擾動(dòng)下含接觸帶巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)及控制研究

唐禮忠，陳源，鄧麗凡，高龍華，翦英驊

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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擾動(dòng)下含接觸帶巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)及控制研究

唐禮忠，陳源，鄧麗凡，高龍華，翦英驊

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

摘要:基于冬瓜山銅礦深部出礦巷道其復(fù)雜的賦存條件和“高應(yīng)力+動(dòng)力擾動(dòng)”這的應(yīng)力環(huán)境，巷道破壞嚴(yán)重，現(xiàn)行支護(hù)技術(shù)和方法不能滿足需要。為保證礦山安全生產(chǎn)，有必要進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)接觸帶位于巷道頂板、側(cè)幫2種工況提出不同支護(hù)優(yōu)化方案，利用大型通用軟件ABAQUS對(duì)優(yōu)化方案數(shù)值分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性，有效地控制巷道圍巖變形，可供礦山巷道支護(hù)參考。

關(guān)鍵詞：出礦巷道；動(dòng)力擾動(dòng)；接觸帶；數(shù)值模擬；支護(hù)優(yōu)化

礦山進(jìn)入深部開采后，巖體處在“高應(yīng)力+動(dòng)力擾動(dòng)”這種復(fù)雜受力狀態(tài)下，表現(xiàn)出與淺部巖體不同的新現(xiàn)象，如巖爆、巖體大面積坍塌以及硐室失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害問題[1-3]。此外，深部巖體賦存的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如巷道位于不同巖性的巖層之中、含軟弱夾層或接觸帶等，表現(xiàn)出更復(fù)雜的變形特性。在軟弱夾層對(duì)巷道穩(wěn)定影響方面，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了研究，如張志強(qiáng)等[4]研究了頂部分布有軟弱夾層隧道的圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，得出了不同分布距離軟弱夾層對(duì)圍巖變形、應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響的一些量化成果；楊建平等[5]研究了深部軟巖即軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性，提出了軟弱夾層的破壞準(zhǔn)則及其損傷演化模型；郭福利等[6]通過建立力學(xué)模型，探討了含軟弱夾層圍巖變形的形成演化過程，揭示了高應(yīng)力條件下軟弱夾層引起圍巖變形失穩(wěn)的機(jī)理；張農(nóng)等[7]研究了軟弱夾層滲水泥化對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，提出了針對(duì)軟弱夾層滲水泥化巷道的安全控制對(duì)策。但是以上研究尚未考慮“高應(yīng)力+動(dòng)力擾動(dòng)”這種復(fù)雜受力狀態(tài)下，改變軟弱夾層的位置對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，因此，研究在高應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)條件下，接觸帶對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響及其控制措施有著重要意義。本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)冬瓜山銅礦出礦巷道頂板和側(cè)幫分別含接觸帶2種工況圍巖力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，研究動(dòng)力擾動(dòng)下接觸帶位置對(duì)巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)范圍的影響，并提出相應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化方案，為礦山實(shí)際提供參考。

1工程概況

冬瓜山銅礦是國(guó)內(nèi)的大型深埋銅礦[8]，其-760 m水平52線11～12采場(chǎng)的出礦巷道的部分區(qū)段穿過蛇紋巖與矽卡巖的接觸帶或位于接觸帶附近的巖層中，現(xiàn)行支護(hù)方式為錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土的支護(hù)，如圖1所示，錨桿長(zhǎng)度為1.8～2.0 m，網(wǎng)度為1.0 m×1.0 m，外徑為40 mm，金屬網(wǎng)片大小為2 m×3 m，直徑6 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，噴層厚度為100 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C20。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，接觸帶位于巷道頂板上部時(shí)，頂板巖層冒落現(xiàn)象常見，破壞處噴層剝落，部分錨桿出露或被拉斷等；接觸帶位于巷道側(cè)幫時(shí)，側(cè)幫巖層極易發(fā)生分離，形成破裂面，這些都給礦山的安全造成了很大的威脅。圖2(a)顯示巖層間存在夾層接觸帶，呈水平賦存，圖2(b)顯示接觸帶位于側(cè)幫上，與水平方向呈30°賦存。

