深部采動影響下硬巖巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

代碧波 李懷賓 張姝婧 趙興東

（1.東北大學(xué)采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽 110819；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000）

隨著淺部資源的日益枯竭，進(jìn)入深部高應(yīng)力區(qū)開采資源成為必然趨勢。深部開采巖體處于“三高一擾動”的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中，特別對于受采動影響的深部硬巖巷道，巷道圍巖常發(fā)生層裂、巖爆等災(zāi)害事故，造成人員傷亡、設(shè)備損壞和生產(chǎn)停滯等。究其原因主要是對采動影響下巷道圍巖的力學(xué)特性認(rèn)識不足［1-3］，導(dǎo)致不能合理地確定巷道圍巖的控制措施。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對采動影響下巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，例如，賈后省等［4］利用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究采動疊加應(yīng)力場分布特征，分析了采動影響條件下巷道圍巖的破壞特征與冒頂機(jī)理；WACLAWIK等［5］對長壁開采下巷道圍巖的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，得出隨著工作面的推進(jìn)，圍巖應(yīng)力隨之發(fā)生改變；WANG等［6］通過鉆孔電視監(jiān)測和聲波測試對巷道圍巖的破壞情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明巷道在采動影響下比在靜態(tài)壓力下圍巖破壞區(qū)域更大；付玉凱［7］通過數(shù)值計(jì)算的方法，分析了留巷巷道在臨近工作面和本工作面雙重采動影響下的圍巖應(yīng)力狀態(tài)；ABDELLAH等［8］采用統(tǒng)計(jì)的方法分析了巷道在采動影響下的穩(wěn)定性情況。上述研究成果對采動影響下巷道圍巖穩(wěn)定性分析提供了有價(jià)值的參考，但對深部采動影響下硬巖巷道穩(wěn)定性方面的研究相對較少。

紅透山銅鋅礦現(xiàn)開拓深度1 657 m，開采深度1 257 m，是中國開采最深的有色金屬礦山，-767 m中段（埋深1 197 m）13#、14#采場斜坡道在采動影響下，出現(xiàn)大范圍的層裂破壞（見圖1），給生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。因此，在深部采動影響下，針對礦山特殊的工程地質(zhì)和開采條件，研究深部硬巖巷道圍巖的穩(wěn)定性成為紅透山銅鋅礦深部開采的重點(diǎn)課題。針對上述實(shí)際情況，以紅透山銅鋅礦-767 m中段13#、14#采場斜坡道為研究對象，采用數(shù)值模擬方法分析開采過程中巷道圍巖的應(yīng)力、塑性區(qū)和位移變化規(guī)律，為采動影響下巷道穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)

紅透山銅鋅礦床位于渾河大斷裂帶上盤，礦體上盤為黑云斜長片麻巖、下盤為角閃斜長片麻巖。礦床總體走向近東西，傾向南東，傾角在70°～80°之間，礦體平均厚20 m。目前紅透山銅鋅礦主要采用上向水平分層充填采礦法，礦房垂直高度60 m，每分層開采高度3 m，采用尾砂膠結(jié)充填；-767 m中段13#、14#采場斜坡道巷道斷面尺寸3.0 m×2.8 m（寬×高），為四分之一三心拱巷道，采場與斜坡道位置關(guān)系見圖2。

利用測線法對研究區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查分析可知，其巖體結(jié)構(gòu)面分布情況見表1。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用RMR和Q方法對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級（見表2），巖體質(zhì)量一般～好，最后基于Hoke-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算巖體力學(xué)參數(shù)（見表3）。

2 采動影響下圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 開采方案

為了研究采動影響下斜坡道圍巖的穩(wěn)定性，考慮13#、14#采場斜坡道同中段的采場以及上下兩個中段采場的影響，為了簡化計(jì)算，每個采場分兩步開采，總體開采次序?yàn)閺南碌缴希谀Ｐ陀?jì)算中，具體的計(jì)算步驟為模擬開采和充填的次序（見表4）。采用FLAC3D軟件分析采動影響下巷道圍巖的應(yīng)力、塑性區(qū)和位移的變化規(guī)律。

2.2 數(shù)值模型建立

模型尺寸為1 000 m×20 m×1 260 m（長×寬×高），劃分271 520個單元，如圖3所示，考慮到計(jì)算精度的問題，對巷道位置處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，礦體傾角為70°，厚度20 m。模型邊界采用位移約束，水平方向限制x和y方向的位移，模型底邊限制x、y和z方向的位移，模型上邊界施加覆巖自重的應(yīng)力，約為15 MPa，模擬采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 主應(yīng)力演化過程分析

為了得到圍巖主應(yīng)力隨開采的演化過程，在斜坡道圍巖的左幫、拱肩和頂板處沿徑向方向10 m內(nèi)每隔0.2 m布置1個測點(diǎn)，監(jiān)測該點(diǎn)處的主應(yīng)力值。為了便于觀察，在此設(shè)定壓應(yīng)力為正。

