首云鐵礦-76 m水平大斷面硐室施工及穩(wěn)定性分析

胡書橋 李兵磊 李永兵 嚴成濤

(1.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

首云鐵礦-76 m水平大斷面硐室施工及穩(wěn)定性分析

胡書橋1李兵磊1李永兵2嚴成濤1

(1.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

首云鐵礦沙場礦區(qū)-76 m水平機修硐室位于地質(zhì)圖7～8勘探線，硐室上方區(qū)域存在F21和F33斷層，圍巖比較破碎，在開挖過程中，受應(yīng)力釋放和調(diào)整的影響，硐室穩(wěn)定性較差。為此，采用導(dǎo)硐+天井、錨噴支護施工方案，基于3DEC數(shù)值模擬軟件對開挖支護過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，未支護前，硐室的最大位移量為60 mm，并出現(xiàn)楔形掉塊，錨噴支護后，硐室最大位移量為7 mm，取得了較好的施工效果。

大斷面機修硐室 導(dǎo)硐法施工 噴錨支護 穩(wěn)定性分析

隨著礦山無軌化的發(fā)展，地下機修硐室成為礦山井巷施工不可缺少的一部分。由于硐室埋深的加大、圍巖破碎、裂隙發(fā)育等狀況的出現(xiàn)，施工條件越來越復(fù)雜[1]。導(dǎo)硐法施工可以改善施工條件，同時可以有效地轉(zhuǎn)移和釋放圍巖應(yīng)力，擴大圍巖承載圈，在保護圍巖整體性的基礎(chǔ)上提高圍巖的承載能力[2]。但是，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面硐室導(dǎo)硐法施工技術(shù)、導(dǎo)硐施工參數(shù)優(yōu)化、二次支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、硐室穩(wěn)定性評價與預(yù)測等方面還缺少成熟的理論和技術(shù)[3]。

本文采用3DEC數(shù)值模擬軟件，通過理論分析與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對開挖前后硐室圍巖的穩(wěn)定性進行分析，對比施工前后硐室的應(yīng)力應(yīng)變情況，以圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況為依據(jù)，以力學(xué)分析為理論基礎(chǔ)，利用反分析原理進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計與施工。以期對同類硐室的設(shè)計、支護、施工等實際現(xiàn)場操作提供參考[4-5]。

1 工程地質(zhì)概況

首云鐵礦沙廠礦區(qū)周圍屬低山丘陵，地勢最高320 m，相對高差200 m。礦區(qū)內(nèi)礦石主要為磁鐵石英巖型，圍巖為各種片麻巖，礦體及頂?shù)装鍑鷰r均較破碎，穩(wěn)固性較差，礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造尤其是斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，小構(gòu)造較多。

機修硐室位于7～8勘探線，F(xiàn)21斷層位于7勘探線附近，傾向NNW，傾角70°～75°，走向70°；在礦區(qū)中部6～9勘探線，F(xiàn)33斷層傾向SE，傾角70°～80°，走向45°,為高角度壓扭曲性斷層，圍巖裂隙發(fā)育。

2 施工方案

采用天井至硐室頂部導(dǎo)硐施工，刷擴頂部成型并進行噴錨網(wǎng)支護，然后分層下降刷擴、支護，如圖1所示。設(shè)計掘進4條措施天井，為頂部刷擴平行作業(yè)提供了便利，有效減少了人工扒渣量，同時在硐室拱頂通風(fēng)方面也起到了一定作用。

圖1 機修硐室(單位：mm)

以現(xiàn)有導(dǎo)硐頂板作為自由面，向上掘進4個措施天井，接近主硐室設(shè)計斷面拱部位置；在軸向以小斷面貫通整個硐室頂部。將小斷面刷擴，拱部直接到達硐室設(shè)計拱頂輪廓，并及時按設(shè)計支護，以保證后續(xù)施工的安全。分次刷擴拱部，每次刷擴均達到設(shè)計規(guī)格，并及時支護。軸向上逐步推進，直至整個主硐室的拱頂全部刷擴并支護完畢。刷擴剩余措施天井井筒位置，使原導(dǎo)硐與上部已完成支護的拱頂連通。以渣堆為平臺，分次向下刷擴墻部，并及時按設(shè)計支護。詳細施工過程見圖2所示。

