龍陵縣勐糯鉛鋅礦深部巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

謝恩彩 ，楊世成，李永生，張 權(quán)

(云南永昌鉛鋅股份有限公司，云南 龍陵 678307)

目前，國內(nèi)大部分礦山已由淺部、露天開采逐漸轉(zhuǎn)到深部開采，礦山巷道圍巖的變形破壞也越來越嚴(yán)重，巷道穩(wěn)定性問題以及支護(hù)困難亟待解決。國內(nèi)外學(xué)者對巷道圍巖的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了一系列研究[1-9]。針對單一巖性進(jìn)行相關(guān)巷道圍巖穩(wěn)定性研究較多，對于深部相同地應(yīng)力環(huán)境下硬巖及軟巖巷道穩(wěn)定性對比分析較少。本文采用phase2有限元軟件對龍陵縣勐糯鉛鋅礦山200m中段巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，對比分析結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖巷道無支護(hù)情況下應(yīng)力場、位移場、塑性變形區(qū)等情況，綜合對比研究該中段巷道穩(wěn)定性及可能出現(xiàn)的破壞模式，為巷道支護(hù)方法優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值計算模型

據(jù)礦山地質(zhì)資料、設(shè)計資料構(gòu)建礦山200m中段(埋深約800m)主要沿脈巷道數(shù)值計算模型，巷道尺寸如圖1。采用phase2有限元軟件對礦山200m中段巷道進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果可知，礦山200m中段三個主應(yīng)力方向分別為近東西方向、南北方向和垂直方向，礦山主要巷道布設(shè)方向為近東西、南北走向，因此對于礦山巷道的分析滿足平面應(yīng)變假設(shè)前提條件，在模型建立和邊界施加過程中可按平面應(yīng)變條件處理。依據(jù)圖1建立有限元計算模型，根據(jù)巷道實際尺寸取值，圍巖范圍按4倍巷道斷面尺寸圈定，計算模型如圖2所示。

本次建立的巷道數(shù)值計算模型范圍：x方向長18.9m，y方向長19.2m，為平面應(yīng)變模型。依據(jù)地應(yīng)力場實測結(jié)果和巷道埋深，模型兩側(cè)邊界分別施加一定的水平應(yīng)力，上部施加所對應(yīng)的垂向應(yīng)力，軸向施加相應(yīng)水平應(yīng)力，底部施加固定鉸支約束，使計算區(qū)域的數(shù)值模擬地應(yīng)力場與實測值吻合。

2 計算參數(shù)選取

本次計算選用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，采用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)計算 。根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則，采用rocklab軟件，輸入巖石基本強(qiáng)度指標(biāo)、巖石類型、GSI指標(biāo)(依相關(guān)理論在RMR巖體質(zhì)量分類法基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到)等參數(shù)，得到結(jié)晶灰?guī)r(硬巖)、千枚巖(軟巖)巖體參數(shù)，表1。兩類巖體強(qiáng)度參數(shù)計算過程曲線見圖3。

表1 依據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則法得到的巖體力學(xué)參數(shù)

圖3 兩類巖體力學(xué)參數(shù)計算過程曲線

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地應(yīng)力場實測數(shù)據(jù)分析

在地下工程數(shù)值分析時，計算成功的關(guān)鍵不僅需要準(zhǔn)確的計算模型，初始地應(yīng)力場也十分關(guān)鍵。數(shù)值模擬的初始地應(yīng)力場是否與實際地應(yīng)力場吻合，是決定地下工程數(shù)值模擬是否成功的基本條件。一般情況下，隨著埋深的增大，原巖應(yīng)力值的大小也隨之增大。本次基于地應(yīng)力場實測數(shù)據(jù)得到最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力隨深度的分布規(guī)律及擬合公式。

依據(jù)該礦山地應(yīng)力測試報告可知：該礦區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，東西向為主構(gòu)造應(yīng)力方向。其中200-24-ZK1鉆孔空間三個主應(yīng)力大小依次為26.26MPa、21.70MPa和6.28MPa，最大主應(yīng)力σ1方位角為96.48°，近東西向，傾角9.42°，近似水平方向；最小主應(yīng)力σ3方位角為180.36°，近南北向，傾角12.73°，也近似為水平方向；中間主應(yīng)力σ2傾角74.11°，近似為豎直方向，而且σ2基本等于上覆巖土自重應(yīng)力。200-18-ZK1鉆孔空間三個主應(yīng)力大小依次為30.64MPa、22.44MPa和7.97MPa，最大主應(yīng)力σ1方位角為83.32°，近東西向，傾角17.44°，近似為水平方向；最小主應(yīng)力σ3方位角176.25°，近南北向，傾角9.12°，也近似為水平方向；中間主應(yīng)力σ2傾角為70.23°，近似為豎直方向，而且σ2基本等于上覆巖土自重應(yīng)力。原巖應(yīng)力場實測結(jié)果見表2。

