(jìn)順序下交叉點(diǎn)圍巖的安全系數(shù)，避免應(yīng)力集中，減小下水平巷道掘進(jìn)對上水平采準(zhǔn)巷道的影響，確保回采工作的正常作業(yè)。

數(shù)值模擬作為一種力學(xué)分析工具已被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受［10］。有限元數(shù)值模擬軟件廣泛應(yīng)用于機(jī)械、力學(xué)和巖土等領(lǐng)域，是一種能夠解決實(shí)際工程問題的數(shù)值模擬方法。因此本研究利用Ansys有限元軟件分析成本低，應(yīng)用成熟，分析方便的優(yōu)勢，對巷道的掘進(jìn)順序進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 模型建立

數(shù)值模型模擬無底柱分段崩落法巷道掘進(jìn)，采用聯(lián)井型巷道布置形式，分段高度17.5 m，進(jìn)路間距15 m，巷道為三心拱巷道，巷道寬3.96 m，高3.68 m。整個(gè)模型的尺寸為75 m×60 m×80 m。網(wǎng)格劃分完畢共有116 738單元，186 310個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖1。在模型上表面施加6 MPa的壓力，下邊界取全約束位移邊界條件，模型4個(gè)側(cè)面分別施加水平位移約束，考慮自重應(yīng)力場。計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 ANSYS網(wǎng)格劃分

2 －430 m采準(zhǔn)巷道未掘進(jìn)時(shí)力學(xué)特性

－395 m水平和－410 m水平采準(zhǔn)巷道已經(jīng)掘進(jìn)完畢，已經(jīng)開始進(jìn)行回采作業(yè)。－430 m水平正在進(jìn)行采準(zhǔn)巷道的掘進(jìn)。建立數(shù)值模型，分析兩水平巷道掘進(jìn)情況下的圍巖應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)。在最大主應(yīng)力中，最大拉應(yīng)力發(fā)生在－395 m水平2號進(jìn)路與上中沿的交叉處，為6.675 MPa(圖2)。在最小主應(yīng)力中，最大拉應(yīng)力發(fā)生在－395 m水平1號進(jìn)路與下中沿的交叉處，為2.719 MPa(圖3);最大壓應(yīng)力發(fā)生在－395 m水平2號進(jìn)路與上中沿的交叉處，為28.625 MPa(圖3)。在最大主應(yīng)變中，最大拉應(yīng)變發(fā)生在－395 m水平上中沿偏離1號進(jìn)路一側(cè)，為0.187 27μm/m(圖4)。在最小主應(yīng)變中，最大壓應(yīng)變發(fā)生在－395 m水平1號井路靠近下盤處，為0.667 3×10－6(圖5);而最小壓應(yīng)變發(fā)生在－395 m水平2號進(jìn)路與上中沿的交叉處，為0.778 04×10－9(圖5)。圖6為Z方向位移。安全系數(shù)最小值發(fā)生在－395 m水平2號進(jìn)路與上中沿交叉處，為0.411 9(圖7)。

圖2 最大主應(yīng)力

圖3 最小主應(yīng)力

圖4 最大主應(yīng)變

圖5 最小主應(yīng)變

3 掘進(jìn)方案

圖6 Z方向上位移

圖7 安全系數(shù)

－430 m水平局部區(qū)域布置有3條進(jìn)路，2條中沿，見圖8。將3條進(jìn)路分別分為3段掘進(jìn)，上中沿和下中沿被進(jìn)路分別分割為4段。這樣就將－430 m水平巷道掘進(jìn)分為17段。這17段掘進(jìn)方案的確定依據(jù)單條進(jìn)路掘進(jìn)、連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)和間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)。單條進(jìn)路掘進(jìn)分為3種掘進(jìn)順序，一是先掘進(jìn)進(jìn)路，待進(jìn)路掘進(jìn)完畢后再依次掘進(jìn)下中沿和上中沿;二是先掘進(jìn)進(jìn)路，待進(jìn)路掘進(jìn)完畢后再依次掘進(jìn)上中沿和下中沿;三是巷道掘進(jìn)步步為營，以巷道進(jìn)路掘進(jìn)和中沿掘進(jìn)交替推進(jìn)，進(jìn)路掘進(jìn)完畢，巷道中沿也全都掘進(jìn)完畢。連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)是指兩條相鄰進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)，每條進(jìn)路掘進(jìn)順序與單條進(jìn)路掘進(jìn)一樣。間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)是指間隔兩條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)，每條進(jìn)路掘進(jìn)順序與單條進(jìn)路掘進(jìn)一樣。