圖2 機修硐室施工方案流程(單位：mm)

硐室采用噴錨網(wǎng)支護，采用防水混凝土，噴混凝土厚150 mm，混凝土強度等級為C20，防水混凝土抗?jié)B等級為0.6 MPa。采用水泥藥卷錨固劑，φ20 mm×2.5 m鋼筋錨桿，露出巖面120 mm，按1 m×1 m呈梅花型布置，鋼筋網(wǎng)采用φ10 mm圓鋼編制，網(wǎng)格尺寸為250 mm×250 mm。倉庫區(qū)采用噴混凝土支護，厚100 mm，強度等級為C20。

3 硐室穩(wěn)定性數(shù)值模型及參數(shù)選取

離散單元法(Distinct Element Method)由美國學(xué)者Cundall于1971年提出[6]，經(jīng)過40余a的發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣[7]。與有限單元法相比，離散單元法采用顯式求解，計算時間相對比較短，尤其適用于非線性以及大變形位移問題的計算與分析[8]。

3.1 計算模型

根據(jù)工程地質(zhì)情況，選取最危險部分硐室為研究對象，計算模型尺寸為50 m(X軸)×3 m(Y軸)×60 m(Z軸)。礦體埋深約280 m，機修硐室凈尺寸(寬×高)9.3 m×12.15 m；錨噴支護厚度 150 mm。建立3DEC原始地質(zhì)數(shù)值計算模型如圖3所示。

3.2 計算模型參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，該典型段巖層主要為斜長片麻巖和磁鐵石英巖。根據(jù)巖石力學(xué)試驗，巖石破壞后產(chǎn)生弱化，強度有所降低，采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)強度準則：

τ=c+σtanφ,

(1)

圖3 原始地質(zhì)模型

式中,τ為正應(yīng)力σ作用下的極限剪應(yīng)力,MPa；c為巖石黏聚力,MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度時，材料將發(fā)生拉破壞，節(jié)理面特性主要考慮其法向剛度和切向剛度。數(shù)值模擬計算采用的巖體力學(xué)及結(jié)構(gòu)面參數(shù)見表1、表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)選擇

3.3 數(shù)值模型及模型邊界條件

以Z=60 m的面為應(yīng)力邊界面，施加垂直壓應(yīng)力，應(yīng)力值為上覆巖層重量，并隨深度增加而等梯度增加。在Z=0 m、X=-25 m、X=25 m、Y=-1.5 m 和Y=1.5m的面上均為位移邊界，限制節(jié)點的位移。

在不考慮構(gòu)造應(yīng)力作用下，計算模型自重應(yīng)力場分布如圖4所示，應(yīng)力場只受巖體自重的影響，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力隨著深度的增加而增加。由圖4可知，初始計算模型底部-312.15m處最大自重應(yīng)力值約8.6MPa。

4 硐室穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 圍巖開挖影響分析

圖5為硐室上方監(jiān)測點的位移變化曲線，圍巖產(chǎn)生較大的位移，約6cm，且位移向礦體開采后形成的臨空面方向發(fā)展。

圖6為硐室開挖后圍巖位移分布情況。硐室左上方位移破裂區(qū)域最大，且以拉伸破壞為主；硐室頂板和地板均產(chǎn)生不同程度的拉伸破壞，局部出現(xiàn)剪切破壞。在臨近地下空間時，最大主應(yīng)力逐漸與臨空面平行，而最小主應(yīng)力逐漸消失為零。采場兩幫巖體基本處于單軸壓縮狀態(tài)。在頂板和地板處，角度較小處形成了局部應(yīng)力集中區(qū)，角度較大處形成了局部應(yīng)力釋放區(qū)。

