礦山深部巷道圍巖變形與應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

在礦山深部工作中，由于礦山深部地形復(fù)雜的特點(diǎn)確保礦山深部巷道圍巖的安全一直是礦山支護(hù)工作中最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此長(zhǎng)期以來受到同行學(xué)者們的重點(diǎn)關(guān)注[1]。在礦山開采過程中由于受到人為因素的影響，改變礦山深部巷道圍巖結(jié)構(gòu)，從而使礦山深部巷道圍巖很容易發(fā)生變形，礦山深部巷道圍巖變形容易引發(fā)安全事故問題，直接威脅礦山工作人員的生命安全。本文在此基礎(chǔ)上，展開礦山深部巷道圍巖變形研究，并通過應(yīng)力分布數(shù)值模擬致力于精準(zhǔn)掌握礦山深部巷道圍巖變形情況，確保礦山深部巷道圍巖的安全性。

1 礦山深部巷道圍巖變形

在礦山深部開采過程中，原巖應(yīng)力受開采影響會(huì)改變巖體的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致變形。礦山深部巷道圍巖變形具體特征，如表1所示。

表1 礦山深部巷道圍巖變形具體特征

結(jié)合表1所示，本文通過三方面分析礦山深部巷道圍巖變形特征，為礦山深部巷道圍巖支護(hù)工作的順利開展提供理論依據(jù)。

1.1 巷道頂板的變形破壞

在礦山深部巷道頂板開挖過程中，巷道頂板由于受到應(yīng)力產(chǎn)生瞬時(shí)彈性變形，并在變形時(shí)引發(fā)一系列其他繼續(xù)變形[2]。在開挖后，巷道頂板的拉應(yīng)力會(huì)集中致使圍巖張拉破壞。這樣一來，導(dǎo)致巷道頂板很難處于穩(wěn)定狀態(tài)，尤其在自重作用的促使下，巷道頂板的水平方向發(fā)育極其柔弱，形成數(shù)量、大小、形狀各不相同的分離體。巷道頂板的變形破壞可以按照載荷方向分為：垂直載荷變形破壞以及水平載荷變形破壞，由于破壞方式的不同，巷道頂板的變形破壞所受載荷也必然不同。因此，在分析礦山深部巷道圍巖變形時(shí)，必須考慮巷道頂板變形破壞的載荷方向。

1.2 角部破碎

礦山深部巷道圍巖變形中，最先發(fā)生變形的區(qū)域往往在巷道圍巖的四個(gè)邊角處?？紤]到礦山深部巷道圍巖一般在比較狹窄的區(qū)域，因此只要一個(gè)角部出現(xiàn)破碎的情況，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)巷道圍巖失穩(wěn)，產(chǎn)生應(yīng)力破壞，導(dǎo)致礦山深部巷道圍巖變形。

1.3 巷道底膨破壞

巷道底膨指的是礦山深部巷道圍巖的最底層，通常情況下為軟弱巖層，在砂頁巖互層層理的情形下導(dǎo)致巷道底膨破壞。結(jié)合冷建民等人提出的三山島金礦深部巷道圍巖破壞機(jī)理及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化中表明，影響巷道底膨破壞的直接因素為巷道底層的泊松比。當(dāng)泊松比取值為0.5時(shí)，礦山深部巷道底板的擠壓應(yīng)力與豎直應(yīng)力基本處于持平狀態(tài)，此時(shí)壓力系數(shù)為1。但一旦出現(xiàn)巖體的強(qiáng)度小于擠壓應(yīng)力時(shí)，就會(huì)造成巷道底膨破壞，進(jìn)而引發(fā)礦山深部巷道圍巖變形。

2 礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬

考慮到礦山深部巷道圍巖變形的各種形式，本文從礦山深部巷道的破壞模式入手，基本假定礦山深部巷道應(yīng)力分布符合張拉剪切組合的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，并且能夠充分考慮到模擬圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系。在此情況下，分析模擬圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)失效的破壞機(jī)理與過程，進(jìn)而總結(jié)推導(dǎo)礦山深部巷道應(yīng)力分布計(jì)算公式。最后，對(duì)礦山深部巷道應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果展開分析。

2.1 確定礦山深部巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

本文進(jìn)行基本假定的具體內(nèi)容包括：礦山深部巷道模擬圍巖在應(yīng)力應(yīng)變過程中必須保持平面形態(tài)；排除由于抗拉強(qiáng)度的不同導(dǎo)致對(duì)數(shù)值模擬造成的誤差值；在發(fā)生礦山深部巷道應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，礦山深部巷道圍巖變形應(yīng)力與彎曲應(yīng)變呈理想彈塑性關(guān)系，一旦承載力失效應(yīng)力即保持不變以及礦山深部巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系?？梢詫⒌V山深部巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系視為一種曲線關(guān)系，如圖1所示。