（1）幫部主應(yīng)力。根據(jù)以上模型，提取圍巖一監(jiān)測斷面左幫中點(diǎn)處不同深度測點(diǎn)的主應(yīng)力值（見圖4）。可以看出，最大主應(yīng)力值在幫壁附近相對較小，隨著徑向深度的增加，最大主應(yīng)力值先增加后減小，深度在距離幫壁2倍巷道寬度時(shí)，該點(diǎn)的主應(yīng)力值趨于穩(wěn)定；在距離幫壁0.5 m范圍內(nèi)最小主應(yīng)力值較小，圍巖易發(fā)生σ3＜5 MPa時(shí)的張拉破壞，隨著徑向深度的增加，最小主應(yīng)力值增大，圍巖易發(fā)生σ3＞5 MPa時(shí)的剪切破壞［10］；隨著開采的進(jìn)行，最大主應(yīng)力峰值先增加后減小，這主要是由于開采至巷道水平附近時(shí)，在巷道附近形成應(yīng)力集中區(qū)，開采超過巷道水平后，應(yīng)力集中區(qū)隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移，在巷道靠近采場側(cè)應(yīng)力開始釋放；幫壁處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力值均逐漸減小。

（2）拱肩主應(yīng)力。提取巷道拱肩不同深度測點(diǎn)的主應(yīng)力值（見圖5）?？梢钥闯?，最大主應(yīng)力值在拱肩處出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著徑向深度的增加，最大主應(yīng)力值逐漸減小，深度在距離拱肩2倍巷道寬度時(shí)，該點(diǎn)的主應(yīng)力值趨于穩(wěn)定；最小主應(yīng)力在拱肩附近就達(dá)到較大值，圍巖易發(fā)生σ3＞5 MPa時(shí)的剪切破壞［10］；隨著開采的進(jìn)行，最大主應(yīng)力峰值先增加后減小，這主要是由于開采至巷道水平附近時(shí)，在巷道附近形成應(yīng)力集中區(qū)，開采超過巷道水平后，應(yīng)力集中區(qū)隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移，在巷道靠近采場側(cè)應(yīng)力開始釋放。

（3）頂板主應(yīng)力。提取巷道頂板中點(diǎn)處不同深度測點(diǎn)的主應(yīng)力值（見圖6）。可以看出，隨著徑向深度的增加，最大主應(yīng)力值逐漸增加，深度在距離頂板3倍巷道寬度時(shí)，該點(diǎn)的主應(yīng)力值趨于穩(wěn)定；在距離頂板0.5 m范圍內(nèi)最小主應(yīng)力值較小，圍巖易發(fā)生σ3＜5 MPa時(shí)的張拉破壞，隨著徑向深度的增加，最小主應(yīng)力值增大，圍巖易發(fā)生σ3＞5 MPa時(shí)的剪切破壞［10］；隨著開采的進(jìn)行，最大主應(yīng)力峰值先增加后減小，這主要是由于開采至巷道水平附近時(shí)，在巷道附近形成應(yīng)力集中區(qū)，開采超過巷道水平后，應(yīng)力集中區(qū)隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移，在巷道靠近采場側(cè)應(yīng)力開始釋放；當(dāng)計(jì)算至第8步驟時(shí)，頂板出現(xiàn)2 MPa的拉應(yīng)力，大于巖體的抗拉強(qiáng)度；在第12步驟時(shí)，頂板處最小主應(yīng)力值接近0 MPa的深度約為1 m，此時(shí)圍巖處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。

（4）應(yīng)力集中位置分析。為了進(jìn)一步確定開采后主應(yīng)力的變化情況，圖7給出了第1步驟、第8步驟和第12步驟最大主應(yīng)力集中點(diǎn)位置。結(jié)果表明：隨著開采的進(jìn)行，應(yīng)力集中區(qū)位置沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)動角度達(dá)20°左右，應(yīng)力集中區(qū)位置的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致巷道塑性區(qū)以及錨桿受力的變化，增加了巷道的不穩(wěn)定性。

2.3.2 塑性區(qū)演化過程分析

隨著開采的進(jìn)行，巷道圍巖的塑性區(qū)變化如圖8所示，在第1～第6步驟時(shí)（見圖8（a）和圖8（b）），巷道圍巖塑性區(qū)較小，塑性區(qū)范圍幾乎沒有變化，最大塑性區(qū)出現(xiàn)在底板，范圍為0.8 m；當(dāng)開采至與巷道相同水平時(shí)（見圖8（c）），巷道圍巖塑性區(qū)范圍明顯增大，最大塑性區(qū)出現(xiàn)在底板，范圍為5.0 m；隨著采場的持續(xù)開采，兩幫及底板塑性區(qū)范圍變化不大，在第12步驟時(shí)，靠近采場側(cè)，頂板塑性區(qū)增加至6.5 m，并且圍巖塑性區(qū)呈不對稱分布，對于3.0 m×2.8 m三心拱巷道，設(shè)計(jì)支護(hù)的錨桿長度一般為2.0～2.5 m，塑性區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常的支護(hù)范圍，所以對受開采影響的巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，必須充分考慮開采的影響。開采結(jié)束后，巷道圍巖的塑性區(qū)具有以下的變化規(guī)律，巷道左幫（靠近采場側(cè)）從0.35 m（第1步驟）增加至0.6 m（第12步驟）；巷道右?guī)停ㄟh(yuǎn)離采場側(cè)）從0.35 m（第1步驟）增加至0.4 m（第12步驟）；底板從0.8 m（第1步驟）增加至5.4 m（第12步驟）；頂板從0.2 m（第1步驟）增加至6.5 m（第12步驟）。