圖8 巷道段編號標(biāo)識

4 9種掘進(jìn)方案的比較

圍巖的穩(wěn)定性不僅受到圍巖性質(zhì)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素的影響，還受到支護(hù)方法和掘進(jìn)順序等因素的影響［11］。在圍巖性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等客觀因素一定的情況下，尋求合理的掘進(jìn)順序是保證交叉點(diǎn)巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。為了研究掘進(jìn)順序?qū)徊纥c(diǎn)圍巖穩(wěn)定性的影響，采用9種方案進(jìn)行模擬開采。如表2所示。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算方案

4.1 應(yīng)力分析

通過對9種方案進(jìn)行模擬比較，從圖9中可以看出單條進(jìn)路掘進(jìn)和連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的6種掘進(jìn)方案最大壓應(yīng)力值是一樣的，均為32.253 MPa，且都發(fā)生在－410 m水平1號進(jìn)路與上中沿交叉處;而間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的3種方案最大壓應(yīng)力值均為30.937 MPa，發(fā)生在－410 m水平1號進(jìn)路與下中沿交叉處，說明單條間隔雙條進(jìn)路掘進(jìn)時(shí)對圍巖的影響較小。從圖10來看，不同的掘進(jìn)方案，最大拉應(yīng)力值不同，單條進(jìn)路掘進(jìn)順序的3種方案中，第3種方案的最大拉應(yīng)力值最小，連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的3種方案最大拉應(yīng)力值均比單條進(jìn)路掘進(jìn)的3種方案最大拉應(yīng)力值小，方案六的最大拉應(yīng)力值比前面5種方案都小。間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的3種方案中，最大拉應(yīng)力波動范圍比較大，方案七最大拉應(yīng)力值最大，方案九中得到的拉應(yīng)力值6.655 1 MPa，為最小，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)閱螚l進(jìn)路掘進(jìn)和連續(xù)雙條進(jìn)路掘進(jìn)時(shí)，對圍巖的擾動大，間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)時(shí)，使原先的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，降低了應(yīng)力升高區(qū)，對圍巖的影響較小。

圖9 9種掘進(jìn)方案最大壓應(yīng)力值

圖10 9種掘進(jìn)方案最大拉應(yīng)力值

綜合9種方案的應(yīng)力變化情況，單條進(jìn)路掘進(jìn)時(shí)，方案三最優(yōu)。在掘進(jìn)過程中，先掘進(jìn)上中沿再掘進(jìn)下中沿要優(yōu)于先掘進(jìn)下中沿再掘進(jìn)上中沿。連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)時(shí)，方案六最優(yōu)。間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)時(shí)，方案九最優(yōu)。

4.2 安全系數(shù)分析

從圖11中可以看出，9種不同方案掘進(jìn)順序得到的最小安全系數(shù)有所差別，單條進(jìn)路掘進(jìn)和連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的6種掘進(jìn)順序最小安全系數(shù)均發(fā)生在－410 m水平1號進(jìn)路與上中沿交叉處，最小安全系數(shù)均為0.361 58，采用間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)順序時(shí)3種方案的最小安全系數(shù)均發(fā)生在－410 m水平1號進(jìn)路與下中沿交叉處，最小安全系數(shù)為0.379 45。通過對比9種方案的不同掘進(jìn)順序過程中最小安全系數(shù)，單條進(jìn)路掘進(jìn)和連續(xù)雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的6種掘進(jìn)方案最小安全系數(shù)在整個(gè)開挖過程中波動范圍較大，間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的3種方案最小安全系數(shù)波動范圍較小。綜合9種方案的最小安全系數(shù)以及最小安全系數(shù)在整個(gè)掘進(jìn)過程中的波動范圍大小可以得出間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)的3種方案掘進(jìn)順序最優(yōu)。

圖11 各掘進(jìn)方案最小安全系數(shù)

5 結(jié)論

(1)在無底柱分段崩落法的金屬礦山井下巷道掘進(jìn)過程中，遇到礦體特別厚大時(shí)進(jìn)路較長，采用布置1條上中沿和1條下中沿的聯(lián)井型巷道布置方式，能保證后續(xù)回采作業(yè)的高效進(jìn)行，提高礦山生產(chǎn)能力。

(2)通過多次進(jìn)行數(shù)值模擬，分析9種掘進(jìn)方案的最大主應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和最小安全系數(shù)，以及它們各自發(fā)生在模型的那個(gè)區(qū)域，表明開挖順序是交叉點(diǎn)圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵，間隔雙條進(jìn)路同時(shí)掘進(jìn)對圍巖擾動影響較小，方案九為最優(yōu)，建議在最小安全系數(shù)處的巷道實(shí)施快掘快支，加強(qiáng)該段巷道的支護(hù)。

(3)運(yùn)用比較成熟的Ansys有限元軟件對巷道的掘進(jìn)順序進(jìn)行數(shù)值模擬，可以方便、直觀地分析交叉點(diǎn)圍巖的受力情況及安全程度，為礦山選擇合理的巷道掘進(jìn)順序提供一定的參考。

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