焦家金礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形及應(yīng)力分布演化規(guī)律

張旭飛 郭運(yùn)鴻 王興亞 郭奇峰

收稿日期：2023-12-28； 修回日期：2024-01-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFC3001301）

作者簡(jiǎn)介：張旭飛（1992—），男，工程師，從事采礦技術(shù)研究工作；E-mail：1253031969@qq.com

*通信作者：郭運(yùn)鴻（2002—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)；E-mail：793936117@qq.com

摘要：為解決深部高應(yīng)力下巷道變形嚴(yán)重及支護(hù)困難的問(wèn)題，以焦家金礦-710 m水平巷道為研究對(duì)象，建立Flac3D數(shù)值分析模型，模擬分析巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果顯示：因巷道開(kāi)采擾動(dòng)，巷道周邊應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，巷道周邊應(yīng)力集中，應(yīng)力極值主要在頂板、拱肩及邊幫上下兩側(cè)，應(yīng)加強(qiáng)頂板、拱肩及邊幫上下兩側(cè)支護(hù)；距離巷道兩倍寬度范圍內(nèi)是支護(hù)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域；巷道掘進(jìn)后，周邊圍巖會(huì)出現(xiàn)剪切破壞和張拉破壞。通過(guò)對(duì)巷道變形和應(yīng)力分布演化分析，揭示了掘進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖的變形失穩(wěn)過(guò)程，為支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)和支護(hù)時(shí)機(jī)選擇提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；高應(yīng)力；圍巖變形；應(yīng)力分布；巷道掘進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD32????????? 文章編號(hào)：1001-1277（2024）06-0001-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240601

引? 言

隨著中國(guó)工業(yè)的蓬勃發(fā)展和社會(huì)需求的不斷增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)資源的需求日益迫切［1-2］。為滿(mǎn)足社會(huì)生產(chǎn)的需求，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)逐漸向深部轉(zhuǎn)移。深部地下開(kāi)采工程具有“三高一擾動(dòng)”的特點(diǎn)［3-7］。深部采掘過(guò)程中，巷道圍巖容易發(fā)生巨大變形，同時(shí)還存在高溫和突水等問(wèn)題。作為礦山井巷工程的重要組成部分，井下各類(lèi)巷道的安全性直接影響礦產(chǎn)資源開(kāi)采的安全性，作為運(yùn)輸通道的巷道更是直接制約礦山生產(chǎn)。深部高應(yīng)力作用下巷道變形特征呈現(xiàn)出的擾動(dòng)響應(yīng)較淺部有所變化，掌握采掘過(guò)程中巷道圍巖變形和應(yīng)力分布規(guī)律，是做好巷道穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。

眾多學(xué)者采用數(shù)值模擬分析方法對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行超前模擬分析，為工程建設(shè)和支護(hù)控制提供指導(dǎo)。孫宇超［8］以Flac3D數(shù)值模擬為技術(shù)手段，對(duì)等腰梯形巷道和直角梯形巷道周邊的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)論采用等腰梯形巷道還是直角梯形巷道，巷道圍巖穩(wěn)定性的主控應(yīng)力都為垂直應(yīng)力。穆磊等［9-13］采用理論分析和Flac3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究成果為類(lèi)似地質(zhì)條件下巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。任賽等［14］采用Flac3D數(shù)值模擬方法系統(tǒng)地評(píng)估了某礦山基地深井圍巖的巖爆風(fēng)險(xiǎn)程度，完成了巷道方位、掘進(jìn)過(guò)程、巷道交叉、巷道與采空區(qū)相對(duì)關(guān)系等對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)程度、巖爆出現(xiàn)的潛在位置、開(kāi)采過(guò)程中潛在巖爆發(fā)生時(shí)機(jī)的影響分析，研究結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了指導(dǎo)，其建模方法和分析巖爆傾向性的方法對(duì)其他賦存復(fù)雜的礦山具有一定的借鑒意義。許永山等［15］運(yùn)用Flac3D軟件，對(duì)某礦山進(jìn)行了多礦房同采條件下的圍巖穩(wěn)定性分析，取得了良好的模擬效果。郭子源等［16］為解決深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖的支護(hù)困難問(wèn)題，采用Flac3D軟件有限差分程序并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法為深層軟巖巷道的掘進(jìn)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)。孫闖等［17］以Flac3D軟件為工具，分析應(yīng)變軟化模型、剪脹角及不同巷道斷面類(lèi)型對(duì)圍巖-支護(hù)相互作用的影響，并對(duì)支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為高應(yīng)力軟巖巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供理論支撐。

