安徽太平礦業(yè)有限公司井下巷道矽卡巖體力學參數(shù)反演

褚吉祥，于慶磊，曹永勝，孫 鵬

(1.安徽太平礦業(yè)有限公司； 2.東北大學巖石破裂與失穩(wěn)研究所)

引 言

矽卡巖型礦床是中國最常見的鐵礦床類型之一，其賦存形態(tài)復雜多變，礦巖軟弱破碎。矽卡巖體在形成過程中因變質(zhì)和蝕變作用，導致其物理力學性質(zhì)差異很大，巖石強度低，自穩(wěn)性差，水理性強，遇水易膨脹、崩解、碎化，甚至在無淋水條件下，矽卡巖體吸收空氣中的水分，也不斷膨脹、崩解[1]。長期生產(chǎn)實踐表明，矽卡巖體常是井巷變形破壞及其他形式地壓顯現(xiàn)的突發(fā)點和關(guān)鍵因素[2]。因此，確定矽卡巖體力學參數(shù)，對于評估巖體力學行為，指導該類型礦山生產(chǎn)設計、施工、維護、評價圍巖穩(wěn)定性、預防工程事故等有十分重要的意義。

矽卡巖體由于吸水易崩解的特性，難以制成標準的巖石試樣，遂無法通過試驗手段獲取其完整的力學參數(shù)。近年來，利用圍巖各種力學響應反推模型參數(shù)的反分析方法，成為當前的熱點研究問題，目前已形成完整的分析體系。反分析方法主要包括解析法和數(shù)值法，解析法由于其局限性難以適用于復雜的計算模型。數(shù)值法因其計算效率高、求解難度小等優(yōu)點得到了廣泛推廣。

目前，最常用的反分析方法是位移反分析法，即將現(xiàn)場巖體的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)作為反演依據(jù)，調(diào)整數(shù)值模型中的基本巖體參數(shù)，得出最優(yōu)解。張晨明等[3]利用增量位移反分析法對硐室圍巖彈性模量進行了反演。朱珍德等[4]利用優(yōu)化后的PSO-BP隧道位移反分析系統(tǒng)，基于現(xiàn)場監(jiān)測的變形位移數(shù)據(jù)，對隧道圍巖參數(shù)進行了反演分析，并通過與實測數(shù)據(jù)對比驗證了該方法的可行性。張社榮等[5]綜合考慮大型地下硐室群施工現(xiàn)場的開挖進度信息、支護進度信息及新出露的地質(zhì)信息，提出適用于大型地下硐室群施工期圍巖力學參數(shù)實時動態(tài)反演分析方法。劉勇等[6]基于隧洞施工過程中的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用正交設計反分析方法對松散土層、注漿加固土層和初期支護的彈性模量進行了反演分析。全面的測量信息是地下工程巖體力學參數(shù)反分析中的關(guān)鍵一環(huán)[7]。圍巖松動圈厚度分布規(guī)律亦是反映擾動條件下圍巖力學反饋的重要參數(shù)。近年來，考慮松動圈的反分析方法已有不少學者研究，如陳秋紅等[8]建立了反映松動圈差異性的反饋模型，并提出了數(shù)值模擬中對松動圈的處理方法，在錦屏一級水電站反饋分析中取得了良好的效果。張飛等[9]建立了基于松動圈范圍的參數(shù)弱化基本模型，并通過后驗差法驗證了該方法的適用性。張繼勛等[10]利用遺傳算法，結(jié)合松動圈深度信息，通過反演發(fā)現(xiàn)隧道設計采用的參數(shù)取值偏安全。綜上所述，巷道力學行為是巷道圍巖在多種動態(tài)變化因素擾動下的直觀反映，但目前巷道圍巖力學參數(shù)的反演研究大多局限于單獨采用位移監(jiān)測結(jié)果或松動圈測量結(jié)果，反演的力學參數(shù)可能不夠全面[11]。

本文以圍巖具有蝕變特征的安徽太平礦業(yè)有限公司-480 m中段運輸巷道為研究對象，以數(shù)值模擬為研究工具，采用黃金分割法，結(jié)合現(xiàn)場位移監(jiān)測結(jié)果和塑性松動區(qū)兩類測量指標，系統(tǒng)地反演分析了矽卡巖體力學參數(shù)，為該巷道后續(xù)的穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 反演分析方法