圖1 礦山深部巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

在圖1中，ε1指的是礦山深部巷道圍巖應(yīng)力直線部分合力；ε2指的是礦山深部巷道圍巖應(yīng)變直線部分合力；f0指的是應(yīng)力應(yīng)變曲線中二次拋物線礦山深部巷道圍巖變形部分合力；gt指的是相關(guān)流動(dòng)法則。通過圖1可知，當(dāng)?shù)V山深部巷道圍巖變形呈現(xiàn)雙向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，圍巖變形承載力必然會(huì)隨著另一向圍巖變形應(yīng)力的增加而降低，直至圍巖變形承載力失效。在得出圍巖變形應(yīng)力應(yīng)變線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果曲線，總結(jié)出圍巖變形抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式?？梢酝ㄟ^計(jì)算雙向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，圍巖變形的抗壓強(qiáng)度，為下一步理論計(jì)算礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布做準(zhǔn)備。設(shè)圍巖變形的抗壓強(qiáng)度為σ，則其計(jì)算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，β指的是圍巖所能承受的最大拉應(yīng)力。根據(jù)多次計(jì)算，設(shè)圍巖變形的抗拉強(qiáng)度為fc通常情況下為圍巖變形抗壓強(qiáng)度的10.5%～12.2%。因此，可以將圍巖變形的抗拉強(qiáng)度模擬為：

2.2 理論計(jì)算礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布

對(duì)應(yīng)圖1中，根據(jù)二次拋物線終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，計(jì)算二次拋物線的高度即為圍巖應(yīng)力在應(yīng)變值下的承載力。設(shè)圍巖應(yīng)力在應(yīng)變值下的承載力為y，則其計(jì)算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，x指的是圍巖應(yīng)力截面面積；r1指的是圍巖應(yīng)力的張拉強(qiáng)度。將得出的圍巖應(yīng)力分布在應(yīng)變值下的承載力代入靜力平衡條件可得，礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布計(jì)算理論模型M，如公式（3）所示。

在公式（3）中，b指的是礦山深部巷道圍巖應(yīng)力的摩擦角；a指的是粘聚力；n指的是膨脹角度，為實(shí)數(shù)。通過礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布理論計(jì)算模型中的自變量可以得出礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布的主要影響因素為礦山深部巷道圍巖應(yīng)力的摩擦角、粘聚力以及膨脹角度。礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布計(jì)算理論模型的整個(gè)計(jì)算過程均是以圍巖應(yīng)力分布平截面的假定作為基礎(chǔ)，也就是說圍巖應(yīng)力分布截面各點(diǎn)應(yīng)變與中和軸的距離必須為正比例，圍巖應(yīng)力分布應(yīng)變與外圍相應(yīng)處的應(yīng)變一致，在縱向受拉圍巖應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度之前，截面的平均應(yīng)變應(yīng)該達(dá)到瞬間的平衡，以符合圍巖應(yīng)力分布平截面的假定。依據(jù)此假定，再結(jié)合靜力平衡條件，建立了正截面圍巖應(yīng)力分布承載力的計(jì)算體系。為驗(yàn)證礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布計(jì)算理論模型的合理性，選取礦山深部巷道圍巖，將得出的礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比。從計(jì)算理論上來講，利用FLAC3D內(nèi)置的結(jié)構(gòu)單元錨索單元（cable）來模擬巷道圍巖支護(hù)中的錨桿和錨索，保證了礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布得以充分發(fā)揮，導(dǎo)致由于錨桿（索）與圍巖的接觸粘結(jié)性退化，應(yīng)力逐漸均勻化，緩和了礦山深部巷道圍巖應(yīng)力軸向位移相應(yīng)有軸向力，在一定程度上對(duì)模擬礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布是有利的。在本次模擬中，通過HISTORY命令設(shè)置變量來確定某處斷面的位移變化和受力狀態(tài)，也可以判斷模型是否達(dá)到平衡或者破壞狀態(tài)。因此，礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)圍巖應(yīng)力分布基本一致。

3 結(jié)束語

考慮到礦山深部巷道圍巖變形問題的受到重視，礦山深部巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬經(jīng)歷了從起步到快速發(fā)展的階段。

因此，本文對(duì)礦山深部巷道圍巖變形與應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠?yàn)榻鉀Q礦山深部巷道圍巖變形問題提供理論支持。

希望通過本文分析，為提高礦山深部巷道圍巖安全性方面提供參考，以促進(jìn)國(guó)家礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但本文唯一不足之處在于，沒有對(duì)礦山深部巷道圍巖變形控制技術(shù)進(jìn)行深入分析，相信這一點(diǎn)，可以作為礦山深部巷道圍巖變形領(lǐng)域日后的研究?jī)?nèi)容之一。