巷道與斷層破碎帶間距對巖體穩(wěn)定性影響分析

林開森 周健 李佳建

摘要：通過數(shù)值模擬分析了巨龍銅礦平行巷道掘進過程中，斷層破碎帶與巷道間距對鉆爆法掘進巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。建立了不同巷道與斷層破碎帶間距下數(shù)值模擬計算模型，分析了圍巖位移場、應力場及塑性區(qū)變化規(guī)律。數(shù)值模擬結果表明：巷道與斷層破碎帶間距為1 m和4 m時，斷層破碎帶對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，巷道邊幫最大位移值為6.19 cm和1.13 cm；最大主應力集中在巷道左側圍巖內(nèi)，右側圍巖應力較??；水平方向應力集中在圍巖與斷層破碎帶交界處；斷層破碎帶內(nèi)出現(xiàn)塑性變形。當巷道與斷層破碎帶間距為7 m和10 m時，斷層破碎帶對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較小，最大主應力與水平方向應力沿巷道中線近似對稱分布，斷層破碎帶內(nèi)無塑性變形。

關鍵詞：數(shù)值模擬；斷層破碎帶；位移分布；巷道掘進；鉆爆法；穩(wěn)定性

中圖分類號：TD32文章編號：1001-1277（2024）04-0001-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240401

引 言

在礦山生產(chǎn)過程中，地下工程設施建設是礦產(chǎn)資源開發(fā)的必備條件，斷層破碎帶作為地下工程建設中較為常見的地質構造，對礦山地下工程建設產(chǎn)生了極大的影響［1-5］。在長期地質構造和地應力的雙重作用下，斷層破碎帶表現(xiàn)出明顯的非線性特征，該特征對礦山地下工程的施工，尤其是巷道工程建設的安全穩(wěn)定性具有較大的影響［6-9］。眾多學者針對斷層破碎帶對巷道工程建設過程中的影響進行了大量研究工作。余一松等［10］針對斷層破碎帶傾角對巷道穩(wěn)定性的影響，以某礦山平巷施工工程為研究背景，采用RFPA軟件對不同傾角的斷層破碎帶平巷開挖過程進行了數(shù)值模擬，研究結果表明，斷層破碎帶對工程施工具有顯著影響，不同斷層破碎帶傾角對巷道工程圍巖穩(wěn)定性影響程度不同。許金成等［11］基于松動圈理論對某金礦深部開采巷道圍巖大變形和支護大面積失效問題進行了深入研究，采用鉆探手段對巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙特征進行測試分析，根據(jù)松動圈范圍特征，對巷道支護方案進行了優(yōu)化設計，工程實踐后的巷道收斂性和錨桿受力效果均良好，研究成果可以為同類型礦山生產(chǎn)建設提供借鑒。宗義江等［12］以某鐵礦巷道為工程背景，綜合采用多種超前探測方法對斷層破碎帶進行探測，基于探測結果針對性地提出巷道方位角調整—超前注漿—控制爆破—超前預加固—初次支護—二次支護結合防滲措施的巷道綜合掘進支護技術，工程實踐表明，該技術可以有效解決巷道遇富水斷層破碎帶掘進支護的工程難題。高悅等［13］以某礦山斜井巷道為工程背景，采用Flac3D軟件建立巷道數(shù)值模型，對巷道注漿加固前后穩(wěn)定性進行研究分析，結果表明，注漿支護技術可以有效控制巷道的變形，并且通過監(jiān)測可知，該支護方法可以有效維護巷道的長期運營，可以為同類型工程施工提供借鑒。陳曉祥等［14］基于某礦山平巷地質概況，分析總結了巷道在斷層破碎帶區(qū)域的復合變形力學機制，提出了“超前預注漿+錨網(wǎng)索”的聯(lián)合支護方法以控制巷道圍巖大變形，通過Flac3D軟件數(shù)值模擬和工程實踐對比方案支護效果，結果表明，該方案可以有效控制巷道圍巖大變形，支護效果符合實際工程應用。張向東等［15］以某穿越軟巖破碎帶的深埋巷道為工程背景，通過Matlab軟件和Flac3D軟件求得模擬計算值，以模擬計算值與工程實測值確定適應度函數(shù)，基于智能尋優(yōu)反演得出巷道斷層破碎帶圍巖等效力學參數(shù)，該參數(shù)可以有效運用于其他巷道的變形預測。