本文針對(duì)山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱(chēng)“焦家金礦”）進(jìn)入深部開(kāi)采面臨的巷道圍巖變形和支護(hù)問(wèn)題，充分考慮工況、礦巖力學(xué)特性、開(kāi)采擾動(dòng)等因素，結(jié)合巖石力學(xué)數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)值模擬分析，研究深部巷道掘進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力、變形演化規(guī)律，為支護(hù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1? 礦區(qū)概況

焦家金礦位于山東省黃縣弧形大斷裂帶，總面積25 km2，下轄3個(gè)礦區(qū)：焦家礦區(qū)、望兒山礦區(qū)和寺莊礦區(qū)。礦區(qū)內(nèi)礦體賦礦圍巖主要為玲瓏花崗巖，位于礦體下盤(pán)及深部，淺肉紅色，中粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造、片麻狀構(gòu)造。主要礦物成分有斜長(zhǎng)石（35 %～40 %）、鉀長(zhǎng)石（25 %～35 %）、石英（25 %～30 %）、黑云母（5 %），以及少量榍石、鋯石等副礦物。礦化類(lèi)型可分為浸染狀（Ⅰ號(hào)礦體）、細(xì)脈浸染狀（Ⅱ號(hào)礦體）及細(xì)脈狀（Ⅲ號(hào)礦體）。圍巖蝕變類(lèi)型多樣，可分為綠泥石化、紅化、鉀長(zhǎng)石化、絹云母化、硅化等，且有良好的分帶性。焦家金礦采用上向水平分層和上向水平進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采，深部巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性控制難度大，支護(hù)結(jié)構(gòu)易破壞，返修率高。隨著開(kāi)采范圍和深度的增加，焦家金礦已進(jìn)入深部開(kāi)采，巖體在高應(yīng)力環(huán)境下的采掘擾動(dòng)響應(yīng)更為明顯，易出現(xiàn)破碎巖體變形大、完整硬巖動(dòng)力破壞等潛在的地壓災(zāi)害。2024年第6期/第45卷? 礦業(yè)工程礦業(yè)工程? 黃? 金

2? 模型建立

以焦家礦區(qū)-710 m水平巷道為工程背景，建立Flac3D數(shù)值分析模型，研究巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律。數(shù)值分析模型采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

計(jì)算模型四周邊界與巷道中心的距離約為5倍的巷道寬度，減少邊界條件對(duì)模擬分析結(jié)果的影響。開(kāi)挖計(jì)算采用位移邊界條件，模型根據(jù)區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分布特征施加梯度應(yīng)力邊界，并對(duì)模型整體施加重力場(chǎng)，最大水平主應(yīng)力與巷道軸向平行。巷道采用分步開(kāi)挖，開(kāi)挖總長(zhǎng)度為16 m，每次開(kāi)挖2 m。數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

3? 巷道應(yīng)力分布規(guī)律分析

應(yīng)力狀態(tài)是影響巷道穩(wěn)定性的主要因素，為實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采必須分析巷道應(yīng)力分布特征。巷道開(kāi)挖引起應(yīng)力重新分布。巷道分步開(kāi)挖完成后的圍巖應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖2。由圖2可知：巷道周邊最大主應(yīng)力集中于巷道拱肩和邊幫與底板拐角處，應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力達(dá)到80.55 MPa，極易產(chǎn)生破壞；最小主應(yīng)力云圖顯示，在巷道表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，極值約為1.32 MPa，易破壞剝落；水平主應(yīng)力極值集中在巷道頂板處及兩幫墻底角，極值約為52.77 MPa；垂直主應(yīng)力極值與前三者有所不同，主要集中在邊幫上下兩側(cè)，極值約為57.97 MPa。模擬結(jié)果顯示：隨著巷道開(kāi)挖擾動(dòng)，巷道周邊應(yīng)力得到一定的釋放，但在局部區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，主要在頂板、拱肩及邊幫上下兩側(cè)，施工和支護(hù)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述區(qū)域，及時(shí)排險(xiǎn)。

在巷道邊幫及頂板中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力演化規(guī)律。隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，巷道左幫、頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三向應(yīng)力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。其中，σxx、σyy、σzz分別為x、y、z方向的應(yīng)力。掘進(jìn)過(guò)程中，垂直巷道走向的邊幫水平應(yīng)力逐漸減小，隨著掘進(jìn)工作面的遠(yuǎn)離逐漸趨于穩(wěn)定，主要是開(kāi)挖臨空面形成后兩幫向巷道變形，水平應(yīng)力得到釋放；垂直應(yīng)力隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)，呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定，其主要原因是巷道頂部圍巖失去豎向支撐，垂直荷載向兩幫擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致邊幫垂直應(yīng)力增大；巷道軸向應(yīng)力出現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，但總體變化較小。頂板巷道軸向應(yīng)力隨進(jìn)尺增加先增大后降低，與邊幫一致；然而，水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力變化趨勢(shì)與邊幫相反，垂直巷道走向的水平應(yīng)力逐漸增加后趨于穩(wěn)定；垂直應(yīng)力則先下降后緩慢增加至穩(wěn)定值，源于頂板垂直應(yīng)力向兩幫的擴(kuò)散及巷道豎向變形得到一定程度的應(yīng)力釋放。

