公路下伏采空區(qū)開挖過程中圍巖擾動規(guī)律研究

黃大桂，王李昌，隆威，雷家蔚

公路下伏采空區(qū)開挖過程中圍巖擾動規(guī)律研究

黃大桂1, 3，王李昌1, 2，隆威1, 2，雷家蔚1, 2

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2. 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；3. 廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

為研究湖南某公路下伏采空區(qū)的開挖過程對公路造成的影響和圍巖的擾動規(guī)律，采用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件對公路下伏2個處于相同水平采空區(qū)在按順序先后開挖的過程進行了模擬，重點分析了圍巖應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)的演化規(guī)律。模擬分析表明：在采空區(qū)按順序開挖的過程中，圍巖都存在明顯的拉應(yīng)力集中和壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象，圍巖應(yīng)力的改變不會對公路的安全施工造成較大的影響；開挖完成后，1號和2號采空區(qū)的頂板上方和底板下方的位移帶均產(chǎn)生了連通的現(xiàn)象，采空區(qū)整體位移影響區(qū)域大幅增加，但對公路的地表變形影響不大；1號和2號采空區(qū)的塑性區(qū)在礦柱上產(chǎn)生了貫通的現(xiàn)象，礦柱極有可能發(fā)生失穩(wěn)垮塌，將會極大地危害整個采空區(qū)和公路的安全和穩(wěn)定性。

采空區(qū)；數(shù)值模擬；應(yīng)力演化

采空區(qū)的開挖過程實際上可以認(rèn)為是一個不斷地動態(tài)調(diào)整原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)的復(fù)雜物理力學(xué)過程。自然條件下，原巖處于相對平衡的力學(xué)狀態(tài)，開采的過程中，原巖的力學(xué)平衡狀態(tài)受到了擾動作用的影響，迫使原巖對應(yīng)力重新進行調(diào)整產(chǎn)生二次應(yīng)力場并使原巖達到新的二次應(yīng)力平衡[1?4]。采空區(qū)圍巖的破裂災(zāi)變是造成地下礦山采空區(qū)安全事故頻發(fā)的根本原因之一，因此，深入研究礦山資源開采過程中的采空區(qū)圍巖擾動規(guī)律和致災(zāi)機理是預(yù)防采空區(qū)安全事故的關(guān)鍵。國內(nèi)外的專家和學(xué)者對地下礦山采空區(qū)形成過程中的圍巖擾動規(guī)律展開了深入的探索和研究[5?12]。付建新等[13]運用物理模型實驗與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方式，系統(tǒng)地探討了采空區(qū)群在開挖形成過程中圍巖的應(yīng)力和位移的擾動規(guī)律。姜立春等[14?15]采用數(shù)值模擬的方法揭示了基于單層和雙層相同水平地下采空區(qū)群失穩(wěn)破壞的動態(tài)變化規(guī)律，探究了形成動態(tài)失穩(wěn)時的破壞模式和順序，并進一步提出了水平采空區(qū)群動態(tài)失穩(wěn)破壞的具體工程機理和控制措施。賈楠等[16]運用FLAC3D有限差分軟件，建立了地下金屬礦山深部采空區(qū)巖體爆破擾動演化的理論模型，分析了采空區(qū)在爆破動力開挖過程中圍巖的演化特征，并且進一步研究了采動順序?qū)Σ煽諈^(qū)圍巖穩(wěn)定性的影響。本文以湖南省某在建公路下伏地下礦山采空區(qū)為研究對象，在充分調(diào)查該礦山開采技術(shù)條件和分析巖體物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，運用FLAC3D軟件對開挖擾動影響下采空區(qū)圍巖應(yīng)力應(yīng)變擾動規(guī)律進行模擬分析，深入探討了應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)的演化規(guī)律，揭示了采空區(qū)穩(wěn)定性機理和對公路穩(wěn)定的影響效應(yīng)，為礦山采空區(qū)的安全生產(chǎn)、發(fā)展和公路的施工提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬簡介