本次研究針對西藏巨龍銅業(yè)有限公司（下稱“巨龍銅礦”）超長距離排水巷道工程進行了大量的數(shù)值模擬工作，綜合分析了巷道與斷層破碎帶間距對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結果可為相關長距離巷道遇斷層破碎帶安全穩(wěn)定施工提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

巨龍銅礦為大型斑巖型銅礦，開采方式為露天開采。目前，巨龍銅礦在建環(huán)形排水巷道解決露天采場排水問題。排水巷道圍巖以英安巖、千枚巖及凝灰?guī)r為主，巖石風化程度為強風化至微風化。排水巷道施工場地內(nèi)斷層破碎帶發(fā)育。

排水巷道連通13條豎井。其中，12條豎井用于露天采場排水，K點布置1條豎井作為安全出口。環(huán)形排水巷道布置形式如圖1所示。其中，BC段和IJ段平行巷道間距為50 m。設計過程中，全段巷道擬采用TBM施工。排水巷道由IJ段開始掘進。實際施工過程中，為加快施工進度，BC段巷道采用鉆爆法開始掘進。

TBM施工過程中發(fā)現(xiàn)，IJ段巷道穿斷層破碎帶較多，斷層破碎帶內(nèi)含水量較大。因此，由已施工完的巷道（IJ段）施工鉆孔探測斷層破碎帶距未施工巷道（BC段）距離，提前確定斷層破碎帶與BC段巷道空間位置關系，避免BC段巷道爆破掘進過程中發(fā)生突水突泥事故。

2 數(shù)值模擬方案

采用Flac3D軟件分析斷層破碎帶與巷道間距對巷道穩(wěn)定性的影響。設計4種斷層破碎帶與巷道間距，分別為1 m、4 m、7 m、10 m，不同間距數(shù)值計算模型如圖2所示。巷道距模型各邊界距離不小于巷道寬度或高度的5倍。計算過程中巷道圍巖及斷層破碎帶采用莫爾－庫侖模型。巖石力學與地應力參數(shù)參考相鄰地區(qū)甲瑪銅礦相關研究結果［16］。

3 不同工況下數(shù)值模擬結果及分析

3.1 位移場

不同斷層破碎帶與巷道間距條件下圍巖總位移云圖如圖3所示，由圖3可知：當巷道與斷層破碎帶間距1 m時，巷道圍巖最大位移出現(xiàn)在靠近斷層破碎帶邊幫位置，最大位移值為6.19 cm。斷層破碎帶與巷道間1 m寬巖體均發(fā)生較大變形。當巷道與斷層破碎帶間距4 m時，巷道圍巖變形分布較均勻，頂?shù)装寮翱拷鼣鄬悠扑閹б粋冗厧统霈F(xiàn)較大位移，最大位移值為1.13 cm。當巷道與斷層破碎帶間距7～10 m時，巷道掘進對巷道與斷層破碎帶之間的巖體影響較小。2種工況下巷道圍巖最大位移相似，最大位移值為1.10 cm。

不同斷層破碎帶與巷道間距條件下圍巖水平方向位移云圖如圖4所示。由于斷層破碎帶的影響，巷道兩側圍巖位移值相差較大。當巷道與斷層破碎帶間距1 m時，巷道右側圍巖發(fā)生大變形，且右側斷層破碎帶發(fā)生明顯位移。當巷道與斷層破碎帶間距4 m時，巷道右側圍巖變形減小。當巷道與斷層破碎帶間距繼續(xù)增大到7～10 m時，巷道右側圍巖最大位移值并未明顯減小。

不同斷層破碎帶與巷道間距條件下圍巖垂直方向位移云圖如圖5所示。斷層破碎帶對巷道圍巖垂直方向位移影響較小。僅當巷道與斷層破碎帶間距1 m時，垂直方向最大位移出現(xiàn)在巷道圍巖與斷層破碎帶交界處。當巷道與斷層破碎帶間距增加至4 m時，圍巖最大位移出現(xiàn)在巷道頂板，且巷道與斷層破碎帶間距繼續(xù)增大，巷道頂板位移未明顯降低。

3.2 應力場

不同斷層破碎帶與巷道間距條件下應力分布如圖6、圖7所示。當巷道與斷層破碎帶間距1 m時，圍巖最大主應力和水平方向應力受斷層破碎帶影響較大。最大主應力集中在巷道左側圍巖內(nèi)，右側圍巖應力較小。水平方向應力集中在圍巖與斷層破碎帶交界處。當巷道與斷層破碎帶間距4 m時，最大主應力與水平方向應力沿巷道中線近似對稱分布。此時斷層破碎帶對巷道圍巖應力分布影響較小。巷道與斷層破碎帶間距繼續(xù)增大，斷層破碎帶對巷道圍巖應力分布幾乎無影響。