至巷道邊幫和頂板不同距離巖體的應(yīng)力演化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。巷道邊幫垂直應(yīng)力隨進(jìn)尺增加而增大，增大幅度越來(lái)越小，最后趨于穩(wěn)定。由圖4-a）可知：越靠近巷道，垂直應(yīng)力值變化越大；與之相反，遠(yuǎn)離巷道時(shí)，圍巖垂直應(yīng)力受開(kāi)采擾動(dòng)的影響極小。頂板垂直應(yīng)力隨進(jìn)尺增加出現(xiàn)先極速減小，后緩慢增大至穩(wěn)定的趨勢(shì)；距離巷道頂板越遠(yuǎn)，垂直應(yīng)力變化越不明顯，這與邊幫應(yīng)力變化相同。邊幫和頂板的水平應(yīng)力變化與垂直應(yīng)力變化截然相反，邊幫水平應(yīng)力出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，而頂板水平應(yīng)力則與邊幫垂直應(yīng)力變化一致，隨著工作面的推進(jìn)逐漸增大到穩(wěn)定。

4? 巷道變形規(guī)律

巷道開(kāi)挖完成后的位移變化云圖見(jiàn)圖5。由圖5可知，開(kāi)挖后巷道出現(xiàn)較為明顯的邊幫收斂現(xiàn)象。至掘進(jìn)工作面距離不同時(shí)的巷道表面位移變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。由圖6可知：巷道頂板和邊幫表面位移均隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)逐漸增大，掘進(jìn)工作面持續(xù)推進(jìn)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)7 m左右時(shí)，邊幫變形達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定，頂板變形雖持續(xù)增加，但增速明顯減緩，說(shuō)明巷道表面變形在掘進(jìn)工作面持續(xù)推進(jìn)約巷道兩倍寬度時(shí)趨于穩(wěn)定。這為柔性支護(hù)和讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和優(yōu)化思路。

at different distances to excavation face

距巷道表面不同距離巖體的位移變化見(jiàn)圖7。邊幫水平位移和頂板位移均隨著進(jìn)尺的增加而增加，近巷道表面1 m范圍內(nèi)的變形量較為突出，一定程度上能夠反映出巷道圍巖在采掘擾動(dòng)后的松動(dòng)損傷范圍，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)確定提供參考。

5? 結(jié)? 論

采用Flac3D軟件對(duì)焦家金礦焦家礦區(qū)-710 m水平巷道圍巖開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，得到了巷道變形和應(yīng)力的時(shí)間和空間演化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）因巷道開(kāi)采擾動(dòng)，巷道周邊應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，應(yīng)力集中主要聚集于頂板、拱肩及邊幫上下兩側(cè)，掘進(jìn)施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)安全管理和支護(hù)。

2）巷道頂板和邊幫的位移隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)而增加，掘進(jìn)工作面后方約7 m處的巷道邊幫變形趨于穩(wěn)定，頂板下沉速度明顯降低，趨于穩(wěn)定，對(duì)柔性讓壓支護(hù)和支護(hù)時(shí)機(jī)選擇具有指導(dǎo)意義。

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Deformation and stress distribution evolution of surrounding

rock during the roadway excavation in Jiaojia Gold Mine

Zhang Xufei1，Guo Yunhong2，Wang Xingya1，Guo Qifeng2

（1.Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining Industry （Laizhou） Co.，Ltd.;

2.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：To solve the problem of serious deformation and difficult support of the roadway under deep high stress，the research centers on the -710 m horizontal roadway in Jiaojia Gold Mine，establishes Flac3D numerical model to simulate and analyze the disturbance response law of the surrounding rock during the roadway excavation process.The results show that due to the mining disturbance of the roadway，the stress around the roadway is released.Thus，the stress is redistributed，with the stress around the roadway concentrated，and the stress peaks mainly occurring in the roof，the arch shoulder，and the upper and lower sides of the side walls，so the support should be strengthened in the roof，the arch shoulder，and the upper and lower sides of the side walls;within a range twice the width of the roadway is the focus area for support;after excavation，surrounding rock mass will experience shear and tensile failure.By analyzing the evolution of deformation and stress distribution in the roadway，the process of deformation failure of surrounding rock during excavation is revealed，providing a scientific basis for support parameter design and support timing.

Keywords：deep mining;high stress;surrounding rock deformation;stress distribution;roadway excavation