空區(qū)貫通對大型地下采場開挖變形穩(wěn)定性的影響

林杭，曹平，余健，余巍偉

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 南昌大學 科學技術(shù)學院，江西 南昌，330029)

采礦工程變形穩(wěn)定性是十分復雜的巖體工程動態(tài)問題，目前巖石力學研究中已有的理論解，只能解決圓形或橢圓形坑洞等簡單形狀的問題[1]，而對于礦床開采這樣復雜的空區(qū)顯得無能為力。某大型鐵礦屬于緩傾斜條帶狀厚大礦床，礦體埋藏深且礦巖堅硬，其資源豐富、開采條件良好。由于該鐵礦屬深部開采(開采深度在850 m左右)，其突出的問題是應力高，變形大，地壓控制難。為了更好地指導生產(chǎn)，確保井下作業(yè)安全，需對開挖穩(wěn)定性進行相應研究。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值計算方法已成為巖石力學研究和工程計算的重要手段[2-6]，其中快速拉格朗日元法(FLAC3D)適用于絕大多數(shù)的工程力學問題[7-9]，尤其適用于材料的彈塑性、大變形分析和施工過程的數(shù)值模擬。因此，本文作者運用 FLAC3D建立數(shù)值分析模型，從宏觀角度揭示出采場開挖后，不同開挖方案對采場變形穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

礦段工程地質(zhì)類型屬于以堅硬半堅硬巖層為主，工程地質(zhì)條件主要特點為：(1) 礦段位于復雜的區(qū)域構(gòu)造復合地區(qū)，巖層由沉積巖，火成巖和變質(zhì)巖構(gòu)成，存在多種結(jié)構(gòu)面，處于地震活動區(qū)，有跡象表明有的構(gòu)造破碎帶目前依然處于地應力活動狀態(tài)。(2) 礦體及其頂板為火山巖和變質(zhì)巖，大部分屬于堅硬巖石，少部分屬于半堅硬巖石，比較完整，因而比較穩(wěn)定。巖層風化帶深，但是風化程度弱。存在軟弱結(jié)構(gòu)面F3，局部存在泥化夾層，風化夾層和松軟夾層；(3) 鐵礦石單軸抗壓強度屬半堅硬巖類；巖芯巖石質(zhì)量指標(RQD)較高，巖(礦)石裂隙雖發(fā)育，多被后期脈石礦物充填或再生膠結(jié)。已開拓的大量坑道很少需要支護，巖體局部穩(wěn)定。

根據(jù)室內(nèi)巖土試驗，并由相應的巖體力學參數(shù)的工程處理，得到研究范圍內(nèi)相關(guān)巖土的物理力學工程特性指標如表1所示。

2 計算模型

由于FLAC3D在建模以及單元網(wǎng)格劃分等前處理問題上存在一定困難[10-12]，因此，本文首先利用ANSYS建立數(shù)值模型，然后，通過自編的 ANSYSFLAC3D的轉(zhuǎn)換程序，導入FLAC3D進行計算(由于SURPAC單元細分，導致某些區(qū)域網(wǎng)格不對齊，但細分單元和原始單元成整數(shù)倍的關(guān)系，因此，可通過FLAC3D中的attach face命令實現(xiàn)網(wǎng)格不對齊區(qū)域的信息傳遞)。圖1所示為三維計算模型，圖2所示為采場三維模型。其中，對于軟弱結(jié)構(gòu)面的模擬采用實體單元建立模型，然后弱化單元參數(shù)，以達到模擬效果。模型共33 700個節(jié)點，19 780個單元，整體邊界尺寸(長×寬×高)為：1 320 m×1 080 m×620 m；采場總體尺寸為：676 m×342 m×305 m。模型包括以下幾個部分：(1) 巖體；(2) 礦體；(3) 采場。模型上表面邊界采用法向應力約束，底部采用固定位移約束，4個側(cè)面采用法向位移約束。在初始應力場的取值上采用平均構(gòu)造應力場和重力場疊加，并將所有初始應力投影到模型坐標系后，形成計算中的初始應力場。為了較真實地模擬開挖變形過程，模擬分2步加載。第1步，僅考慮巖體自重情況；第2步，清除第1步產(chǎn)生的巖體位移，以模擬開挖過程中的應力變形狀態(tài)；計算收斂準則為不平衡力比率(節(jié)點平均內(nèi)力與最大不平衡力的比值)滿足10-5的求解要求。

表1 巖體計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters for rock mass

圖1 三維計算模型Fig.1 Three dimensional calculation model

圖2 采場三維模型Fig.2 Three dimensional model for stope

為便于模擬計算的結(jié)果后處理與分析，在模擬采場開挖過程中，首先垂直于采場進路方向布設(shè)監(jiān)測線，監(jiān)測線之間的距離為70 m，共布設(shè)P01～P07監(jiān)測線，并且考慮到頂板處的幾何形狀不規(guī)則，監(jiān)測線的位置高于頂板20 m布置；然后沿進路方向位置以每隔20 m的剖面在監(jiān)測線上截取監(jiān)測點，截取46個剖面，共計322個監(jiān)控點，圖3所示為沿采場進路方向監(jiān)測點布置，用以監(jiān)控不同位置點位移變化規(guī)律。