1.1 建立模型

此次采空區(qū)模擬采用了摩爾?庫侖模型，運用FLAC3D6.0構(gòu)建的采空區(qū)三維簡化模型如圖1 所示，模型幾何邊界參數(shù)為 200 m×50 m×200 m，采空區(qū)模型的計算范圍是根據(jù)該礦山采空區(qū)的分布范圍和開采現(xiàn)狀確定的，充分考慮了足夠的邊界效應(yīng)。模型中除了上方邊界之外，其余邊界全部施加來自各自方向上的位移約束。模型節(jié)點總數(shù)為58 890個，單元總數(shù)為56 250個。采空區(qū)埋深約170 m，厚度約10 m，傾角近似水平，按照0°考慮，開采方式為沿著礦體傾向，即軸正向，公路路線方向為軸方向，路寬8 m，僅考慮采空區(qū)開挖對公路正下方的影響。模擬采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)是通過室內(nèi)試驗并經(jīng)過折減得到的，見表1。

表1 模型力學(xué)參數(shù)表

1.2 模擬方案

根據(jù)該礦山采空區(qū)的實際工程概況和初步設(shè)計資料，模擬了2個處于相同水平的采空區(qū)依次先后開挖的過程，每個采空區(qū)的開挖均視為一次性開挖完成的，2個采空區(qū)的跨度均為20 m，高為10 m，中間留設(shè)6 m的保護礦柱。模型除了考慮重力的影響之外，還需考慮公路施工的影響，將公路上的交通荷載視為均布荷載施加在模型上，均布荷載大小取=0.13 MPa。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 主應(yīng)力

圖2為依次開挖1號和2號采空區(qū)的最大主應(yīng)力圖，由圖2可知，1號采空區(qū)開挖形成后，采空區(qū)及其四周圍巖發(fā)生較為明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，導(dǎo)致采空區(qū)四周圍巖上形成了一圈圈的應(yīng)力等值跡線拱。在采空區(qū)頂板上部和底板下部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂板中點處。頂板上的拉應(yīng)力往空區(qū)外逐漸變小，最終發(fā)展成為壓應(yīng)力。在采空區(qū)左右兩側(cè)一定范圍內(nèi)存在高壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象，兩側(cè)高應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力值最大為1.61 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.45，這其實是采空區(qū)開挖過程中，圍巖應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移到周圍巖體的結(jié)果。2號采空區(qū)開挖完成后，采空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力值由1.13 MPa增大到1.28 MPa，并且拉應(yīng)力的影響程度和范圍均有所增加。這是由于在開挖過程中，采空區(qū)頂板臨空面面積會不斷增加，頂板應(yīng)力不斷調(diào)整、釋放，拉應(yīng)力也一直增加。拉應(yīng)力值會逐漸接近圍巖抗拉強度，這有可能最終直接導(dǎo)致頂板的拉伸破壞。拉應(yīng)力的不斷增加是造成采空區(qū)頂板冒落的最主要影響因素之一。兩側(cè)高應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力值增大至1.93 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)值為1.72，集中應(yīng)力的大小和影響程度、范圍也就會變的更大了，說明采空區(qū)開挖完成后，采空區(qū)整體圍巖的應(yīng)力狀態(tài)變得更差，而且越晚開挖的單個采空區(qū)，其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)也就相對越差。由于采空區(qū)距離地表較遠(yuǎn)，開挖造成地表的應(yīng)力改變較小，不會對公路的安全施工造成較大的影響。

2.2 正應(yīng)力

圖3為開采完成后垂直應(yīng)力云圖，由圖3可知，1號采空區(qū)開挖完成后，周邊應(yīng)力釋放明顯，頂?shù)装宕嬖诶瓚?yīng)力集中，其應(yīng)力值為0.04 MPa，空區(qū)左右兩側(cè)一定范圍內(nèi)存在高壓應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為9.43 MPa。2號采空區(qū)開挖完成后，拉應(yīng)力增大到0.05 MPa，并且采空區(qū)拉應(yīng)力的影響范圍大幅增加，其將極大地威脅著采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性。采空區(qū)兩側(cè)高壓應(yīng)力集中應(yīng)力最大值增大到10.15 MPa，應(yīng)力影響區(qū)域有所增強，說明采空區(qū)應(yīng)力狀態(tài)變得更差了。礦柱上存在壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力最大值為12.14 MPa，這將有可能導(dǎo)致礦柱的剪切破壞。由此可知，2個相同水平的采空區(qū)在開挖過程中是彼此相互影響的，并且應(yīng)力的增大或釋放遵循著一種比較復(fù)雜的變化規(guī)律。

