玲瓏金礦巷道全斷面一次開挖數(shù)值模擬研究

杜 鑫，劉錦州

(山東黃金集團玲瓏金礦，山東 招遠 265419)

1 前言

山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司位于山東省招遠市境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬山東省招遠市玲瓏鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)位于招遠市城北20km。東風礦區(qū)是玲瓏金礦4大礦區(qū)之一，主礦脈171號脈位于玲瓏金礦田的東南部。玲瓏金礦需要進一步擴大生產(chǎn)規(guī)模，各礦區(qū)的礦石生產(chǎn)效率急需提高。如何提高巷道掘進的效率并保證掘進工作的安全推進是玲瓏金礦決策能否實施的關鍵環(huán)節(jié)。針對目前玲瓏礦區(qū)采用分次爆破造成巷道掘進耗時長、炮孔數(shù)量過多、效率低及安全隱患多等問題，開展安全、經(jīng)濟的開挖方案研究和提高巷道掘進施工效率是亟需解決的問題。

對于井巷掘進分次開挖施工的缺點，不少學者[1～3]根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整設計與施工方案，成功應用全斷面一次爆破技術進行掘進，都取得了良好的經(jīng)濟技術效益。但相關數(shù)值計算研究較少，周傳波等[4]采用LS- DYNA三維非線性動力有限元程序?qū)杂矌r石條件下深孔一次爆破成井的九孔、雙孔菱形、單螺旋和雙螺旋4種掏槽方式進行數(shù)值模擬研究，確定了單螺旋掏槽方式的優(yōu)化模型。張志雨等[5]采用FLAC3D以巖石破裂的臨界震動速度為判據(jù)，研究掘進爆破對巷道圍巖的影響。孫歆碩等[6]針對玲瓏金礦255m主運巷道塌陷的問題，采用拱橋法錨注加固技術并應用FLAC3D進行數(shù)值模擬，直觀地得到該方法對巷道圍巖應力、位移和狀態(tài)的影響。

針對以上問題，本文擬采用FLAC3D分別對玲瓏金礦巷道掘進分次開挖及全斷面一次開挖進行模擬研究，以開挖后圍巖的塑性區(qū)、水平位移、垂直位移、水平應力、垂直應力等為評判依據(jù)，分析兩種巷道開挖方案對圍巖的損傷情況和開挖效果。

2 巷道掘進設計

巷道掘進中掏槽爆破效果一定程度上影響著全斷面的爆破效果和炮孔利用率[7]。玲瓏金礦分次爆破采用直眼掏槽孔形式，在掏槽孔處環(huán)向均布6個空孔以增強掏槽爆破效果。合理的炮孔深度有助于提高掘進速度，根據(jù)玲瓏金礦實際情況，本次爆破炮孔深度取2.3m，循環(huán)進尺1.8m。其炮孔布置如圖1所示。

圖1 分次開挖炮孔布置圖(單位：mm)

在分次爆破設計方案的基礎上，減少炮孔數(shù)量和優(yōu)化布孔設計，掏槽空孔由6個減少到3個，簡化施工步驟和減少總裝藥量。優(yōu)化后的全斷面一次爆破方案共包括3個掏槽眼，4個擴槽眼，10個崩落孔，6個周邊孔，炮孔數(shù)合計27個，相比分次開挖的31個孔更少，炮孔布置如圖2所示。

圖2 全斷面一次開挖炮孔布置圖(單位：mm)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

(1)根據(jù)玲瓏金礦分次爆破設計要求，開挖巷道斷面為直墻拱形，斷面尺寸為2.1m×2.2m，為減小模型邊界范圍對模擬結果造成的影響(一般為巷道直徑3～5倍范圍)，同時兼顧計算機的運行能力[8]，將模擬范圍設定為長×寬×高=20m×20m×20m的區(qū)域，共生成155 250個單元和164 799個節(jié)點。模型下表面施加全位移約束，四周施加法向方向約束。分次開挖數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 分次開挖數(shù)值模型

(2)通過優(yōu)化炮孔布置和鉆孔數(shù)量，簡化施工步驟，采用全斷面一次開挖施工工藝，數(shù)值模型大小與分次開挖模型相同，并施加相同的邊界條件，共生成156 630個單元和166 129個節(jié)點。全斷面一次開挖數(shù)值模型如圖4所示。

3.2 數(shù)值模擬結果

采用FLAC3D對玲瓏金礦巷道開挖進行模擬，分次開挖模擬過程分為兩個步驟，先開挖下部巷道，待圍巖應力趨于平衡后，再開挖預留頂。而全斷面一次開挖則是一次性開挖巷道斷面，這樣不僅簡化了施工步驟，同時減少了對巷道圍巖的擾動。針對這兩種開挖方案，主要研究開挖巷道圍巖塑性區(qū)、水平位移云圖、垂直位移云圖、水平應力、垂直應力的變化規(guī)律，并在巷道拱頂、拱底、邊墻、底板設置4個監(jiān)測點(其中監(jiān)測點2、3、4、5和監(jiān)測點6、7、8、9分別為拱頂、拱底、邊墻、底板的垂直位移和水平位移)，如圖5～圖11所示。

圖4 全斷面一次開挖數(shù)值模型

4 數(shù)值模擬結果分析

從塑性區(qū)上看，巷道圍巖破壞形式主要為剪切破壞，且主要集中在巷道拱頂和底板位置。分次開挖過程中，第一次開挖塑性區(qū)分布不明顯，經(jīng)過第二次開挖后，比全斷面一次開挖的塑性區(qū)范圍略大，但區(qū)別不明顯。對水平位移云圖進行分析發(fā)現(xiàn)，最大水平位移發(fā)生在巷道邊墻處，分次開挖第一步開挖后的水平位移最大值為4.294cm，第二步開挖后的水平位移值達到5.411 6cm，與全斷面開挖后的位移結果差不多。而采用全斷面一次開挖后的拱頂垂直位移為2.690 9cm，比分次開挖的2.542 9cm稍大。通過對比水平應力值和垂直應力值的大小，可知，采用全斷面一次開挖后的水平應力和垂直應力與分次開挖的應力值基本相同。

圖5 開挖后圍巖塑性區(qū)

圖6 開挖后圍巖水平位移云圖

圖7 開挖后圍巖垂直位移云圖

圖8 開挖后圍巖水平應力云圖

圖9 開挖后圍巖垂直應力云圖

圖10 拱頂、拱底、邊墻、底板水平位移監(jiān)測圖

圖11 拱頂、拱底、邊墻、底板垂直位移監(jiān)測圖

對巷道拱頂、拱底、邊墻、底板4個監(jiān)測點的監(jiān)測曲線圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)，巷道拱頂和邊墻的水平位移受開挖方案影響較大，且分次開挖會使巷道在拱底處的圍巖水平位移產(chǎn)生一個突變。在垂直位移方面，拱底、邊墻、底板的位移趨勢比較一致，但是分次開挖的拱頂位移呈現(xiàn)一個“先上后下”的趨勢，但兩種開挖方案的沉降量差別不大。

5 結語

通過上述結果的對比分析，總體來說，玲瓏金礦全斷面一次開挖方案對巷道圍巖的損傷更小。該方案不僅簡化了施工步驟，提高了施工效率，而且可以減少多次開挖對巷道圍巖的擾動破壞，更有利于維持圍巖穩(wěn)定性和減少支護成本。通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的結果分析，驗證了玲瓏金礦全斷面一次開挖方法的可行性和優(yōu)越性。