表2 原巖應(yīng)力場實測結(jié)果

基于原巖應(yīng)力場實測結(jié)果，得到地應(yīng)力隨標(biāo)高變化的擬合公式為：

最大主應(yīng)力擬合公式：σ1=-0.038x+33.32

(1)

中間主應(yīng)力擬合公式：σ2=-0.0265x+25.39

(2)

最小主應(yīng)力擬合公式：σ3=-0.015x+8.99

(3)

式中，x為標(biāo)高值，單位m。

依據(jù)(1)～(3)式，200m中段巷道模型范圍內(nèi)最大主應(yīng)力σ1為25.38MPa～25.58MPa、最小主應(yīng)力σ3為5.89MPa～6.10MPa、中間主應(yīng)力σ2為19.98MPa～20.18MPa，隨深度增加主應(yīng)力增大，(圖4)。三個主應(yīng)力方向分別為東西向、南北向和垂直向，如圖5。

圖4 200m中段巷道圍巖初始地應(yīng)力場

圖5 初始地應(yīng)力場方向矢量圖Fig 5.Vector of Initial Crustal Stress Field Direction

數(shù)值模擬結(jié)果及實測地應(yīng)力場的對比結(jié)果見表3。可見，數(shù)值模擬計算結(jié)果與應(yīng)力實測值吻合較好。

表3 實測值與數(shù)值模擬計算結(jié)果對比

3.2 巷道穩(wěn)定性分析

(1)圍巖為結(jié)晶灰?guī)r情況

巷道開挖后，圍巖應(yīng)力見圖6。主要應(yīng)力集中區(qū)位于巷道上部和底部2.8m深處圍巖體，巷道底部邊角及拱頂兩側(cè)出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力43.5MPa。巷道底部、拱頂圍巖及側(cè)幫均有明顯的應(yīng)力釋放，出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，主要分布在拱頂0.6m、側(cè)幫中部0.8m及底部0.75m范圍以內(nèi)。

圖6 巷道圍巖應(yīng)力

巷道圍巖變形總體較小，如圖7。最大位移點位于巷道拱頂處，拱頂下沉1.32cm，巷道底鼓不明顯，僅為1.05cm，側(cè)幫中間部位收斂變形1.21cm。巷道圍巖塑性區(qū)在巷道周邊均有分布(見圖8)，側(cè)幫圍巖塑性變形范圍在1.0m以內(nèi)，底部圍巖塑性變形影響范圍最遠(yuǎn)處為1.4m，拱頂圍巖在拱頂兩側(cè)分布近1.1m范圍的塑性變形區(qū)。

圖7 巷道圍巖變形

圖8 巷道圍巖塑性變形區(qū)

巷道圍巖為結(jié)晶灰?guī)r時，巷道穩(wěn)定性總體良好。礦山200m中段巷道無支護(hù)時，將在巷道側(cè)幫圍巖1m～2m處產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中，同時巷道周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力釋放，均不會發(fā)生大面積垮塌或嚴(yán)重的巷道變形，但要做到及時的敲幫問頂處理浮石。在無支護(hù)或簡單支護(hù)條件下即可保障安全，但在巖體裂隙局部發(fā)育地段或斷層揭露處應(yīng)采取及時的有效支護(hù)措施。

(2)圍巖為千枚巖情況

巷道開挖后，應(yīng)力分布情況見圖9，主要應(yīng)力集中區(qū)位于巷道側(cè)幫5m以外深處圍巖體，最大主應(yīng)力48MPa。巷道周邊巖體出現(xiàn)明顯應(yīng)力釋放區(qū)，并且應(yīng)力釋放區(qū)影響較遠(yuǎn)，巷道圍巖體內(nèi)部4m范圍以內(nèi)分布受拉區(qū)。

圖9 巷道圍巖應(yīng)力

巷道圍巖變形總體較大，如圖10所示，最大位移點位于巷道拱頂處，拱頂下沉1.08m，巷道發(fā)生明顯底鼓，達(dá)0.81m，側(cè)幫中間部位收斂變形也較大為1.04m。

