陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司巷道地壓分析

李龍偉

（陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司，陜西 鳳縣 721707）

陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司巷道地壓分析

李龍偉

（陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司，陜西 鳳縣 721707）

隨著鉛硐山井下開采逐漸向深部延伸，采礦受采空區(qū)、斷層等地壓影響越來越大，部分中段巷道出現(xiàn)片幫、頂板開裂、底鼓等現(xiàn)象。本文主要通過建立模型，進(jìn)行深入研究、分析，得出巷道應(yīng)力分布，獲得各中段巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律。

巷道；地壓；模型；應(yīng)力

陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司1 330中段以上礦體現(xiàn)已基本回采結(jié)束，目前主要進(jìn)行深部礦體的開采。1 330中段以上的采空區(qū)已被千枚巖或廢石充填，現(xiàn)在1 330中段礦體走向西端附近（礦體鞍部）出現(xiàn)北側(cè)巷道底鼓、片幫和南側(cè)局部幫墻頂板開裂、片幫等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，對(duì)回收1 330中段以下礦體造成安全威脅。為了弄清1 330中段巷道地壓顯現(xiàn)的原因，探索深部礦體開采時(shí)中段巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律，筆者建立了地壓模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，得到中段巷道應(yīng)力分布規(guī)律，從而有效防治地壓影響較大的區(qū)域，使礦山更安全、更穩(wěn)定、更有效地發(fā)展。

1 計(jì)算模型檢驗(yàn)

1.1 巖體力學(xué)參數(shù)及分析

巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)伍法權(quán)的《統(tǒng)計(jì)巖體力學(xué)原理》，在上述圍巖計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，容重折減為1/1.4，泊松比不變，彈性模量折減為1/70，內(nèi)摩擦角折減為1/6，其他參數(shù)折減為1/10，分別得到上、下盤圍巖的弱化參數(shù)[1]。采場充填體是上、下盤圍巖的混合物，按照上、下盤圍巖的弱化參數(shù)取平均值得到采場充填體的參數(shù)。由于千枚巖的抗拉強(qiáng)度最低，為了讓斷層切斷巷道北側(cè)圍巖的計(jì)算效果更明顯，按千枚巖的參數(shù)，彈性模量折減系數(shù)取1/2、抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)取1/10，抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)取1/3，內(nèi)摩擦角折減系數(shù)取2/5，內(nèi)聚力折減系數(shù)取1/2，泊松比與密度不折減，得到斷層建模的物理、力學(xué)參數(shù)[2]。

1.2 模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查，在重力應(yīng)力場下選取典型剖面建立礦體開采的數(shù)值計(jì)算模型，不計(jì)地震、地表降雨及河流等水力學(xué)特征的影響。斷層取正常單元的尺寸0.5×0.5×0.5，在1 330 m巷道北側(cè)幫墻上建立一條斷層，并輸入表1的斷層參數(shù)，模擬斷層對(duì)巷道開挖的影響。應(yīng)力分布圖表中，拉應(yīng)為“+”，壓應(yīng)為“-”，單位為Pa[2-3]。

1.3 模型驗(yàn)證分析

按照井下實(shí)際情況及開采順序，分兩種情況實(shí)施開采。

（1）鞍部礦體開采時(shí)，①開采鞍部礦體，②開挖形成1 330 m中段巷道，③開挖形成1 280 m中段巷道，④開采1 330 m中段巷道北側(cè)礦體，⑤開采1 330 m中段巷道南側(cè)礦體；

（2）鞍部礦體不開采時(shí)，①開挖形成1 330m中段巷道，②開挖形成1 280 m中段巷道，③開采1 330 m中段巷道北側(cè)礦體，④開采1 330 m中段巷道南側(cè)礦體。

按照上述兩種情況，數(shù)值模擬淺部1 330 m中段巷道及其周邊礦體的整個(gè)開采（挖）過程，得到1 330 m、1 280 m、1 230 m中段巷道的應(yīng)力分布分別見表2、表3。

