軟巖交叉巷道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

李龍福,金愛兵,鄧富根,劉 波

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

軟巖問題一直是世界性難題，特別是隨著開采深度的增加，軟巖問題如兩幫鼓脹擠出、頂沉底鼓、巷道全斷面收縮等越來越嚴重，直接影響到礦山安全生產(chǎn)，危及井下作業(yè)人員的人身安全。因此，確定合理的支護方案，顯得尤為重要。但要想有效的進行軟巖巷道的支護，必須根據(jù)軟巖巷道所處的工程地質(zhì)環(huán)境，進行圍巖穩(wěn)定性分析，選擇合理的支護參數(shù)，確定最佳支護時間和最佳支護時段[1-3]。

北洺河鐵礦位于武安斷陷盆地西緣，在NNE向的玉泉嶺-礦山村-茶村斷裂帶的西側(cè)，區(qū)內(nèi)為次一級的NWW向的褶曲構(gòu)造所控制，以褶皺為主，斷裂次之，屬接觸交代“矽卡巖型”鐵礦床，礦體埋深為136～679m，采用無底柱分段崩落法開采。自開采以來，該礦就對軟巖巷道的支護問題進行了研究，但是在巷道使用過程中，出現(xiàn)了越來越多的地質(zhì)災(zāi)害，如巷道底鼓、片幫、冒頂?shù)龋绕涫窃诼?lián)巷與進路的連接處，圍巖暴露面積大、受力狀態(tài)差，是采場中最容易變形破壞的區(qū)段，嚴重影響了礦山正常生產(chǎn)的需要。

針對上述實際情況，在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[4-8]，以北洺河鐵礦300m采深的采準(zhǔn)切割工作中出現(xiàn)的交叉巷道為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場勘察、室內(nèi)數(shù)值模擬研究、巷道收斂監(jiān)測反分析等手段，研究交叉巷道在開挖過程中圍巖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布特征及規(guī)律，為施工設(shè)計提供有效的參考依據(jù)。

1 模型的建立

模型采用十字型交叉巷道，位于模型中部，分別為巷道a和b，巷道斷面為半圓拱直墻形，寬4m，墻高2m，拱半徑2m，巷道埋深300m。根據(jù)圣維南原理及實際經(jīng)驗，局部開挖僅對距離巷道3～5倍跨度范圍內(nèi)有影響。因此，模型尺寸為：長×寬×高=30m×30m×27m，共計單元總數(shù)為26×112，網(wǎng)格節(jié)點總計28×490個，開挖部分以空模型模擬(Null Model)。模型采用位移邊界條件：四周采用滾支撐(ux=0,uy=0)，底部固定(ux=0，uy=0，uz=0)，上部邊界為上覆巖體的自重應(yīng)力，σzz=-7.9MPa，巖體的水平應(yīng)力σxx=σyy=0.37σzz。計算時，采用Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化準(zhǔn)則[9-10]，計算采用的基本力學(xué)參數(shù)見表1。由于模型的對稱性，a、b巷道的開挖順序?qū)τ嬎憬Y(jié)果不產(chǎn)生影響，將兩條巷道的開挖分3步完成，見表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 巷道開挖步數(shù)與開挖長度

