深部巷道裂隙圍巖危險體判定及應力監(jiān)測預警

劉煥新，朱明德，吳欽正，張曉勇

(1.山東黃金礦業(yè)科技有限公司深井開采實驗室分公司，山東 萊州 261400；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；3.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)資源開采向深部不斷延伸，地應力越來越高，開挖擾動后的圍巖體處于復雜的應力環(huán)境中，圍巖的變形、冒頂、片幫現(xiàn)象日益增多，給現(xiàn)場作業(yè)人員的安全帶來極大威脅。因此，針對深部高應力環(huán)境下巷道裂隙圍巖穩(wěn)定性問題的研究十分重要[1-2]。

本文通過對三山島深部巷道圍巖裂隙產(chǎn)狀進行測量與統(tǒng)計分析，以離散網(wǎng)絡模型為基礎獲取等效巖體力學參數(shù)，利用FLAC3D軟件建立完整中段巷道模型，對巷道圍巖進行應力、變形特征分析，并依據(jù)巷道圍巖應力、變形、破壞特征建立巷道應力監(jiān)測網(wǎng)絡[3-4]，為巷道支護方案優(yōu)化及開采設計提供有效的科學參考。

1 等效巖體力學參數(shù)

通過對現(xiàn)場巖體局部暴露或開挖導致暴露區(qū)進行裂隙產(chǎn)狀測量并進行統(tǒng)計分析，依據(jù)裂隙產(chǎn)狀統(tǒng)計分布函數(shù)，得到與現(xiàn)實中節(jié)理裂隙分布具有同等概率分布特征的模型，并進一步對三維空間區(qū)域大小進行確定。以三山島金礦深部巷道圍巖為分析對象，生成三維裂隙網(wǎng)絡模型(DFN)[5-6]。 將DFN模型嵌入完整巖石塊體模型進行切割，從而得到與實際巖體內(nèi)部具有同等或接近的裂隙概率分布特征的離散塊體模型，本文通過構建5 m×5 m×5 m的巖石塊體，將DFN節(jié)理裂隙模型導入巖石塊體，裂隙巖體重構的方法如圖1所示。

圖1 裂隙巖體重構模型

分別建立尺寸為1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m、3 m×3 m×3 m、4 m×4 m×4 m、5 m×5 m×5 m、6 m×6 m×6 m的正方體裂隙巖體模型，將每組模型分別進行三組試驗，分別對X軸方向、Y軸方向、Z軸方向進行單軸壓縮數(shù)值試驗，獲取不同尺寸模型X、Y、Z方向彈性模量、峰值強度隨尺寸的變化規(guī)律，如圖2和圖3所示。

圖2 彈性模量隨尺寸變化規(guī)律

圖3 單軸壓縮強度隨尺寸變化規(guī)律

分析節(jié)理巖體的峰值強度與彈性模量隨模型尺寸的變化曲線，峰值強度與彈性模量表現(xiàn)出隨著模型大小增大而遞減的規(guī)律，當模型尺寸達到一定值，峰值強度與彈模趨于穩(wěn)定，裂隙巖體力學屬性近似均質，根據(jù)DFN模型計算結果，取邊長為6 m的模型力學參數(shù)作為等效巖體參數(shù)，見表1。

表1 等效巖體力學參數(shù)

2 深部巷道圍巖穩(wěn)定性分析及監(jiān)測

2.1 裂隙圍巖穩(wěn)定性分析

為方便分析-870 m水平巷道整體的穩(wěn)定性，本文擬采用整體建模的方法，構建三維立體巷道模型。由于FLAC3D軟件前處理功能較弱，模型不易建立，本文主要通過三維建模軟件Rhinoceros建立巷道三維幾何模型。所采用建模命令主要包括：平面拉伸、掃略、放樣、聯(lián)集與移動等方法。建模的主要步驟：先確定巷道兩端坐標點，確定巷道具體位置，建立巷道線框;然后將線框進行放樣、拉伸、掃掠等操作得到巷道實體模型，將巷道模型通過布爾運算中的聯(lián)集計算方法將各條巷道進行合并，依據(jù)三山島金礦西山分礦CAD平面圖紙，形成該水平巷道整體模型并導入FLAC3D軟件形成-870 m水平巷道數(shù)值模型，數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 FLAC3D數(shù)值模型