表2 鞍部有采空區(qū)時(shí)中段巷道應(yīng)力分布

表3 鞍部無采空區(qū)時(shí)中段巷道應(yīng)力分布

結(jié)果表明，按照目前實(shí)際開采（挖）順序，無論鞍部是否有采空區(qū)，1 330m中段巷道北側(cè)底部與幫墻、南側(cè)頂部與幫墻都存在大面積受拉區(qū)域，最大拉應(yīng)力值介于2.10～2.71 MPa之間，均超過灰?guī)r抗拉強(qiáng)度的69.5%。巷道在長期暴露或后期不充分預(yù)應(yīng)力支護(hù)的情況下，會(huì)發(fā)生疲勞拉應(yīng)力破壞，出現(xiàn)北側(cè)片幫和底鼓，南側(cè)幫墻或頂板開裂、片幫等現(xiàn)象。隨著開采深度增加，1 280 m中段巷道北側(cè)幫墻和頂角受拉應(yīng)力，個(gè)別點(diǎn)最大拉應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa，這些拉應(yīng)力不超過灰?guī)r抗拉強(qiáng)度的49.7%，但在長期疲勞作用下也會(huì)造成巷道在北側(cè)幫墻和頂角局部發(fā)生開裂、片幫或冒落；類似地，鞍部采空時(shí)底板局部出現(xiàn)受拉底鼓。1 230 m中段巷道底板均微弱受拉，最大拉應(yīng)力不超過0.71 MPa，僅為灰?guī)r抗拉強(qiáng)度的3.3%，遠(yuǎn)低于發(fā)生疲勞拉應(yīng)力破壞的強(qiáng)度，在長期疲勞作用下巷道不會(huì)發(fā)生明顯破壞；類似地，鞍部采空時(shí)頂板局部不會(huì)受拉冒落。從表2、表3的比較分析來看，1 330 m中段巷道頂板局部卸壓后，南側(cè)采空區(qū)與鞍部采空區(qū)未連通，導(dǎo)致頂板應(yīng)力沿兩采空區(qū)的隔離巖層向1 330 m中段巷道的南側(cè)頂角集中施壓，使南側(cè)頂角拉應(yīng)力略微增大，北側(cè)底腳拉應(yīng)力略微減小[4]。

2 淺部開采的巷道地壓顯現(xiàn)原因分析

為了準(zhǔn)確分析淺部巷道破壞的原因，筆者建立了數(shù)值模擬的計(jì)算模型[5]，并按生產(chǎn)實(shí)際開采（開挖）順序，分1 330 m中段巷道以上的鞍部礦體開采及不開采兩種情況，逐步模擬1 330 m中段巷道形成后，礦體開采引起1 330 m中段巷道的應(yīng)力分布。

2.1 開采1 330 m中段巷道以上的鞍部礦體

①開挖形成1 330 m中段巷道，②開挖形成1 280 m中段巷道，③開采1 330 m中段巷道北側(cè)礦體，④開采1 330 m中段巷道南側(cè)礦體，⑤南側(cè)與鞍部采通。開采（挖）后1 330 m中段巷道的應(yīng)力分布分別見圖1、表4～6。