2 模擬結(jié)果分析

2.1 完成第1步巷道a開挖

對巷道a進行開挖不支護模擬，以了解該巷道開挖后，圍巖的二次應(yīng)力分布情況。

開挖引起兩幫垂直應(yīng)力的增加和頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力的降低。其中，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力從-2MPa逐漸過渡到-8MPa(在FLAC3D中，負號表示壓應(yīng)力，正號表示拉應(yīng)力，以下同)，兩幫應(yīng)力呈對稱分布，其中在兩幫中下部出現(xiàn)應(yīng)力集中，達到-14.5MPa，并沿巷道徑向逐步過渡到原巖應(yīng)力狀態(tài)。受開挖的影響，應(yīng)力擾動區(qū)約在離幫壁5m范圍之內(nèi)。最大主應(yīng)力σ1為-14.73MPa，出現(xiàn)在兩幫靠中下部圍巖中，頂?shù)装宓淖畲笾鲬?yīng)力σ1為-0.43MPa～-4MPa。巷道開挖造成圍巖最小主應(yīng)力σ3的降低，在巷道四周為-3.65MPa，并在巷道底部中央出現(xiàn)-0.87MPa的拉應(yīng)力，須注視該處的支護。剪應(yīng)力中最大正剪應(yīng)力為4.094MPa，最大負剪應(yīng)力為-4.095MPa，最大正負剪應(yīng)力分別沿右拱角-左邊墻角與左拱角-右邊墻角分布，開挖后將造成兩幫和墻角大面積的剪切破壞，交叉口頂?shù)装宓募魬?yīng)力大小分別為2.0MPa、1.0MPa。在主要位移點中，拱頂垂直位移為-47.6mm，底板向上位移34.9mm，相對收斂值82.5mm，遠超過《采礦設(shè)計手冊》[11]規(guī)定的相對收斂值36mm的上限，應(yīng)采取支護手段。由塑性區(qū)分布云圖可知，兩幫及墻角處主要受到剪切破壞，頂?shù)装逯饕艿嚼炱茐模瑑蓭统霈F(xiàn)2m范圍塑性區(qū)，頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)為巷道周邊1m以內(nèi)，相比較而言，墻角和拱頂部位的塑性破壞較為嚴重。

2.2 第2步巷道b開挖至交叉口

在掌子面的端部圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中，達到-15.7MPa。最大主應(yīng)力σ1出現(xiàn)在交叉口頂板和底板部位，量值在-14MPa～-16MPa之間。由于巷道b的開挖，在交叉口部位使得受到應(yīng)力擾動的范圍擴大一倍左右，而且在巷道的四周普遍出現(xiàn)0.5MPa的拉應(yīng)力，圍巖的受力狀態(tài)下降。頂板和底板的垂直位移值增大，分別達到-66.8mm和43.5mm。巷道a受到的正負剪應(yīng)力分別為4.26MPa、-4.16MPa，剪應(yīng)力略有增加，在交叉口拱頂與底板的剪應(yīng)力分別為-3MPa、1.0MPa，與之前相比，頂板剪應(yīng)力增加。根據(jù)塑性區(qū)分布云圖，交叉口拱頂塑性狀態(tài)有所改變，由受拉變?yōu)槔艄餐饔茫芰顟B(tài)惡化，為提高交叉口巷道的穩(wěn)定性，應(yīng)提高支護等級。

2.3 完成巷道b剩余部分的開挖

根據(jù)垂直應(yīng)力云圖，在巷道交叉口應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，由原先的應(yīng)力集中變?yōu)閼?yīng)力降低區(qū)。最大主應(yīng)力σ1出現(xiàn)在巷道的兩幫，大小為-12MPa～-15MPa，應(yīng)力集中程度和只開挖巷道a相比略有增加。拱頂處的最大主應(yīng)力為-2MPa，與先前相似。在最小主應(yīng)力σ3云圖中，巷道底板和交叉口拱頂處，受到約0.8MPa的拉應(yīng)力。在剪應(yīng)力云圖中，巷道a的剪應(yīng)力進一步增加，最大正負剪應(yīng)力分別為4.32MPa、-4.27MPa,交叉口拱頂和底板的剪應(yīng)力分別為-1.0MPa、-2.0MPa，與上一步相比，頂板受剪情況得到改善，底板剪應(yīng)力增加，這與塑性區(qū)分布云圖中顯示的結(jié)果相對應(yīng)，表明由于巷道b的開挖使得巷道a的應(yīng)力重新分布，其結(jié)果是交叉部分應(yīng)力得到釋放，巷道a、b兩幫應(yīng)力集中。在主要位移點中，交叉口拱頂部位的最終沉降量為88.5mm，交叉口底部的最終底鼓為53.3mm。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道a開挖完畢后，圍巖在初始地應(yīng)力場作用下，向開挖臨空面方向移動，產(chǎn)生不均衡變形，改變了應(yīng)力場的空間分布特征，在一些應(yīng)力集中區(qū)域，會出現(xiàn)圍巖的破壞現(xiàn)象；巷道b開挖后，圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，總體上表現(xiàn)為應(yīng)力從交叉口處向巷道a、b兩幫轉(zhuǎn)移，交叉口應(yīng)力得到釋放。

