拉底過斷層區(qū)噴錨支護巷道穩(wěn)定性研究*

馮興隆，苗元豐 ，李爭榮，王貽明 ，劉明武，王志會

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.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；3.北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引言

拉底巷道是地下采礦在礦房回采以前，于采場底部開掘的巷道。在礦山巷道布置中，部分拉底巷道不可避免地要布置在斷層破碎帶附近。斷層破碎帶的工程物理性質、斷層填充物的物化特性都直接影響著斷層的活化、發(fā)展規(guī)律，直接影響拉底巷道的穩(wěn)定性。含斷層泥的破碎帶經過掘進用水浸透后，斷層泥易吸水膨脹使巖體失穩(wěn)，斷層帶巖體強度降低，易發(fā)生冒落[1]。因此，礦山的巷道施工需要探明拉底巷道過斷層的影響因素規(guī)律，采取合理的錨噴支護手段來增強巷道的穩(wěn)定性，以防止事故的發(fā)生，保證施工的安全性，達到安全采礦的目的。

FLAC3D是專門進行巖土工程數(shù)值分析的有限差分軟件，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬，其具有良好的處理功能，在研究礦山巷道穩(wěn)定性研究中有著廣泛的應用[2]。

針對拉底過斷層的巷道穩(wěn)定，國內外專家學者做了大量研究。J.A.Hudson[3]研究表明斷層的存在會較大程度地擾動地應力的局部分布，這種局部應力的擾動是難以測量、表征和外推的，可以在分析時把斷層破碎帶看做散體介質可以更好更科學地表征斷層帶的受力行為。賈曉亮等[4]通過 FLAC3D模擬斷層端部地應力場分布情況，得出斷層傾角、斷層性質、斷層內摩擦角、煤層彈性模量、煤層泊松比和邊界應力比是影響斷層端部應力大小的主要因素。Katona[5]通過研究發(fā)現(xiàn)圍巖體并不是剛體的，而是彈性、塑性與粘性的共同體，所以塊體理論對于圍巖巖塊的相互作用難以分析。穆磊等[6]通過 FLAC3D，從圍巖應力、巷道斷面收縮率以及塑性區(qū)分布進行分析對比，研究巷道支護的設計條件。肖猛等[7]通過 FLAC3D對系統(tǒng)非平衡力的計算和關鍵部位位移的跟蹤表明,圍巖可以通過自身應力、應變和能量的調整使整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀況。彭常成等[8]采用FLAC3D軟件模擬了巷道分步開挖時巷道圍巖的力學特性及變化狀態(tài),分析了巷道錨注支護前后的應力、應變、塑性屈服情況及巷道支護的效果。

拉底過斷層的應力顯現(xiàn)及變化過程是異常復雜的，由于條件限制，無法直觀地觀察應力變化過程[9]。本文結合某銅礦實例，根據(jù)礦山設計采用的拉低過斷層巷道方案，利用FLAC3D數(shù)值模擬手段對拉底過斷層區(qū)噴錨支護巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，并對圍巖應力、邊幫收斂、頂板沉陷、加厚邊幫支護結果、加厚錨桿支護結果進行分析，并根據(jù)模擬結果，為礦山拉底過斷層提供新的思路和方法。

1 工程數(shù)值模型

該礦采用自然崩落法，拉底巷道底部位于3736 m水平。本次拉底巷道支護穩(wěn)定性分析研究時，拉底巷道圍巖的結構呈“碎裂鑲嵌結構”，巖體質量相對較好，采用了濕噴進行支護，構造斷層相對較小，巖體質量相對較高[10]。

1.1 模型構建

1.1.1 錨桿

在 FLAC3D中對錨桿采用樁結構單元進行模擬，樁單元具有模擬錨桿支護的特性功能。由于樁結構單元所需參數(shù)較多，錨桿參數(shù)見表1。

1.1.2 噴砼

FLAC3D中噴砼支護可使用 2D結構單元來模擬，噴射混凝土層除了具有薄膜元件的抗拉力外，還具有一定的抗彎和抗扭效應，因此應該使用襯砌結構單元來模擬，其中數(shù)值模擬參數(shù)見表2。

1.2 本構模型及參數(shù)確定

巖體參數(shù)利用Hoek-Brown準則折減并進行參數(shù)反演后選擇（見表3）。

破碎帶參數(shù)如表4所示。

研究區(qū)域斷層交匯區(qū)地表標高不超過3998 m，取4000 m為地表標高，模型高度和寬度均取為60 m，超過巷道最大尺寸的6倍，以減小邊界效應。取3736平面為數(shù)值模型的XOY平面，于是地表要施加250 m高覆巖的自重，如圖1所示。