圖1 1 330 m中段巷道形成的應(yīng)力分布

表4 北側(cè)礦體開采后巷道的應(yīng)力分布

表5 南側(cè)礦體開采后巷道的應(yīng)力分布

表6 南側(cè)礦體與鞍部礦體之間開采貫通后的應(yīng)力分布

結(jié)果表明，1 330 m巷道以上的鞍部礦體采空后，開挖1 330 m巷道相當(dāng)于在垂直應(yīng)力的局部卸載狀態(tài)下開挖，巷道周邊處于小壓應(yīng)力狀態(tài)，使巷道處于整體受壓的三向應(yīng)力狀態(tài)，有利于巷道的完整、穩(wěn)定；北側(cè)礦體開采后，1 330 m中段巷道南部頂角及幫墻、北部底板及幫墻拉應(yīng)力急劇上升，增大到2.09～2.67 MPa，拉應(yīng)力達(dá)到巖體抗拉強(qiáng)度的69.2%～88.4%，在長期暴露下或錨網(wǎng)無預(yù)應(yīng)力支護(hù)時(shí)必將發(fā)生開裂、底鼓及局部垮落等地壓顯現(xiàn)；南側(cè)礦體繼續(xù)開采后，因無斷層貫通南側(cè)采空區(qū)及1 330 m中段巷道，1 330 m中段巷道南部頂角及幫墻、北部底板及幫墻拉應(yīng)力繼續(xù)微弱增大到2.10～2.71 MPa，增大值不超過1.5%，也就是說南側(cè)采空對(duì)1 330 m中段巷道的穩(wěn)定性影響很微弱；假若南側(cè)采空區(qū)與頂部采空區(qū)貫通，南、北側(cè)采空區(qū)與頂部采空區(qū)共同形成一近似門字的卸圧拱，1 330 m中段巷道南部頂角及幫墻拉應(yīng)力降低達(dá)46.9%，北部底板及幫墻拉應(yīng)力降低達(dá)64.3%，這說明采空區(qū)貫通而形成的門字形卸壓拱，對(duì)淺部巷道的卸壓效果很明顯[6]。

2.2 開采1 330 m中段巷道以上的鞍部礦體并假設(shè)無斷層

類似上述步驟開挖，只假設(shè)無斷層切割1 330 m中段巷道及北側(cè)礦體，計(jì)算結(jié)果見表7、表8和表9。

表7 1 330 m中段巷道形成的應(yīng)力分布

表8 北側(cè)礦體開采后的1 330 m中段巷道應(yīng)力分布

表9 南側(cè)礦體開采后的1 330 m中段巷道應(yīng)力分布

對(duì)應(yīng)比較表7、表8、表9與圖1、表4、表5、表6，發(fā)現(xiàn)沒有斷層切割，鞍部以下的北側(cè)礦體開采前，由于北側(cè)不整體東南移動(dòng)，1 330 m中段巷道的圍巖整體壓應(yīng)力略有降低，底板顯現(xiàn)微弱受拉；其他各步采動(dòng)，1 330 m中段巷道的圍巖應(yīng)力變化趨勢相同，只是拉應(yīng)力絕對(duì)值相比無斷層時(shí)南幫及頂幫略微降低，北側(cè)幫墻和底板基本相同。出現(xiàn)這種地壓顯現(xiàn)，是由于無斷層切割時(shí)南側(cè)幫墻及頂板的彎曲拉伸作用減小，因而拉應(yīng)力略微降低[7]；另外，下盤圍巖是強(qiáng)度相對(duì)偏低的灰?guī)r，礦體開采的移動(dòng)角取60°可能偏大，導(dǎo)致巷道離礦體下盤分界線10 m時(shí)就處在移動(dòng)帶內(nèi)。從表8和表9來看，巷道應(yīng)布置在礦體下盤分界線以外不小于15 m處。

2.3 1 330 m中段巷道以上的鞍部礦體不開采

第一部開挖形成1 330 m巷道，第二部開挖形成1 280 m巷道，第三部開采1 330 m巷道北側(cè)礦體，第四部開采1 330 m巷道南側(cè)礦體，第五步對(duì)1 330 m巷道錨網(wǎng)支護(hù)。開采（挖）后1 330 m巷道的應(yīng)力分布分別見表10～13。

