基于FLAC3D數(shù)值模擬的深井軟巖巷道穩(wěn)定性及支護(hù)方案設(shè)計(jì)研究

張小剛，劉 寧，劉洪陽(yáng)，侯永強(qiáng)

(1.伽師縣銅輝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

隨著國(guó)內(nèi)目前淺部礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，國(guó)內(nèi)諸多礦山已轉(zhuǎn)入到深井開(kāi)采，而深井開(kāi)采面臨著諸多問(wèn)題，其中對(duì)于井下巷道的穩(wěn)定性控制及支護(hù)方案的設(shè)計(jì)是面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[1-3]。對(duì)于這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)巷道的穩(wěn)定性控制就支護(hù)方案開(kāi)展了相關(guān)的研究，靖洪文等[4]對(duì)深井巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)的分析，并提出了相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)；張志強(qiáng)等[5]對(duì)掘進(jìn)巷道圍巖開(kāi)展了分析，探究了其穩(wěn)定性狀態(tài)并分析了相應(yīng)的支護(hù)方案；郭忠平等[6]研究了采動(dòng)應(yīng)力作用下巷道的穩(wěn)定性狀態(tài)，并分析了相應(yīng)的控制措施；楊佳春等[7]開(kāi)展了錨桿支護(hù)作用下的巷道穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究，分析了錨桿加固作用對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。上述研究成果均能夠?yàn)橄锏乐ёo(hù)方案的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用，也在一定程度上解決了部分軟巖巷道支護(hù)技術(shù)難題。然而由于不同礦山的工程地質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)等存在一定的差異，井下掘進(jìn)巷道往往表現(xiàn)出不同的變形破壞特征，因此需結(jié)合礦山井下巷道的圍巖力學(xué)參數(shù)和變形破壞特征對(duì)巷道穩(wěn)定性開(kāi)展相應(yīng)的研究，并提出相應(yīng)的支護(hù)方案，以確保巷道的穩(wěn)定性[8]。

本文針對(duì)深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的特點(diǎn)，以銅輝銅礦業(yè)深井脈外運(yùn)輸軟巖巷道為研究對(duì)象，結(jié)合該礦山巷道圍巖力學(xué)物理力學(xué)參數(shù)，開(kāi)展了不同巷道斷面形狀下的巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，在得到最佳的巷道斷面布置形狀后，提出了相應(yīng)的巷道支護(hù)方案，并通過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，以確保支護(hù)方案的可靠性。

1 巷道數(shù)值模擬模型的構(gòu)建

根據(jù)井下實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，利用 FLAC3D大型數(shù)值模擬軟件，對(duì)地應(yīng)力作用下，半圓拱形、三心拱形及矩形三種斷面布置形狀下沿脈主運(yùn)輸巷道圍巖的塑性區(qū)分布、圍巖主應(yīng)力及圍巖變形等進(jìn)行模擬分析，以期通過(guò)數(shù)值模擬分析得出三種巷道形式下巷道變形破壞規(guī)律，從而優(yōu)化巷道斷面布置形式。根據(jù)圣維南原理，巷道的開(kāi)挖會(huì)對(duì)周?chē)?3～5倍的圍巖產(chǎn)生一定程度的影響，同時(shí)考慮到模型計(jì)算的速度，因此確定整個(gè)模型的范圍為：垂直巷道走向?yàn)閄方向，沿巷道走向?yàn)閅方向，豎直方向?yàn)閆方向，其中巷道模型設(shè)置不同的斷面尺寸，矩形巷道與半圓拱形巷道的寬×高為2.8 m×2.6 m，三心拱巷道寬×高為2.8 m×2.6 m，拱高分別設(shè)定為70及100 cm，巷道模型的長(zhǎng)度均為12 m。模型的邊界條件為：對(duì)模型的左、右兩個(gè)面設(shè)置為X方向的水平位移約束，對(duì)前、后兩個(gè)面設(shè)置為Y方向的水平位移約束，計(jì)算中首先進(jìn)行初始化，然后將初始化后的位移和速率清零，由于模型距地表 600 m 左右，在模型的底部施加水平和豎直方向的約束，同時(shí)對(duì)整個(gè)模型施加自重應(yīng)力場(chǎng)及水平應(yīng)力場(chǎng)。巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 折減后的巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 巷道斷面布置形狀對(duì)巷道位移沉降規(guī)律的影響