表1 使用樁單元模擬錨桿的屬性參數(shù)

表2 噴漿使用襯砌模擬的屬性參數(shù)

表3 折減后巖體參數(shù)

表4 斷層的力學參數(shù)

1.3 邊界條件及地應力反演

斷層破碎帶看做散體介質可以更好更科學地表征斷層帶的受力行為，模型四周邊界滾支固定，底部邊界完全固定，地表作為自由面不做處理，以此作為模型的邊界條件。

通過FLAC3D的梯度功能，推導出原始平衡點，通過對模型施加水平應力、重力，運行平衡狀態(tài)，記錄中間主應力SXX、最大主應力SYY和豎直主應力SZZ。數(shù)值模擬所得地應力和實測地應力結果對比見表5。

圖1 數(shù)值模型幾何布局

表5 應力反演值與實測值對比統(tǒng)計

對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬演算所得地應力與實測地應力較為接近。

1.4 巷道監(jiān)測設計

在巷道斷面的頂?shù)装逯醒?、巷道側幫的上邊界、中點和下邊界設置監(jiān)測點，分別監(jiān)測z向和y向的收斂。同樣，監(jiān)測也分為斷層穿過的破碎區(qū)和相對完整區(qū)兩部分。

2 模擬結果分析

2.1 圍巖應力

頂板和側壁是拉底巷道的支護區(qū)域，對于不同斷層寬度下斷層區(qū)和正常圍巖區(qū)的頂板、側壁圍巖最大應力進行提取，見表6。

表6中的最大主應力均出現(xiàn)在邊幫，而邊幫的最大剪應力和最小主應力是最小的。最大剪應力、最小主應力均出現(xiàn)在頂板，因而頂板的拉應力比較小。原因是地應力的水平成分是主應力，對于側幫有較大影響，側幫最大收斂圖也顯示了相同的規(guī)律，說明在此種情況下，支護的重點不能僅僅放在頂板上，對于邊幫支護也要適當加厚、適當加密錨桿。

表6 不同斷層寬度下頂板和側壁圍巖應力

2.2 邊幫收斂

數(shù)值模擬顯示，邊幫收斂最大值出現(xiàn)在巷道中間長度處，在整個斷層區(qū)與完整區(qū)的不同開挖階段遍歷所有點的收斂值，得到邊幫最大收斂結果如圖2、圖3所示（圖中supported表示使用提出的方法支護結果，no support表示無支護），得到邊幫收斂位移云圖，如圖4所示。

圖2 邊幫最大收斂（斷層區(qū)）結果

由圖2所示，斷層區(qū)支護前后巷道邊幫最大收斂對比可見，支護后邊幫的收斂減少，但范圍有限。表明在該銅礦水平應力是主應力方向且遠大于豎直應力的情況下，支護厚度不足，應當進一步加厚。

由圖3所示，完整區(qū)支護前后巷道邊幫最大收斂對比可見，完整區(qū)邊幫的收斂較之斷層區(qū)略小，但最大值依然大于2 cm。同斷層區(qū)邊幫收斂規(guī)律類似，支護后邊幫的收斂減少，但減少范圍有限。

由圖4可看出，整體的邊幫收斂抑制效果很明顯，兩幫的各自最大收斂值減少明顯，收斂值位于較高區(qū)間的范圍也得到了很大控制。同時，最大收斂值減少有限，也說明對于水平應力時主應力的拉底巷道中間長度段的邊幫支護應當適當加厚。

圖3 邊幫最大收斂（完整區(qū)）結果

圖4 有無支護時邊幫收斂對比

2.3 頂板沉陷

類似邊幫收斂監(jiān)測的方法，對比不同寬度下、不同開挖階段的斷層區(qū)和完整區(qū)頂板沉陷的最大值，得到頂板最大沉陷示意圖，如圖5、圖6所示，得到頂板沉陷云圖，如圖7所示。

圖5 頂板最大沉陷（斷層區(qū)）

圖6 頂板最大沉陷（完整區(qū)）

圖7 有無支護時頂板沉陷對比

由圖5可知，支護后，頂板最大沉陷得到了有效控制。而且，支護前不同寬度斷層下頂板沉陷差距較大；支護后不同寬度下頂板最大沉陷值比較接近，即選用不同的安全系數(shù)支護后能夠比較好地將最終沉陷值控制在選定的不同沉陷區(qū)間內。