3 巷道圍巖位移監(jiān)測與分析

巷道開挖后，由于所處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，打破了開挖前的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖會通過變形和應(yīng)力的調(diào)整來達到一個新的平衡。因此，通過關(guān)鍵點位移的監(jiān)測，對模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行比較分析，一方面可以驗證數(shù)值模擬的合理性，另一方面也可以定性地了解巷道在開挖后的變形趨勢。圖1與圖2分別為巷道交叉口拱頂沉降監(jiān)測曲線和模擬曲線。

圖1 巷道交叉口拱頂沉降監(jiān)測曲線

圖2 巷道交叉口拱頂模擬曲線

根據(jù)圖1與圖2可以得出以下結(jié)論：①埋深300m處的交叉巷道交叉部位拱頂沉降的模擬結(jié)果顯示拱頂沉降最大位移為88mm，與實測最大位移71mm比較接近，從側(cè)面反應(yīng)了數(shù)值模擬計算對應(yīng)力釋放率把握較為接近實際情況；②巷道收斂變形的實際監(jiān)測曲線與數(shù)值模擬曲線變形趨勢一致，變形值也較為接近，由此說明數(shù)值模擬對巷道開挖后的二次應(yīng)力分布模擬與實際情況較為接近，數(shù)值模擬結(jié)果可以進一步為巷道圍巖穩(wěn)定性評價和支護設(shè)計提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

采用無底柱分段崩落法開采，具有開采強度大、作業(yè)效率高、成本低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點，在金屬礦山迅速得到推廣，特別是在鐵礦山更為廣泛。但在采準(zhǔn)切割工作中出現(xiàn)大量交叉巷道，且其應(yīng)力應(yīng)變分布復(fù)雜。本研究通過FLAC3D有限差分數(shù)值模擬計算方法，分析了交叉巷道在開挖前后，圍巖應(yīng)力、位移和破壞區(qū)分布及其變化規(guī)律。

1)開挖引起兩幫垂直應(yīng)力的增加和頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力的降低，在幫壁中下部位出現(xiàn)應(yīng)力集中；受開挖的影響，在巷道底板出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，特別是在軟巖工程中，尤其應(yīng)當(dāng)注意；在兩幫及墻角處主要受到剪切破壞，頂板主要受到拉伸破壞；應(yīng)力擾動范圍約5m，兩幫塑性區(qū)約2m,頂?shù)装逅苄詤^(qū)約1m。

2)巷道交岔點處應(yīng)力隨著開挖進程呈現(xiàn)增加趨勢,尤其是當(dāng)?shù)诙l巷道挖到交岔點時,應(yīng)力的重新分布造成交叉處頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力集中,且在幫壁四周普遍出現(xiàn)拉應(yīng)力，圍巖受力狀態(tài)下降，擾動范圍擴大。

3)由于巷道b剩下部分的開挖，應(yīng)力向交叉口兩邊轉(zhuǎn)移，結(jié)果是交叉口應(yīng)力得到釋放,巷道a、b兩幫應(yīng)力集中。

4)隨著巷道開挖不斷推進，巷道位移呈增加趨勢，最大下沉位移和最大底鼓分別發(fā)生在交叉口處頂?shù)装逯醒耄诖颂帒?yīng)增加支護等級，以維護巷道的穩(wěn)定并進行實時監(jiān)測。

5)巷道收斂變形的數(shù)值模擬結(jié)果和實際監(jiān)測結(jié)果對比分析說明，數(shù)值模擬只是一種工程模擬方法，要真正達到設(shè)計的信息化和最優(yōu)，必須輔以現(xiàn)場監(jiān)控量測來獲得實際施工程中的圍巖力學(xué)動態(tài)，以調(diào)整工程類比法的設(shè)計參數(shù)和數(shù)值模擬的參數(shù)取值，才能客觀地反映出地下工程在施工過程中，圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布等特征。

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