1.1 反演參數(shù)確定

巖體力學參數(shù)主要包括變形參數(shù)(彈性模量(E)及泊松比(μ))與強度參數(shù)(內(nèi)聚力(C)、內(nèi)摩擦角(φ)、抗拉強度(σt))。理論上,當模型中包含的反演參數(shù)越多，得到的結(jié)果就與現(xiàn)場巖體實際參數(shù)越符合；但過多的反演參數(shù)不僅會增加反演分析的難度，還會降低最終結(jié)果的準確性。依據(jù)工程經(jīng)驗，變形參數(shù)中彈性模量(Ε)對巖體變形的影響程度高于泊松比(μ)，強度參數(shù)中內(nèi)聚力(C)對巖體的影響高于內(nèi)摩擦角(φ)和抗拉強度(σt)。因此，本文選用巷道模型的彈性模量(E)和內(nèi)聚力(C)作為反演參數(shù)。其他影響相對較小的參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗參數(shù)作為已知項代入數(shù)值計算。在本文中，強度參數(shù)的反演依據(jù)現(xiàn)場測試圍巖松動圈范圍，變形參數(shù)的反演則依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖位移結(jié)果。

1.2 反演過程

為了評價反演參數(shù)的準確性，構(gòu)造位移及松動圈反分析的目標函數(shù)來評價對比每次反演模擬的準確度。設現(xiàn)場位移及松動圈的實測值為X0，再令數(shù)值模擬得到的計算值Xi=(Ei，Ci，μ，φ，σt)，i=1，2，…，n，作為第i次數(shù)值模擬計算的參數(shù)值。然后將測量值與模擬計算值的差值記為:

(1)

式中：R為目標函數(shù);X0為測量值;Xi為模擬計算值。

選取不同的計算參數(shù)則得到的目標函數(shù)也不同。運用黃金分割法計算位移與測量位移越接近，則R的值越小。根據(jù)礦山已有報告中巷道圍巖資料，結(jié)合測量結(jié)果，優(yōu)先確定巖體變形參數(shù)，再反演巖體強度參數(shù)。

2 巷道圍巖參數(shù)反演分析

2.1 工程概況

安徽太平礦業(yè)有限公司-480 m中段運輸巷道是該礦山深部開采的明豎井-盲豎井開拓的轉(zhuǎn)運中段，其穩(wěn)定性直接關(guān)乎深部資源的開采與利用，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。受成礦期構(gòu)造斷裂影響，礦區(qū)內(nèi)地層變動強烈，地層產(chǎn)狀變化顯著，圍巖蝕變作用(主要為矽卡巖化)顯著。蝕變后的矽卡巖體(蝕變巖)常為礦體的直接頂、底板，其形態(tài)及范圍受接觸構(gòu)造控制，暴露后，遇水易膨脹、崩解、碎化，甚至在無淋水條件下，矽卡巖體吸收空氣中的水分，也不斷崩解、膨脹、完全失去強度，巖體穩(wěn)固性極差，給巷道掘進及后期支護工作帶來極大困擾。盡管巷道采用了保守的錨網(wǎng)噴支護和U形鋼拱架支護，但是巷道仍會發(fā)生底鼓、側(cè)幫膨出變形；持續(xù)的膨出變形導致巷道圍巖片幫塌落，進而影響正常的采礦生產(chǎn)和礦石運輸，甚至造成安全生產(chǎn)事故。因此，反演分析矽卡巖體巷道的力學參數(shù)對評價圍巖穩(wěn)定性、設計維護方案等具有重要意義。

2.2 巷道變形量值

巷道地層位移監(jiān)測能夠直觀反映巷道開挖及支護后圍巖的各種動態(tài)響應。采用多點位移計監(jiān)測-480 m 中段運輸巷道1#測點處(見圖1)的變形情況。在巷道的左幫和拱頂分別設置埋深為1 m、2 m、3 m、4 m 的4個多點位移計以測量巷道圍巖位移。對各測點進行為期2個月的實時監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1 min/次，巷道圍巖的累積變形量見圖2。