表10 1 330 m中段巷道形成的應(yīng)力分布圖

表11 北側(cè)礦體開采后巷道的應(yīng)力分布圖

表12 南側(cè)礦體開采后巷道的應(yīng)力分布圖

表13 預(yù)應(yīng)力錨桿加固1 330 m中段巷道的應(yīng)力分布圖

結(jié)果表明，1 330 m巷道以上的鞍部礦體不開采，開挖1 330 m巷道時(shí)由于幫墻的支承壓力向底板傳遞，巷道底板中部受拉，最大拉應(yīng)力達(dá)到1.1 MPa，達(dá)灰?guī)r抗拉強(qiáng)度的36.4%，在這種幅度的拉應(yīng)力長期疲勞破壞下會(huì)發(fā)生底鼓；北側(cè)礦體開采后，1 330 m中段巷道南部頂角及幫墻、北部底板及幫墻拉應(yīng)力急劇增大到2.0～2.42 MPa，達(dá)到灰?guī)r抗拉強(qiáng)度的66.2～80.1%，在長期暴露下或錨網(wǎng)無預(yù)應(yīng)力支護(hù)時(shí)必將發(fā)生開裂、底鼓及局部垮落等地壓顯現(xiàn)；南側(cè)礦體繼續(xù)開采后，1 330 m中段巷道南部頂角及幫墻、北部底板及幫墻拉應(yīng)力繼續(xù)微弱增大到2.10～2.42 MPa，增大值不超過5%，這同樣說明南側(cè)采空對(duì)1 330 m中段巷道的穩(wěn)定性影響很微弱；假若預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)1 330 m中段巷道，預(yù)應(yīng)力為8 kN時(shí)南部頂角及幫墻拉應(yīng)力降低29.8%，北部底板及幫墻拉應(yīng)力降低19.0%；預(yù)應(yīng)力為32 kN（約3.27噸力）時(shí)南部頂角及幫墻拉應(yīng)力降低38.0%，北部底板及幫墻拉應(yīng)力降低28.6%，這也說明用帶彎鉤而不施加預(yù)應(yīng)力的樹脂錨網(wǎng)支護(hù)該類巷道基本不起作用，為了控制這類巷道的地壓，施加很小的預(yù)應(yīng)力（8 kN）就會(huì)起到很好的效果（拉應(yīng)力降低19.0～29.8%），施加約3噸力的預(yù)應(yīng)力時(shí)拉應(yīng)力可降低1/3以上[2]。

3 結(jié)論

（1）1 330 m中段巷道發(fā)生底鼓、片幫、冒頂，是由于地壓長期作用而發(fā)生疲勞拉應(yīng)力破壞的結(jié)果。

（2）北側(cè)礦體開采直接導(dǎo)致1 330 m中段巷道南部頂角及幫墻、北部底板及幫墻拉應(yīng)力急劇增大，這是1 330 m巷道發(fā)生破壞的主要原因。從表8、表9及表4～6、表10～13分析來看，無斷層切割時(shí)巷道應(yīng)布置在礦體下盤分界線以外不小于15 m處，有斷層切割時(shí)還應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)。

（3）由于南側(cè)礦體無斷層與巷道貫通，其開采對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響微弱。

（4）鞍部礦體采空，有利于1 330 m中段巷道卸壓；若南、北側(cè)礦體開采的采空區(qū)能都與鞍部采空區(qū)貫通而形成拱形（門字形）采空區(qū)，卸壓效果將更明顯。

1 伍法權(quán).統(tǒng)計(jì)巖體力學(xué)原理[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1993.

2 蔡勝海.FLAC3D斷層模擬中接觸面法與弱化法的研究及應(yīng)用[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

3 李向陽，李俊平.采空場覆巖變形數(shù)值模擬與相似模擬比較研究.巖土力學(xué)，2005，26（1 2）：1907-1912.

4 李俊平，王紅星，王曉光，等.卸壓開采研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué)，2014，35（2），350-358.363.

5 李俊平，王紅星，王曉光，等.巖爆傾向巖石巷幫鉆孔爆破卸壓的靜態(tài)模擬[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，47（1）：97-102.

6 李俊平，張 浩，李鵬偉.畢機(jī)溝露天礦巖體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)的數(shù)值模擬確定[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，16（5）：140-145.

7 李俊平，王曉光，王紅星，等.某鉛鋅礦采空區(qū)處理與卸壓開采方案研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，15（1）：137-141.

Analysis of Roadway Pressure in Shaanxi Qiandongshan Mining Co., Ltd.

Li Longwei
(Shaanxi Qiandongshan Mining Co., Ltd., Fengxian 721707, China)

With the roadway mining of Qiandongshan gradually extending to the deep, the mining affected by the goaf, fault and other ground pressure is growing, some of the middle section of the roadway appears spalling, roof cracking, bottom drum phenomenon. In this paper, through the establishment of the model, in-depth study and analysis, it obtained the stress distribution of roadway, access to the middle of the roadway pressure law.

Roadway; pressure; model; stress

TD322

A

1008-9500(2017)05-0090-04

2017-03-14

李龍偉（1990-），男，陜西咸陽人，助理工程師，從事采礦設(shè)計(jì)管理工作。