圖1　出礦巷道現(xiàn)行支護(hù)形式Fig.1 Current support method of ore-drawing roadway

(a)呈水平賦存；(b)與水平方向呈30°賦存圖2　接觸帶賦存情況Fig.2 Existing conditions of contact zone

2數(shù)值模型的建立

利用大型通用軟件ABAQUS建立模型，模型大小為18 m×20 m，出礦巷道斷面形狀為直墻三心拱型，直墻高2.25 m,拱高1.5 m，寬度4.5 m，接觸帶以?shī)A層形式存在，呈近水平和30。賦存，厚度約為0.5 m，距巷道頂板中點(diǎn)的距離約為1 m，數(shù)值分析模型見圖3，巖體和接觸帶的力學(xué)參數(shù)見表1。采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則[9]。模擬分3步計(jì)算： 1)根據(jù)條件施加初始應(yīng)力算至平衡，得到原巖應(yīng)力場(chǎng)；2)巷道開挖，應(yīng)力重新分布，并進(jìn)行支護(hù)；3)在模型上部邊界施加剪切應(yīng)力波，采用三維黏彈性人工邊界[10-12]設(shè)置，開啟動(dòng)力分析計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為0.5 s。根據(jù)北京有色冶金設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行的冬瓜山銅礦原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，采用-760 m水平處的原巖應(yīng)力，垂直應(yīng)力為21 MPa,水平應(yīng)力為36 MPa。根據(jù)文[13]提供的計(jì)算方法，參照冬瓜山銅礦爆破設(shè)計(jì)側(cè)邊孔設(shè)計(jì)參數(shù)，可取擾動(dòng)峰值為30 MPa，剪切應(yīng)力波取荷載波形中諧波的一段。

(a)接觸帶位于巷道頂板；(b)接觸帶位于巷道側(cè)幫圖3　數(shù)值分析模型Fig.3 Numerical calculation model

巖層密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比黏結(jié)力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)矽卡巖400539.440.266.0546.81夾層20006.00.21.336.62蛇紋巖349824.840.274.0444.54

模擬支護(hù)時(shí)，錨桿用truss單元模擬，鋼筋網(wǎng)和混凝土用shell單元進(jìn)行模擬，通過“model change”關(guān)鍵字控制錨噴網(wǎng)單元襯砌的施加，具體參數(shù)見表2。因?yàn)殄^桿是全長(zhǎng)錨固型，通過嵌入式“embedded”方法使錨桿與圍巖連接起來，而鋼筋網(wǎng)和混凝土與圍巖通過“tie”連接。

表2　襯砌材料參數(shù)

3結(jié)果分析

(a)接觸帶呈水平賦存最大主應(yīng)力云圖；(b)接觸帶呈水平賦存塑性區(qū)分布圖；(c)接觸帶與水平方向呈30°賦最大主應(yīng)力云圖；(d)接觸帶與水平方向呈30°賦存塑性區(qū)分布圖圖4　未支護(hù)時(shí)巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布圖Fig.4 Maximum principal stress and plastic zone of surrounding rock before support

圖4為未支護(hù)時(shí)巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布，可以看出，接觸帶位于側(cè)幫上和頂板上相比，巷道圍巖最大主應(yīng)力在變化，且拉應(yīng)力區(qū)域范圍在縮小，頂板塑性區(qū)向接觸帶上轉(zhuǎn)移，底板塑性區(qū)減小，說明接觸帶位置對(duì)應(yīng)力波具有衰減作用，因此不同工況下的巷道的支護(hù)方案不能千篇一律，應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)條件。3.1接觸帶在巷道頂板上部時(shí)

3.1.1優(yōu)化前結(jié)果分析

圖5為現(xiàn)有支護(hù)下巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖，從圖4(a)和4(b)及圖5可以看出，未支護(hù)時(shí)最大拉應(yīng)力區(qū)域和塑性區(qū)主要集中在巷道頂板、底板和接觸帶附近；在現(xiàn)有支護(hù)形式下，巷道頂板、底板和接觸帶附近的最大拉應(yīng)力區(qū)域有所減小，巷道圍巖塑性區(qū)范圍也有所減小，但變化不是很明顯。說明現(xiàn)行支護(hù)起到了一定的支護(hù)效果，但根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)破壞情況及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，此支護(hù)措施并不是理想的方案。原因可能是頂板上的錨桿并沒有完全穿過接觸帶，以致錨桿沒有很好的發(fā)揮錨固作用，沒有足夠的承載力維持巷道圍巖的穩(wěn)定性；底板沒有設(shè)置錨桿，導(dǎo)致有較大塑性區(qū)區(qū)域，所以出礦巷道在這種地質(zhì)條件下，為保證礦山安全生產(chǎn)，需要優(yōu)化現(xiàn)行支護(hù)方案。