圖4 垂直方向應(yīng)力分布

圖5 監(jiān)測點位移變化曲線

圖6 Z方向位移云圖

4.2 錨噴支護后圍巖、錨桿及噴漿內(nèi)襯受力狀況分析

硐室開挖后及時采用錨噴支護，其中錨桿長度為2.5 m，噴漿厚度為150 mm。為了更好的研究支護后的效果，只考慮了位移變化情況。具體如圖7所示。

由圖7可知，硐室開挖后及時進行錨噴支護，錨桿起到了懸掛作用，錨桿最大沉降量為5 mm，在錨桿的有效范圍內(nèi)，有效抑制了圍巖的位移。硐室支護后，硐室圍巖Z方向最大位移量為7 mm，監(jiān)測點位移量為5.8 mm，如圖8、圖9所示。沉降量的范圍均在工程允許的標準范圍之內(nèi),再次證明了采用錨噴支護的方案是安全有效的。同時，也證明了支護方案的合理性。

5 結(jié) 論

通過采用3DEC程序?qū)鲜曳€(wěn)定性進行分析可知，支護前硐室的最大沉降為60 mm，其塑性區(qū)域影響范圍較大。錨噴支護后，抑制了硐室的塑性變形，其最大沉降量為7 mm。揭示了硐室開挖后，硐室圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況，為機修硐室開挖方案的確定提供了理論支持。

圖7 錨桿位移云圖

圖8 監(jiān)測點位移變化曲線

圖9 支護后Z方向位移云圖

通過對比支護前后硐室圍巖應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，可以有效預(yù)測工程穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢，為決定維修加固的必要性和時機提供了可靠的理論與技術(shù)保障，可以大大降低工程造價、保證硐室的穩(wěn)定和使用壽命，降低維修率，有效降低工程成本。具有顯著的經(jīng)濟技術(shù)效益。

[1] 石廣斌,李寧高.地應(yīng)力下大型地下硐室塊體變形特征及其穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(S1):2884～2890.

[2] 毛萬發(fā).錨噴網(wǎng)支護技術(shù)在大型硐室的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2007,16(12)：79-80.

[3] 齊軍朋,孟 鑫,葛德志.深井大型硐室支護設(shè)計與施工[J].煤炭技術(shù)，2011,30(3)：127-129.

[4] 桂慧中.地下銅室圍巖穩(wěn)定及錨固分析[D].武漢:武漢大學(xué)，2005.

[5] 劉傳孝.無人工作面開采堅硬頂板沖擊運動的3DEC數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué),2004，25(S)：285-188.

[6] 王衛(wèi)華,李夕兵,胡盛斌.模型參數(shù)對3DEC動態(tài)建模的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005，24(1):4790-4797.

[7] A John, Hudson. Engineering Rock Mechanics[M]. Redwood Books Press, 1997.

[8] 王泳嘉,刑紀波.離散單元法及其在巖土力學(xué)中的應(yīng)用[M].沈陽:東北工學(xué)院出版社，1992.

Stability Analysis and Construction of the Chamber of Shouyun Iron -76 m Level Large Scale Section

Hu Shuqiao1Li Binglei1Li Yongbing2Yan Chengtao1

(1. Jinchengxin Mining Management Co., Ltd.;2. School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing)

The -76 m level machine repair chamber in shachang mining area of shouyun mining is located between the exploration lines 7 and 8 F21and F33faults are existing above the regional chamber, and the surrounding rock is broken, in the process of excavation, under the condition of the stress release and adjustment, the stability of chamber is poor. Thus, the support construction program of pilot tunnels+patio and shotcrete is proposed, the process of excavation and support are numerical simulated by suing 3DEC numerical simulation software. The simulation results show that, before supporting, the maximum displacement of the chamber is 60 mm, while the maximum displacement chamber is 7 mm by taking the above supporting measures, so the perfect support effect is obtained. The research results in this paper can provide the basis for determining supporting parameters and construction of chamber under the similar engineering geological condition in non-coal mines.

Large section mechanical chamber, Construction by pilot-tunneling method, Shotcrete-bolt support, Stability analysis

2014-11-11)

胡書橋(1968—)，男，副經(jīng)理，工程師，101500北京市密云縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)水源西路28號。