3.3 塑性區(qū)

不同斷層破碎帶與巷道間距條件下圍巖塑性區(qū)分布如圖8所示。巷道掘進后，圍巖塑性變形以剪切變形為主，同時存在拉伸變形。當巷道與斷層破碎帶間距1 m時，斷層破碎帶內(nèi)發(fā)生大量塑性變形，巷道圍巖塑性區(qū)向斷層破碎帶方向擴展，且與斷層破碎帶內(nèi)塑性變形貫通。當巷道與斷層破碎帶間距4 m時，斷層破碎帶與圍巖交界處發(fā)生少量塑性變形，巷道圍巖塑性變形在四周分布較均勻。巷道與斷層破碎帶間距繼續(xù)增大，斷層破碎帶內(nèi)無塑性變形。

綜上所述，當斷層破碎帶與巷道間距大于等于7 m時，巷道不受斷層破碎帶影響。因此，當斷層破碎帶與巷道間距小于7 m時，應加強巷道圍巖支護，對巷道圍巖進行監(jiān)測，避免發(fā)生突水突泥事故。

4 結 論

以巨龍銅礦環(huán)行排水巷道施工為工程背景，探究了巷道與斷層破碎帶間距對巷道穩(wěn)定性的影響，主要結論如下：

1）構建了不同巷道與斷層破碎帶間距的有限元模型，實現(xiàn)了不同斷層破碎帶與巷道間距條件下圍巖位移場、應力場及塑性區(qū)等變化過程的模擬。

2）巷道與斷層破碎帶間距小于等于4 m時，斷層破碎帶對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，巷道邊幫最大位移值為6.19 cm和1.13 cm。當巷道與斷層破碎帶間距大于4 m時，斷層破碎帶對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較小。

3）巷道與斷層破碎帶間距1 m時，圍巖最大主應力和水平方向應力受斷層破碎帶影響較大。最大主應力集中在巷道左側圍巖內(nèi)，右側圍巖應力較小。水平方向應力集中在圍巖與斷層破碎帶交界處。巷道與斷層破碎帶間距大于4 m時，最大主應力與水平方向應力沿巷道中線近似對稱分布。此時斷層破碎帶對巷道圍巖應力分布影響較小或無影響。

4）巷道與斷層破碎帶間距1 m時，斷層破碎帶對巷道圍巖塑性變形影響較大，巷道圍巖塑性區(qū)與斷層破碎帶內(nèi)塑性區(qū)貫通。巷道與斷層破碎帶間距4 m時，斷層破碎帶內(nèi)發(fā)生少量塑性變形。巷道與斷層破碎帶間距繼續(xù)增大，斷層破碎帶對圍巖塑性區(qū)無影響。

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Analysis of the influence of distance between roadway and fault fracture zone on rock mass stability

Abstract：This study conducts numerical simulations to analyze the influence of the distance between roadway and fault fracture zone on the stability of excavation roadway surrounding rock during parallel roadway excavation with using the drilling and blasting method in the Julong Copper Mine.Numerical simulation models are established for different distances between roadway and fault fracture zone，and the variations in the displacement field，stress field，and plastic zoneare analyzed.The numerical simulation results show that when the distance between roadway and fault fracture zone is 1 m and 4 m，the fault fracture zone has a significant impact on the stability of the surrounding rock of the roadway，with the maximum displacement values of the roadway side wall being 6.19 cm and 1.13 cm respectively.The maximum principal stress is concentrated in the left side surrounding rock of the roadway，with lesser stress in the right side surrounding rock.Horizontal stress is concentrated at the intersection of the surrounding rock and the fault fracture zone，and plastic deformation occurs within the fault fracture zone.When the distance between the roadway and the fault fracture zone is 7 m and 10 m，the influence of the fault fracture zone on the stability of the surrounding rock of the roadway is minor，with the maximum principal stress and horizontal stress approximately symmetrically distributed along the centerline of the influence，and no plastic deformation occurs within the fault fracture zone.

Keywords：numerical simulation;fault fracture zone;displacement distribution;roadway excavation;drilling and blasting method;stability