(a)最大主應(yīng)力云圖；(b)塑性區(qū)分布圖圖5　現(xiàn)有支護(hù)下巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布圖Fig.5 Maximum principal stress and plastic zone of surrounding rock under the current support method

3.1.2優(yōu)化后結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)行支護(hù)布置和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，頂板上的錨桿端部沒有穿透到上部巖層，起不到錨固作用，需要增加錨桿長(zhǎng)度；其次現(xiàn)場(chǎng)頂板冒落破壞現(xiàn)象，說明要加強(qiáng)頂板支護(hù)；最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定松動(dòng)圈厚度范圍，如圖6所示。綜合以上因素，改變錨桿長(zhǎng)度、數(shù)量及布置方式，同時(shí)加大混凝土強(qiáng)度等級(jí),如圖7所示。

圖6　松動(dòng)圈厚度圖Fig.6 Thickness of loose zone

圖7　支護(hù)優(yōu)化后的形式Fig.7 Form of support after optimization

圖8為支護(hù)優(yōu)化后巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖，將圖8和圖5進(jìn)行對(duì)比，可以看出：優(yōu)化后，拉應(yīng)力區(qū)域主要集中在錨桿上，且錨桿上的最大主應(yīng)力達(dá)到32.12 MPa；巷道頂板圍巖中拉應(yīng)力和兩幫圍巖中壓應(yīng)力值較優(yōu)化前減小了很多；巷道圍巖的塑性區(qū)主要分布在接觸帶上部區(qū)域、巷道底板及與兩幫的交角處，各錨桿端部也有部分塑性區(qū)，而頂板塑性區(qū)范圍減小了很多。說明優(yōu)化后錨桿較好的發(fā)揮其作用，提供較大的承載力，減小圍巖的應(yīng)力集中，保證圍巖的穩(wěn)定性，達(dá)到了支護(hù)優(yōu)化的目的。

表3為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化沉降值，可以看出：現(xiàn)行支護(hù)下的位移值較未支護(hù)時(shí)減小，頂板位移由45.48 mm減小為32.69 mm，減小量達(dá)到28%左右，兩幫位移由45.21 mm減小為35.45 mm，減小量達(dá)到22%；支護(hù)優(yōu)化后的位移值較優(yōu)化前大幅度減小，頂板和兩幫的位移值分別為15.34和18.66 mm，減小量分別是優(yōu)化前的53%和47%；底板區(qū)域未設(shè)置錨桿，位移變化不明顯，但也有減小的趨勢(shì)。說明現(xiàn)行支護(hù)起到一定效果，但效果不明顯，優(yōu)化后，巷道頂板及兩幫位移變形得到有效的控制，優(yōu)化方案可行，可供礦山實(shí)際參考。

(a)最大主應(yīng)力云圖；(b)塑性區(qū)分布圖圖8　支護(hù)優(yōu)化后巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布圖Fig.8 Maximum principal stress and plastic zone of surrounding rock after optimization

支護(hù)情況頂板中點(diǎn)位移/mm兩幫中點(diǎn)位移/mm底板中點(diǎn)位移/mm未支護(hù)45.4845.2138.15支護(hù)優(yōu)化前32.6935.4532.19支護(hù)優(yōu)化后15.3418.6630.21

3.2接觸帶在巷道側(cè)幫上時(shí)

3.2.1支護(hù)優(yōu)化前結(jié)果分析

圖9為現(xiàn)有支護(hù)下的巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖，從圖4(c)，4(d)和圖9中可以看出：在現(xiàn)有支護(hù)形式作用下，巷道頂板最大拉應(yīng)力值有所減小，巷道底板拉應(yīng)力區(qū)域無明顯變化；而塑性區(qū)和未支護(hù)相比，塑性區(qū)范圍明顯減小，支護(hù)后塑性區(qū)主要集中在靠近接觸帶的巷道頂板及部分接觸帶中間區(qū)域，在巷道底板中并沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。原因是接觸帶位置對(duì)應(yīng)力波具有衰減作用，削弱了對(duì)巷道的破壞，因此出礦巷道在這種的地質(zhì)條件下，支護(hù)方案應(yīng)發(fā)生變化，不能和3.1一樣。

(a)最大主應(yīng)力云圖；(b)塑性區(qū)分布圖圖9　支護(hù)后巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布圖Fig.9 Maximum principal stress and plastic zone of surrounding rock under the current support method