2.3.3 位移變化規(guī)律分析

由于沿著巷道幫壁位移不均勻分布，一般情況下，在幫壁的中間位置比較接近最大位移變化值，選取幫壁的中點(diǎn)進(jìn)行說明，圖9給出了隨著開采的進(jìn)行，巷道兩幫位移的變化情況，正值表示遠(yuǎn)離采場方向，負(fù)值表示靠近采場方向。巷道左幫先向遠(yuǎn)離采場方向移動（第1～第7步驟），然后向靠近采場方向移動（第8～第13步驟），從1.9 mm減小至-33.3 mm；巷道右?guī)驮诘?步驟時(shí)向采場方向移動，然后開始向遠(yuǎn)離采場方向移動（第2～第7步驟），最后同左幫一起向靠近采場方向移動（第8～第13步驟）；從-1.4 mm減小至-31.5 mm。巷道兩幫總體表現(xiàn)出先向遠(yuǎn)離采場方向移動，然后向靠近采場方向移動的規(guī)律，這主要是由于，在第1～第7步驟，尤其在第6～第7步驟后，在采場的右上角出現(xiàn)水平應(yīng)力集中（見圖10（a）），然而在巷道右側(cè)的整體水平應(yīng)力值沒有明顯的變化，導(dǎo)致巷道整體向遠(yuǎn)離采場方向移動；當(dāng)開采超過巷道相同水平后，巷道左側(cè)水平應(yīng)力得到較大的釋放（見圖10（b）），然而在巷道右側(cè)的整體水平應(yīng)力值沒有明顯的變化，導(dǎo)致巷道整體向靠近采場方向移動。

巷道頂?shù)装宀捎蒙鲜龇绞?，選取中點(diǎn)進(jìn)行說明，負(fù)值表示下沉量。巷道開挖后，頂板出現(xiàn)-4.8 mm的位移，第2～第5步驟頂板下沉量逐漸減小，在第6步驟時(shí)，頂板位移開始變?yōu)檎?，這是由于采場開挖后，在巷道左側(cè)產(chǎn)生水平方向應(yīng)力集中（見圖10（a）），導(dǎo)致頂板下沉量減??；計(jì)算至第8步驟之后，頂板向上移動快速增加，這主要是由于隨著開采的進(jìn)行，垂直應(yīng)力分量逐漸減小（見圖11），頂板位移從-4.8 mm增大至61.5 mm。隨著開采的進(jìn)行，巷道底板隆起量持續(xù)增加，從5.9 mm增加至78.8 mm。開采結(jié)束后，巷道整體向靠近采場方向傾斜移動（見圖12）。

3 結(jié) 論

（1）巷道開挖后，在距離幫壁和頂板0.5 m和1.0 m范圍內(nèi)最小主應(yīng)力值較小，圍巖易發(fā)生張拉破壞，而最小主應(yīng)力在斜坡道拱肩附近就達(dá)到較大值，圍巖易發(fā)生剪切破壞；隨著徑向深度的增加，幫壁處最大主應(yīng)力值先增加后減??；拱肩處最大主應(yīng)力值逐漸減小，頂板處最大主應(yīng)力值逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。

（2）隨著開采的進(jìn)行，最大主應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；最大主應(yīng)力集中區(qū)沿著順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度20°左右；圍巖塑性區(qū)逐漸變?yōu)榈?，并呈不對稱分布；頂板先下沉后向上移動，從-4.8 mm增大至61.5 mm；巷道底板隆起量持續(xù)增加，從5.9 mm增加至78.8 mm；斜坡道兩幫總體表現(xiàn)出先向遠(yuǎn)離采場方向移動，然后向靠近采場方向移動的規(guī)律，左幫從1.9 mm減小至-33.3 mm，右?guī)蛷?1.4 mm減小至-31.5 mm；開采結(jié)束后，斜坡道整體向靠近采場方向傾斜移動。

（3）對比所有計(jì)算步驟表明：在開采至斜坡道相同水平時(shí)，開采對斜坡道圍巖的穩(wěn)定性的影響較顯著，此時(shí)斜坡道圍巖出現(xiàn)蝶形塑性區(qū)，幫壁在水平方向上，從向遠(yuǎn)離采場方向移動轉(zhuǎn)向靠近采場方向移動，頂板向上移動開始加劇。