圖3 沿采場進路方向監(jiān)測點布置Fig.3 Monitoring location along stope route direction

3 計算結(jié)果與討論

為便于分析和文字說明，分析主要針對2個剖面，即過開挖部分中央的橫和縱剖面，其中，橫剖面為每步開挖后垂直空區(qū)監(jiān)測方向剖面。開挖中部2采區(qū)520分段空區(qū)和中部2采區(qū)500分段空區(qū)使主采場與2采場空區(qū)相互貫通，為了研究貫通與非貫通情況的不同，對比分析開挖(方案1)與不開挖這 2個采場情況下(方案2)空區(qū)周圍巖體應力、變形和破壞區(qū)的響應。

3.1 應力變化規(guī)律對比

圖4 橫剖面上的最大主應力分布Fig.4 Maximum principle stress distribution on cross section plane

圖5 縱剖面上的最大主應力分布Fig.5 Maximum principle stress distribution on longitudinal section plane

圖4和5所示分別為開挖完畢后橫、縱剖面上最大主應力的分布。從圖4和5可知：縱剖面上，兩者應力分布形式基本相同，只在頂板480 m和460 m開挖部分的拐角處拉應力分布略有不同，方案1的拉應力區(qū)略大于方案2，且其數(shù)值也較方案2大，其中方案1的拉應力為4.21 MPa，方案2的拉應力為4.18 MPa。對于橫剖面上的應力云圖：由于方案1主采區(qū)和2采區(qū)相互貫通，方案1頂板的拉應力區(qū)更靠近拐角處，而方案2拉應力區(qū)主要位于頂板中央，且方案2高壓力區(qū)域面積大于方案1高壓應力區(qū)域面積，說明空區(qū)間存在隔離層時，更有利于應力傳遞，空區(qū)整體更加穩(wěn)定。

3.2 位移變化規(guī)律對比

圖6所示為開挖完畢后橫剖面上豎直位移的分布。從圖6可見：在空區(qū)以內(nèi)2種方案得到的位移等值線云圖的分布形式基本相同，但其數(shù)值有較大差別，約為25 cm。在主采區(qū)和2采區(qū)貫通處，2種方案的位移形態(tài)有較大差別，方案1的位移趨勢指向空區(qū)的拐角處，而方案2的位移趨勢指向空區(qū)內(nèi)部，并且位于拐角處的位移云圖顯示，方案1的位移值明顯大于方案2的位移值。

圖6 橫剖面上的豎直位移分布Fig.6 Vertical displacement distribution on cross section plane

圖7所示為開挖完畢后各監(jiān)測線的豎直位移曲線。從圖7可見：位移曲線的分布形式基本相同，即先增大再減小的趨勢，最大值位于空區(qū)進路方向位置200 m左右。方案1的位移大于方案2的位移，兩者之間的差別約為60 cm，另外從計算結(jié)果可知：2個方案之間的水平位移差別不大。說明是否開挖中部2采區(qū)520分段空區(qū)和中部2采區(qū)500分段空區(qū)對頂板沉降的影響較大。

3.3 塑性區(qū)分布規(guī)律對比

圖7 監(jiān)測點豎直位移Fig.7 Vertical displacement of monitoring point

圖8所示為開挖過程中空區(qū)周圍巖體的破壞狀態(tài)。從圖8可以看出：主采場空區(qū)頂板主要發(fā)生拉剪破壞，空區(qū)正上部頂板發(fā)生拉伸破壞，再往上部分主要發(fā)生剪切破壞，并且隨著開挖的進行，頂板破壞區(qū)域面積明顯增大，而邊幫破壞區(qū)域面積基本不變。開挖過程中，空區(qū)頂板首先拉裂，出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，其上部巖體隨著頂板冒落也不斷往下變形，從而出現(xiàn)一定高度的破壞巖體，此部分巖體以上部分由于應力重分布及其以下巖體冒落完畢而處于穩(wěn)定狀態(tài)；2種方案的塑性區(qū)分布基本相同，即沿著空區(qū)中央以弧狀形式不斷向外發(fā)展，但方案1空區(qū)頂板的破壞區(qū)域大于方案2空區(qū)頂板的破壞區(qū)域。方案1的破壞高度大約為160 m，方案2的頂板破壞高度為120 m左右，可見不開挖中部2采區(qū)520分段空區(qū)和中部2采區(qū)500分段空區(qū)能夠大大提高空區(qū)的穩(wěn)定性。

圖8 橫剖面上的塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution on cross section plane

4 結(jié)論

(1) 縱剖面上，兩者應力分布形式基本相同，且數(shù)值也大體相同。橫剖面上，方案1頂板的拉應力區(qū)更靠近拐角處，方案2拉應力區(qū)主要位于頂板中央，且方案2高壓應力區(qū)域面積大于方案1高壓應力區(qū)域面積，即空區(qū)間存在隔離層時，更有利于應力傳遞，空區(qū)整體更加穩(wěn)定。

(2) 2種方案的位移等值線云圖分布形式基本相同，但其位移有較大差別，約為25 cm。

(3) 2種方案的塑性區(qū)分布基本相同，即沿著空區(qū)中央以弧狀形式不斷向外發(fā)展，但方案1空區(qū)頂板的破壞區(qū)域大于方案2空區(qū)頂板的破壞區(qū)域。方案1的破壞高度約為160 m，方案2的頂板破壞高度為120 m左右，空區(qū)貫通對采場的穩(wěn)定性有較大影響。

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