單位：Pa

2.3 剪應(yīng)力

圖4為采空區(qū)剪應(yīng)力云圖，由圖4可知，在采空區(qū)的4個邊角處均存在剪應(yīng)力集中的現(xiàn)象，剪應(yīng)力基本按照斜對稱分布。采空區(qū)全部開挖完成后，在采空區(qū)左上角和右下角上的應(yīng)力最大值由2.09 MPa增大至2.25 MPa，在采空區(qū)右上角和左下角的應(yīng)力最大值由2.09 MPa增大至2.48 MPa，并且應(yīng)力影響程度和區(qū)域均有較大增加。研究表明，邊角處剪應(yīng)力大小和采空區(qū)斷面面積的有著較為密切的關(guān)系，采空區(qū)斷面面積越大，其剪應(yīng)力值就越大。在采空區(qū)開挖過程中，4個邊角將會先達到臨界剪切破壞狀態(tài)，由于采空區(qū)暴露面積的增加，邊角處破壞范圍逐漸延伸擴展，頂板拉應(yīng)力值也逐漸增大，直至發(fā)展成為拉伸破壞。

單位：Pa

單位：Pa

2.4 位移

圖5為采空區(qū)豎向位移云圖，由圖5(a)可知，采空區(qū)的整體豎向位移基本上按照對稱特性規(guī)律進行分布，均指向采空區(qū)方向緩慢發(fā)展；采空區(qū)圍巖以豎向位移為主，在采空區(qū)底板上有少量的鼓脹；采空區(qū)頂板上方和底板下方形成圍巖移動位移等值線拱，離開挖邊界越近，其位移值也就越大；1號采空區(qū)頂板中央豎向位移最大，向頂板兩側(cè)急劇降低。由圖5(b)可知，2號采空區(qū)開挖完成后，由于受到2號采空區(qū)開挖的擾動，1號采空區(qū)的頂板中點位移從7 mm變成9 mm，2號采空區(qū)的頂板中點位移為9 mm，1號和2號采空區(qū)在頂板上方和底板下方的位移帶產(chǎn)生了連通的現(xiàn)象，形成了影響范圍較大的位移帶。1號和2號2個采空區(qū)的空間尺寸參數(shù)和所處的地質(zhì)環(huán)境條件基本相同，但是最終的應(yīng)力狀態(tài)和位移卻不盡相同，表明處于同一水平采空區(qū)的開挖相互之間會產(chǎn)生較大的擾動影響，采空區(qū)之間距離越小，其影響程度和范圍就越大。

采空區(qū)整體與地表距離較遠(yuǎn)，地表最大豎向位移僅為3 mm，由此計算得到地表最大傾斜值、水平變形值和曲率值分別為0. 027 mm/m，0. 01 mm/m和0. 000 8 mm/m2，遠(yuǎn)小于規(guī)范[17?18]相關(guān)規(guī)定值，由此可知，采空區(qū)開挖對公路施工產(chǎn)生的影響不大。

單位：m

2.5 塑性區(qū)