圖1為半圓拱形、矩形及三心拱形三種巷道斷面布置形狀下的巷道頂板、側(cè)幫位移變化云圖。從圖1可以看出，不論采取何種巷道斷面布置形狀，當(dāng)巷道開(kāi)挖完成后，巷道頂板及側(cè)幫均產(chǎn)生了位移變化，底板產(chǎn)生了明顯的底鼓現(xiàn)象；由圖1(c)可知，采取矩形巷道斷面布置形狀后，巷道頂板位移沉降為0.988 cm，底板底鼓位移為0.62 cm，側(cè)幫產(chǎn)生了指向巷道中心的位移變化，收斂位移為0.33 cm；同理，采取半圓拱形巷道斷面布置后，頂板、底板產(chǎn)生的位移化分別為0.81、0.61 cm，側(cè)幫位移為0.21 cm；采取三心拱巷道斷面布置后，頂板、底板產(chǎn)生的位移化分別為0.93、0.67 cm，側(cè)幫收斂位移為0.38 cm。

綜合對(duì)比可以看出，采用半圓拱巷道布置后，巷道位移整體位移改變量較小，其次是三心拱巷道，最差的為矩形巷道。

2.2 巷道斷面布置形狀對(duì)巷道主應(yīng)力的影響

圖2為半圓拱形、矩形及三心拱形三種巷道斷面布置形狀下的巷道頂主應(yīng)力變化云圖。由圖2(c)可知，采用矩形巷道斷面布置形狀后，巷道頂板及底板處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力為1.0 MPa，側(cè)幫巖體處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力為25.0 MPa。巷道邊角出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓力值為34.4 MPa，不利于巷道穩(wěn)定。同理，采用半圓拱形巷道斷面布置形狀后，巷道底板處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力為1.07 MPa；頂板及側(cè)幫巖體處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力分別為15.0、25.0 MPa；采用三心拱巷道斷面布置形狀后，巷道頂板及底板處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力為0.34 MPa；側(cè)幫巖體處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力為25.0 MPa。采用矩形巷道布置，巷道頂板及底板均處于受拉狀態(tài)，且拉應(yīng)力值較大，不利于巷道的穩(wěn)定，而采用拱形巷道布置能夠改善巷道頂板及底板巖體的受力狀態(tài)及應(yīng)力值，其中采用半圓拱形后，巷道頂板處于受壓狀態(tài)，而采用三心拱巷道斷面布置能夠明顯降低頂板、底板的拉應(yīng)力值，由于巖體具有較好的抗壓性能，抗拉性能較差。因此，采用拱形布置能夠一定程度上提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖1 不同巷道斷面布置下的巷道位移云圖Fig.1 Cloud displacement maps of different roadway sections

圖2 不同巷道斷面布置下的巷道主應(yīng)力云圖Fig.2 Main stress cloud diagram of roadway under different roadway section layouts