圖10 巷道圍巖變形

塑性區(qū)變形區(qū)如圖11，該類巷道開挖后塑性變形影響較遠(yuǎn)。巷道圍巖塑性變形廣泛分布在巷道周邊巖體內(nèi)，拉應(yīng)力破壞區(qū)最遠(yuǎn)處可達(dá)8m。

圖11 巷道圍巖塑性變形區(qū)Fig 11 Plastic Deformation Zone of Tunnel WallRock

礦山200m中段巷道圍巖為千枚巖時，主要應(yīng)力集中區(qū)廣泛分布于巷道圍巖內(nèi)部約5m以外深處圍巖體，在巷道周邊約4m范圍以內(nèi)出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力區(qū)主要集中分布在巷道周邊圍巖，遠(yuǎn)端也有分布。巷道產(chǎn)生明顯收斂變形，巷道收斂變形最大處位于拱頂，達(dá)到0.9m～1.4m，底鼓分別達(dá)0.8m左右，側(cè)幫發(fā)生0.8m～1.0m收斂變形。

塑性變形區(qū)廣泛分布在巷道周邊巖體內(nèi)，拉應(yīng)力破壞區(qū)普遍分布在圍巖體4.5m以內(nèi)。因此，該類巷道無支護(hù)時，將發(fā)生大面積垮塌和較嚴(yán)重的巷道收斂變形，若及時采取支護(hù)措施后可在一定程度上控制巷道變形，由于錨桿無法貫穿整個塑性變形區(qū)，無法完全阻止巷道持續(xù)變形，但可控制巷道圍巖體的垮落，后期需要多次對斷面進(jìn)行修整并重新支護(hù)來減少圍巖變形的危害。

4 結(jié) 論

本文采用phase2有限元軟件構(gòu)建礦山200m中段巷道數(shù)值計算模型，采用Hoek-Brown準(zhǔn)則得到巖體力學(xué)參數(shù)，對礦山深部200m巷道進(jìn)行模擬，分析了礦山200m中段不同巖性巷道圍巖應(yīng)力場、位移場、塑性變形區(qū)等情況。主要結(jié)論如下：

(1)200m中段巷道圍巖均處于高應(yīng)力地區(qū)，巷道開挖之后，一方面應(yīng)力重新分布，向臨空面轉(zhuǎn)移，能量得到釋放，造成硐壁圍巖應(yīng)力降低，另一方面應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而形成巷道圍巖深處局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著巷道開挖的進(jìn)行，應(yīng)力釋放區(qū)域遍布巷道周邊圍巖，變形破壞集中于應(yīng)力下降明顯的巷道拱頂、側(cè)壁和底板，易產(chǎn)生冒頂、片幫和底鼓破壞。巷道產(chǎn)生指向硐室的彈塑性變形，頂拱位移以垂向向下為主，底板位移以垂向向上為主，側(cè)幫的位移主要為水平或斜向下方的位移。

(2)礦山巷道走向普遍為南北沿脈方向，與原巖應(yīng)力場中最大主應(yīng)力σ1為近似垂直關(guān)系，對于巷道穩(wěn)定性是最為不利的情況。若條件允許可盡可能改變巷道走向，可改善巷道圍巖應(yīng)力條件，使巷道更趨于穩(wěn)定，從而節(jié)約支護(hù)成本。

(3)巷道圍巖為結(jié)晶灰?guī)r，礦山200m中段巷道無支護(hù)時，不會發(fā)生大面積垮塌或嚴(yán)重的巷道變形，但要做到及時的敲幫問頂處理浮石。若遇到巖體裂隙局部發(fā)育地段或斷層揭露處可能產(chǎn)生冒頂、片幫等危害，應(yīng)采取及時的支護(hù)措施。

(4)巷道圍巖為千枚巖，礦山200m中段巷道無支護(hù)時，巷道將發(fā)生大面積垮塌和較嚴(yán)重的巷道收斂變形，若及時采取支護(hù)措施后，可在一定程度上暫時控制巷道變形，但后期需要多次對斷面進(jìn)行修整并重新支護(hù)來減少圍巖變形的影響。鋼拱架及噴錨支護(hù)可暫時起到限制巷道變形的作用，但由于巖體流變特性的影響，隨著圍巖的持續(xù)變形支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力積累到一定程度時，將造成現(xiàn)有支護(hù)損壞，巷道會繼續(xù)發(fā)生一定程度的收斂變形，需要對斷面進(jìn)行修整及重新支護(hù)。