圖6為采空區(qū)開挖完成后塑性區(qū)圖，由模擬結(jié)果可知，塑性區(qū)主要集中在空區(qū)頂板、底板和礦柱上，頂板和底板發(fā)生拉伸破壞，4個邊角和礦柱發(fā)生剪切破壞，1號和2號采空區(qū)的塑性區(qū)在礦柱上已經(jīng)出現(xiàn)了貫通的現(xiàn)象，這是因為采空區(qū)開挖過程中，頂板會大面積暴露懸空，上覆頂板的壓力將會直接作用在礦柱上，形成了高壓應(yīng)力集中區(qū)，隨著開挖的進行，礦柱上的壓應(yīng)力會逐步接近抗壓強度，其就有可能發(fā)生剪切破壞。由于實際生產(chǎn)過程中，開挖是一步步緩慢進行的，礦柱的變形過程是一個由漸變到突變的時空演化進程。礦柱變形會逐步增大直至完全失穩(wěn)。由于沒有了礦柱的支撐作用，采空區(qū)之間發(fā)生連通，上覆頂板的壓力逐步向周邊巖體轉(zhuǎn)移，加劇了采空區(qū)兩側(cè)圍巖的應(yīng)力集中，頂板極有可能發(fā)生斷裂破壞并引發(fā)大面積冒落，導(dǎo)致礦山采空區(qū)的崩塌、地表公路的塌陷和整個礦山結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重危害礦山的安全生產(chǎn)和采礦人員機械設(shè)備的安全。

圖7為采空區(qū)剪應(yīng)變增量云圖，剪應(yīng)變增量主要集中在礦柱區(qū)域，集中區(qū)域就是采空區(qū)發(fā)生剪切破壞時的潛在破裂面，這與上述分析是一致的。因此，亟需對該采空區(qū)進行綜合治理，保障礦山的生產(chǎn)安全和公路施工安全。

(a) 1號開挖后；(b) 2號開挖后

圖7 采空區(qū)剪應(yīng)變增量云圖

3 結(jié)論

1) 單個采空區(qū)開采過程中，采空區(qū)的圍巖存在拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采空區(qū)左右兩側(cè)一定范圍內(nèi)各存在著一個高壓應(yīng)力集中區(qū)；2個水平采空區(qū)先后開挖過程中，采空區(qū)的圍巖應(yīng)力應(yīng)變是不斷動態(tài)變化的，采空區(qū)開挖越晚，其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)相對越差；圍巖應(yīng)力的改變不會對地表公路的安全施工造成較大的影響。

2) 開挖完成后，1號和2號采空區(qū)的頂板上方和底板下方的位移帶均產(chǎn)生了連通的現(xiàn)象，采空區(qū)整體位移影響區(qū)域大幅增加，但地表變形位移量較小，對公路影響不大。

3) 1號和2號采空區(qū)的塑性區(qū)在礦柱上出現(xiàn)了貫通，礦柱極有可能發(fā)生失穩(wěn)垮塌，將會嚴(yán)重危害礦山采空區(qū)和公路施工的安全，應(yīng)對采空區(qū)進行及時的治理。

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Study on surrounding rock disturbance law during the excavation of goaf under a highway

HUANG Dagui1, 3, WANG Lichang1, 2, LONG Wei1, 2, LEI Jiawei1, 2

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Metalorganic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, Changsha 410083, China; 3. Guangxi Communications Design Group Co., Ltd., Nanning 530029, China)

In order to study the influence of the excavation process of the goaf under a highway in Hunan Province on the highway and the surrounding rock disturbance law of the goaf, FLAC3Dnumerical simulation software was used to simulate and study the surrounding rock stress, displacement and plastic zone during the excavation of the two goafs under the highway at the same level. The results show that during the excavation of two goafs at the same level, the surrounding rock of the goaf has obvious tension stress concentration and compressive stress concentration. The stress of surrounding rock will not affect the safety construction of the highway. After the excavation, the displacement zones above the roof and below the bottom plate of 1# and 2# goaf are connected, and the influence area of the overall displacement of the goaf increases greatly, but it has little influence on the surface deformation of the highway. The plastic zone of 1# and 2# goaf runs through the ore pillar, and the ore pillar is likely to collapse, which will greatly endanger the safety and stability of the whole goaf and the highway.

goafs; numerical simulation; stress evolution

TD853

A

1672 ? 7029(2020)12 ?3143 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200132

2020?02?21

湖南省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新引領(lǐng)計劃項目(2020GK2067)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2020JJ5707)；長沙市自然科學(xué)基金資助項目(46290)

王李昌(1989?)，男，甘肅定西人，講師，博士，從事地質(zhì)工程方面的研究；E?mail：wlccsu@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)