圖1 測點位置示意圖

由圖2可知：左幫矽卡巖體受開挖擾動影響較大，變形經(jīng)歷了30多d的急劇增長，最高變化率達1 mm/d，此后變形逐漸穩(wěn)定，最大位移為48 mm。拱頂位移雖變化較小，最大位移只有2.6 mm，但拱頂變形持續(xù)時間較長，48 d以后趨于平穩(wěn)。并且，隨孔深增加，巷道圍巖穩(wěn)定性逐漸增加，各測點變形量逐漸減小。

2.3 松動圈測試

通過聲波測試得出的松動圈大小，直接反映巖體的完整性程度，進而更深層次地體現(xiàn)圍巖強度參數(shù)(內(nèi)聚力)的強弱。因此，松動圈大小和分布在判定圍巖穩(wěn)定性的同時也可作為圍巖參數(shù)反演的重要依據(jù)。采用意大利FASTWAVE高速高精度探地雷達，在-480 m中段運輸巷道處沿巷道走向進行了掃描探測。左幫在巷道掘進過程中發(fā)生了局部坍塌，地質(zhì)雷達探測結(jié)果顯示該段巷道松動圈大部分區(qū)域松動圈厚度約2.00 m，局部超過2.50 m(見圖3)。經(jīng)過統(tǒng)計計算，矽卡巖體巷道圍巖松動圈厚度約為2.25 m。

2.4 計算模型建立

以安徽太平礦業(yè)有限公司-480 m中段運輸巷道為研究對象，采用Flac3D軟件建立三維數(shù)值模型(見圖4)，模型尺寸為60.0 m×40.0 m×40.0 m，巷道處于模型中心，斷面尺寸為2.5 m×2.5 m。模型四周施加法向約束邊界條件，底部為全約束邊界條件，為模擬模型上部賦巖的重量，在頂部施加16.6 MPa均布載荷。模型共劃分單元數(shù)523 156個，節(jié)點數(shù)94 447個。采用更能反映巖體強度隨塑性變形變化的應變軟化模型，反演計算巷道周圍矽卡巖體的力學參數(shù)。

圖2 測點位移變化曲線

圖3 巷道松動圈范圍

2.5 反演計算分析

利用黃金分割法進行迭代計算，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)報告中的圍巖參數(shù)資料，確定待反演參數(shù)E、C的取值(見表1、表2)分別為0～17.53 GPa和0～4.23 MPa。

圖4 巷道三維數(shù)值模型及尺寸

計算過程中其他參數(shù)保持不變，泊松比取0.3，內(nèi)摩擦角為33°，抗拉強度為0.5 MPa，密度為2 630 kg/m3。當目標函數(shù)取值小于0.01時，即得到反演結(jié)果。由表1可知：經(jīng)過7次黃金分割，10次數(shù)值計算后，矽卡巖體的彈性模量目標函數(shù)符合目標值。此時，彈性模量為2.1 GPa，模擬計算得到巷道左幫位移為48.1 mm，與巷道監(jiān)測到的最終變形量(48 mm)相吻合，等于設置的目標函數(shù)值0.01。由表2可知：當選取的內(nèi)聚力為1.51 MPa時，模擬計算得到的松動圈范圍為2.25 m，與實際測試深度吻合，小于目標函數(shù)值(0.01)。綜上所述，矽卡巖體的彈性模量取2.1 GPa，內(nèi)聚力取1.51 MPa時，為該參數(shù)組合的最優(yōu)解。

3 結(jié) 論

本文聯(lián)合位移-松動圈2種測量指標，通過Flac3D軟件建立三維模型，基于黃金分割法，對安徽太平礦業(yè)有限公司-480 m中段運輸巷道的力學參數(shù)進行了反演分析。主要結(jié)論如下：

1)反演過程中選取圍巖的彈性模量與內(nèi)聚力作為反演參數(shù)，而將其他影響程度較小的參數(shù)當成已知參數(shù)代入數(shù)值計算，可以精確計算出拱頂沉降位移及圍巖松動圈范圍，節(jié)約迭代次數(shù)，減少計算量。

表1 巖體參數(shù)E反演結(jié)果

表2 巖體參數(shù)C反演結(jié)果

2)本次工程圍巖力學參數(shù)反演結(jié)果為：彈性模量2.1 GPa，內(nèi)聚力1.51 MPa，計算結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)吻合，說明了反演分析方法的可行性。

3)基于位移-松動圈2種測量指標的反演分析方法具有很高的可信度，本文的方法也可以用于類似工程的參數(shù)分析。