3.2.2支護(hù)優(yōu)化后結(jié)果分析

針對(duì)接觸帶位于巷道側(cè)幫上時(shí)，在現(xiàn)行支護(hù)下巖層極易發(fā)生分離、片幫等問題并結(jié)合3.2.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)巷道頂板左側(cè)錨桿沒有完全穿過接觸帶，錨桿沒法發(fā)揮其作用，導(dǎo)致該部分應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力區(qū)域，使得該區(qū)域巖體發(fā)生剪切破壞帶動(dòng)頂板冒落。因此，通過優(yōu)化該區(qū)域的錨桿布置，使其穿透接觸帶，延伸到上部堅(jiān)硬的巖層中，同時(shí)改善巷道兩幫的錨桿布置方式，具體措施如圖10所示。

圖10　支護(hù)優(yōu)化后的形式Fig.10 Form of support after optimization

圖11為支護(hù)優(yōu)化后巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布圖，從圖11中可以看出：最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)錨桿上，達(dá)到51.94 MPa；巷道頂板以拉應(yīng)力為主，其數(shù)值較優(yōu)化前的小，巷道左幫以壓應(yīng)力形式存在；優(yōu)化后，塑性區(qū)較優(yōu)化前范圍明顯縮小，分布區(qū)域主要在接觸帶上。

圖11　支護(hù)優(yōu)化后巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布圖Fig.11 Maximum principal stress and plastic zone of surrounding rock after optimization

表4為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化沉降值，可以看出：現(xiàn)行支護(hù)下巷道位移值較未支護(hù)時(shí)都減小，頂板位移由41.64 mm減小為36.96 mm，減小量達(dá)到11%左右，左幫位移由40.45 mm減小為34.32 mm，減小量為15%，右?guī)臀灰朴?0.02 mm減小為33.32 mm，減小量為16%；支護(hù)優(yōu)化后的位移值較優(yōu)化前大幅度減小，頂板和兩幫的位移值分別為18.47，19.7和22.52 mm，減小量分別是優(yōu)化前的50%，43%和32%。說明在此特殊地質(zhì)情況下，支護(hù)優(yōu)化方案起到明顯的支護(hù)效果，達(dá)到控制圍巖變形的目的，可供礦山實(shí)際參考。

表4　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

4結(jié)論

1)出礦巷道的支護(hù)方法選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)條件，接觸帶位置對(duì)應(yīng)力波的傳播、巷道應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布等有一定的影響，如接觸帶位于側(cè)幫上時(shí)對(duì)應(yīng)力波傳播的衰減作用較接觸帶位于頂板時(shí)明顯。

2)礦山目前使用的支護(hù)形式具有一定效果，如巷道圍巖的應(yīng)力集中及位移變形較未支護(hù)時(shí)都有所減小，但是減小量并不明顯，因此有必要針對(duì)這2種工況提出不同支護(hù)優(yōu)化方案。

3)支護(hù)優(yōu)化后，巷道頂板及兩幫的位移值大幅度減小，相比優(yōu)化前，位移最大減小量達(dá)到50%，說明支護(hù)優(yōu)化后巷道圍巖的應(yīng)力及位移變形得到有效的控制，為改善現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)提供一定的參考意義。

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(編輯陽(yáng)麗霞)

The mechanical response features and control of surroundingrock with contact zone under dynamic disturbance

TANG Lizhong, CHEN Yuan, DENG Lifan, GAO Longhua, JIAN Yinghua

(School of Resources & Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract:Based on the fact that the ore-drawing roadway is seriously damaged and its current support techniques and methods can not meet the requirements due to its complex occurrence condition and stress environment of high stress with dynamic disturbance in Dongguashan Copper mine . In order to ensure the safe production, it is necessary to conduct optimization design of supporting structures. In view of two kinds of working conditions, which the contact zone is located in the roadway roof or side , putting forward different optimization scheme and using the finite element software ABAQUS to numerical analysis of the optimization program. It is verified that the optimized scheme is rational and the deformation of surrounding rock is effectively controlled. The conclusion can provide a reference for the mine roadway support.

Key words:ore-drawing roadway; dynamic disturbance; contact zone; numerical simulation; support optimization

中圖分類號(hào)：TU452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)02-0309-07

通訊作者：唐禮忠(1963-)，男，四川德陽(yáng)人，教授，博士，從事巖石力學(xué)與地下空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及工程地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的教學(xué)與研究；E-mail:lztang11@csu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB732004)

收稿日期：2015-06-15