2.3 巷道斷面布置形狀對(duì)巷道塑性區(qū)分布的影響

圖3為半圓拱形、矩形及三心拱形三種巷道斷面布置形狀下的巷道塑性區(qū)分布范圍變化云圖。從圖3中可以看出，不論采取何種巷道斷面布置形狀，當(dāng)巷道開(kāi)挖完成后，巷道周邊巖體均產(chǎn)生了明顯的塑性區(qū)，且塑性區(qū)分布范圍與巷道斷面布置形狀具有明顯的相關(guān)性。由圖3(a)可知，采用矩形巷道布置后，巷道開(kāi)挖后在四周均出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，塑性區(qū)體積范圍為408.5 m3；采用半圓拱形巷道布置后，巷道開(kāi)挖后，塑性區(qū)分布范圍343.9 m3；采用三心拱形巷道布置后，巷道開(kāi)挖后，塑性區(qū)分布范圍360.6 m3。采用拱形巷道布置后，塑性區(qū)分布范圍呈降低的趨勢(shì)，其中采用半圓拱形巷道布置時(shí)，塑性區(qū)分布范圍最小，三心拱次之，矩形巷道布置范圍最大。

圖3 不同巷道斷面布置形狀下的巷道塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution maps of roadway plastic zones under different roadway cross-section layout shapes

2.4 深井軟巖巷道斷面形狀優(yōu)選

為進(jìn)一步確定井下巷道最佳的斷面形狀，將矩形、半圓拱形及三心拱巷道在最佳參數(shù)開(kāi)挖成型下的模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷出最佳的巷道斷面形狀，表2為三類(lèi)巷道斷面的最佳布置參數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果。結(jié)合表2的模擬結(jié)果可以看出，采用半圓拱形巷道相比矩形巷道、三心拱巷道頂部沉降位移相對(duì)減小，且改善了巷道頂部巖體受力狀態(tài)及塑性區(qū)范圍，頂部及側(cè)幫巖體呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài)，考慮到井下現(xiàn)場(chǎng)半圓拱巷道施工困難，結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果，采用三心拱形巷道斷面作為最佳的巷道斷面布置形式。

表2 三類(lèi)巷道模型結(jié)果對(duì)比

2.5 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

銅輝銅礦業(yè)深井脈外運(yùn)輸軟巖巷道此前采用的主要支護(hù)方式主要為鋼拱架支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果如圖4所示。

圖4 原支護(hù)方案下巷道支護(hù)效果Fig.4 Support effects of roadway under the original support scheme

由圖4可知，原有的支護(hù)方案存在以下問(wèn)題：

1)頂板不接頂，存在較大空區(qū)，導(dǎo)致頂板圍巖依然有破碎變形空間，可能產(chǎn)生二次破壞。

2)隨時(shí)間增加，井下木背板1～2年后腐朽引起承載力降低，承擔(dān)支架與圍巖之間承擔(dān)應(yīng)力傳遞載荷的背板木作用大大消弱，支護(hù)對(duì)圍巖的約束作用逐漸減小，圍巖在地應(yīng)力作用下逐漸松動(dòng)、脫落，最終導(dǎo)致木材壓裂、拱架壓彎，除此以外，背板木火災(zāi)隱患突出。

3)鋼拱架和圍巖無(wú)法形成整體，且兩幫在無(wú)錨桿支護(hù)的情況下無(wú)法限制兩幫位移，久而久之，當(dāng)位移達(dá)到一定程度后，上盤(pán)側(cè)圍巖擠壓立柱上部，下盤(pán)側(cè)圍巖變形加壓立柱的下部，從而使巷道和支護(hù)體逐步變?yōu)榱庑?，最終產(chǎn)生巷道失穩(wěn)破壞。

結(jié)合原有支護(hù)方案下巷道支護(hù)效果可知，對(duì)于深井軟巖巷道僅采用鋼拱架被動(dòng)支護(hù)的方式進(jìn)行巷道的支護(hù)難以維持巷道長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，且鋼拱架支護(hù)的成本較高，增加了井下掘進(jìn)的費(fèi)用，因此有必要提出新的支護(hù)方案。本文結(jié)合井下工程地質(zhì)勘察及結(jié)合井下軟巖巷道的變形破壞特征及破壞機(jī)理，提出對(duì)于地應(yīng)力集中區(qū)或含水破碎區(qū)的脈外運(yùn)輸巷單靠鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度不足以抵抗高應(yīng)力，且?guī)r體破碎，巷道掘進(jìn)過(guò)程中極易出現(xiàn)冒頂?shù)?。因此，針?duì)該類(lèi)情況，宜采用“預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)噴+鋼拱架支護(hù)”形式，具體布置形式如圖5所示。