由圖6可知，由于完整區(qū)圍巖本身的沉陷就比較小，支護后控制沉陷的空間有限。

由圖7可知，從整體沉陷來看，支護后沉陷值不僅更小，且分布更為均勻，說明支護對于頂板沉陷而言是十分有效的。

2.4 加厚邊幫支護結果

將邊幫噴砼厚度加厚 25 mm后，所得最大邊幫收斂見表7。

表7 邊幫加厚支護后最大收斂值對比

從表7可以看出，邊幫支護加厚25 m后，巷道邊幫最大收斂值改善并不明顯，甚至部分情況下并未減少，這種現(xiàn)象與該銅礦水平應力是最大主應力有關，且不能反映全局的收斂分布。整體分布較均勻，收斂值較大的范圍比較少是支護效果的關鍵。

2.5 加密錨桿支護結果

使用加密錨桿，并對加密錨桿支護前后巷道周邊應力和變形極值進行監(jiān)測，結果如下。

2.5.1 圍巖應力

最大拉應力相比減少，且拉應力得到了明顯降低。最大主應力均出現(xiàn)在邊幫，而邊幫的最大剪應力和最小主應力最小。最大剪應力、最小主應力均出現(xiàn)在頂板。原因是該礦區(qū)地應力的水平成分是最大主應力，對于邊幫有較大影響，圖8所示的側幫最大收斂圖也顯示了相同的規(guī)律。說明頂板破碎帶和邊幫支護都要適當加厚、加密錨桿。

2.5.2 邊幫收斂

在整個斷層區(qū)與完整區(qū)的不同開挖階段監(jiān)測收斂值，得到邊幫最大收斂結果。由圖8所示，支護后邊幫的收斂減少，但減少范圍有限，這和應力分析中邊幫的拉應力最大是對應的；表明在該銅礦水平應力是主應力方向且遠大于豎直應力的情況下，邊幫變形較大。完整區(qū)支護前后巷道邊幫最大收斂對比可見，完整區(qū)邊幫的收斂較之斷層區(qū)略小，但最大值依然大于2 cm；同斷層區(qū)邊幫收斂規(guī)律類似。

2.5.3 頂板沉陷

監(jiān)測不同寬度下、不同開挖階段的斷層區(qū)和完整區(qū)頂板沉陷的最大值，總結繪圖如圖8～圖10所示。

圖10所示，支護后頂板最大沉陷得到了有效控制。斷層區(qū)在支護后，不同寬度下頂板最大沉陷值較接近，即選用不同的安全系數(shù)支護后能夠將最終沉陷值控制在選定的不同沉陷區(qū)間內。完整區(qū)圍巖本身的沉陷較小，支護后控制沉陷的空間有限。從整體沉陷來看，完整區(qū)支護后沉陷值更小且分布更均勻。說明支護對于頂板沉陷控制十分有效。

圖8 最大邊幫收斂

圖9 有無支護時邊幫收斂分布

雖然支護對于最大邊幫收斂值減小效果有限，但最大值只是一點的反映。由圖9可以看出，此時整體的邊幫收斂抑制效果很明顯，兩幫的各自最大收斂值減少明顯，收斂值位于較高區(qū)間的范圍也得到了很大控制。同時，最大收斂值減少有限，也說明對于水平應力是主應力的拉底巷道中間長度段的邊幫支護應當適當加厚。

3 結論

（1）結合礦山巷道實際，利用 FLAC3D軟件對拉底過斷層區(qū)噴錨支護巷道穩(wěn)定性展開研究。對于既定的邊幫收斂，采用支護后，邊幫的收斂減少但有一定限度，完整區(qū)邊幫的收斂較之斷層區(qū)略小。對于頂板的沉陷，對比不同寬度下、不同開挖階段的斷層區(qū)和完整區(qū)頂板沉陷的最大值，可以得出結論：在支護前，不同寬度斷層下頂板沉陷差距較大，支護后，不同寬度下頂板最大沉陷值較接近。此外，在加厚一定的邊幫支護的基礎上，最大值收斂不明顯。

圖10 最大頂板沉陷示意

（2）利用FLAC3D加密了一定的錨桿支護后，測得發(fā)現(xiàn)最大主應力出現(xiàn)在邊幫，頂板沉陷相對于之前變小，邊幫收斂比起加密支護前變小。證明了加密錨桿支護是有效增強巷道穩(wěn)定性的手段，與實際礦山生產中相呼應。

（3）FLAC3D模擬結果與礦山巷道理論設計基本符合，對于拉底過斷層巷道的穩(wěn)定性可以起到很好的指導作用，將FLAC3D應用于研究巷道穩(wěn)定性是完全可行的，對于礦山的安全生產具有指導意義。