數(shù)值計算模型邊界條件根據(jù)地應力測量而定：基于已測得的地應力分布情況，對各個水平地應力值進行直線擬合，地應力變化梯度即為直線的斜率，根據(jù)前期地應力測量水平由淺到深，可根據(jù)該直線方程式計算分析-870 m水平地應力分布特征，得到該水平最大、最小水平主應力與垂直應力，根據(jù)方位、傾角等因素進行換算可以得到數(shù)值模型邊界條件。計算所得地應力：最大水平主應力40.11 MPa，最小水平主應力21.52 MPa，垂直應力25 MPa。

為了分析巷道圍巖應力分布情況，分別從最小主應力、最大剪應力兩個方面對模型應力分布進行分析。根據(jù)最小主應力分布情況可以判斷張拉應力分布情況，當某位置最小主應力值為正值時，該位置可能發(fā)生張拉破壞。根據(jù)最大剪應力分布情況可以判斷最易發(fā)生剪切破壞的位置。

最小主應力云圖切片俯視圖如圖5所示。最小主應力值>0的位置主要集中在釆聯(lián)與脈外運輸巷交叉位置與巷道底板位置，其中斜聯(lián)巷與脈外運輸巷交叉位置最小主應力最為集中，應當注意這些位置較易發(fā)生片幫。

張拉單元分布情況如圖6所示。張拉單元共計801個，出現(xiàn)張拉應力的部位主要分布在斜聯(lián)巷道與運輸巷交叉位置、水倉位置以及脈外運輸巷拐角處。值得注意的是，一般裂隙接觸面抗拉強度較低，這些位置容易由于張拉應力的存在而使得原生裂隙發(fā)生二次張拉破壞。

最大剪應力云圖如圖7所示。根據(jù)頂板最大剪應力云圖分布顯示，最大剪應力主要于斜聯(lián)巷道與巷道拐角處較為集中，其中拐角處最大剪應力達到27 MPa。在剪應力作用下，結構面易發(fā)生滑移，導致圍巖破壞。

圖5 最小主應力圖

圖6 張拉應力單元分布圖

圖7 最大剪應力圖

2.2 危險部位應力監(jiān)測預警

在三山島金礦-870 m水平應力集中區(qū)域布設采動應力計，監(jiān)測圍巖隨開采擾動的應力變化情況。測點布置集中在斜聯(lián)巷、采聯(lián)巷端部及巷道交叉處，如圖8所示。A區(qū)圍巖應力在監(jiān)測前期保持穩(wěn)定，監(jiān)測進行至65 d時發(fā)生突變，圍巖應力大幅度變化表明該處巖體發(fā)生較大變形，該處圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測點附近斜聯(lián)巷頂板在2 d后發(fā)生冒落；B區(qū)圍巖應力在監(jiān)測進行至38 d時應力開始上升，并在60 d時產(chǎn)生突降，周圍巖體發(fā)生破裂，水倉連接巷隨即發(fā)生了較大規(guī)模的頂板塌落。兩次巖體破碎災害的成功預測為礦山設備、人員安全提供了可靠的保障。

圖8 監(jiān)測區(qū)應力變化規(guī)律

3 結 論

1) 根據(jù)裂隙巖體重構模型，對尺寸為1～6 m的巖體模型進行單軸壓縮數(shù)值試驗，分別分析了裂隙巖體彈性模量、單軸抗壓強度等方面隨尺寸變化而變化的規(guī)律，得到了表征單元體最小尺寸為6 m。采用摩爾庫倫理論，獲得等效巖體力學參數(shù)。

2) 巷道圍巖拉應力位置主要分布于斜聯(lián)巷與主運巷交叉位置、主運巷與釆聯(lián)巷交叉位置與水倉位置等，張拉應力最大為0.6 MPa，張拉應力的存在容易導致原生節(jié)理裂隙再次張拉破壞，從而誘發(fā)裂隙圍巖二次破壞。最大剪應力主要分布于斜連巷道、主運巷拐彎處以及東西走向巷道，其最大值可達30 MPa，由于剪應力的存在，塊體之間的接觸面易發(fā)生剪切滑移從而導致圍巖失穩(wěn)。

3) 巷道圍巖單元發(fā)生塑性破壞的位置主要集中在主運巷與釆聯(lián)巷交叉位置、斜聯(lián)巷、主運巷拐彎處與水倉等位置，破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，水倉局部產(chǎn)生張拉破壞。

4) 根據(jù)數(shù)值模擬獲得的應力集中危險區(qū)域分布特點，針對性布設圍巖應力監(jiān)測網(wǎng)絡，監(jiān)測并成功預警兩次位于斜聯(lián)巷和水倉連接巷的頂板塌落事故，為礦山設備、人員安全提供了可靠的保障。