圖5 破碎巖體主運(yùn)輸巷道支護(hù)方案(單位：mm)Fig.5 Supporting scheme of main transportation roadway in broken rock mass(Unit:mm)

1)錨桿支護(hù)材料選擇

本次井下工業(yè)試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)樹(shù)脂錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)1 800 mm，螺紋采用右旋錨桿材料用HRB235圓鋼，錨桿頭部采用Z字型結(jié)構(gòu)；錨桿螺母為普通螺母，材質(zhì)：HRB235或同等強(qiáng)度鋼材；樹(shù)脂錨桿托盤(pán)可采用HRB235鋼或同等強(qiáng)度鋼材，厚度不小于7 mm，托盤(pán)尺寸不小于150 mm×150 mm；樹(shù)脂錨固劑規(guī)格：每卷Φ35 mm×500 mm 快速型，拉拔力大于6 t，凝膠時(shí)間26～40 s，每個(gè)錨桿孔安裝2卷。

2)噴射混凝土參數(shù)選擇

銅輝礦業(yè)地下礦噴射混凝土所用的是C20混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度20 MPa，抗拉強(qiáng)度RL為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/10，約2.5 MPa。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算噴射混凝土厚度設(shè)計(jì)為60 mm[9-10]。

2.6 井下工業(yè)試驗(yàn)效果

為驗(yàn)證支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的準(zhǔn)確性及有效性，在該礦山井下16中段含水破碎區(qū)脈外運(yùn)輸巷道進(jìn)行新舊支護(hù)方案對(duì)比研究，16中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要為：16中段東4段為原支護(hù)方案，16中段西巷采用預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)噴+鋼拱架支護(hù)方案?；趯?duì)巷道表面收斂變形和應(yīng)力變化的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)原支護(hù)方案和新支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，以確定支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的可行性。

巷道收斂位移情況對(duì)比分析如圖6所示。從圖6中可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年時(shí)間的收斂位移監(jiān)測(cè)，采用鋼拱架原有支護(hù)方式的巷道收斂位移隨時(shí)間增加呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng)，最大變形速率超過(guò)1 cm/周，巷道收斂位移總體在30 cm左右；而采用新支護(hù)方式下的巷道最大收斂位移不超過(guò)15 cm，最大變形速率不超過(guò)0.5 cm/周，可以看出采用新支護(hù)方式的巷道變形破壞基本得到控制。因此，采用預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)噴+鋼拱架支護(hù)方案能夠有效控制軟弱破碎圍巖巷道的變形破壞。

圖6 新舊支護(hù)方案巷道收斂情況Fig.6 Convergence of new and old support schemes

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬手段，對(duì)深井軟巖巷道穩(wěn)定性及支護(hù)方案設(shè)計(jì)開(kāi)展了相關(guān)的研究，得到如下結(jié)論：

1)與矩形巷道相比，采用拱形巷道作為巷道斷面的布置形狀，能夠有效改善巷道開(kāi)挖后周邊圍巖的受力狀態(tài)及應(yīng)力值，能夠在一定程度上增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及井下實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工，推薦銅輝礦業(yè)采用三心拱作為巷道斷面布置形狀。

2)對(duì)銅輝銅礦業(yè)深井脈外運(yùn)輸軟巖巷道原支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行了相關(guān)的分析，得出了原支護(hù)方案所存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，提出了“錨網(wǎng)+噴射混凝土+鋼拱架支護(hù)”的復(fù)合支護(hù)技術(shù)，經(jīng)過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可知，采用預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)噴+鋼拱架支護(hù)方案能夠有效控制軟弱破碎圍巖巷道的變形破壞。