深部礦體回采過程對巷道變形影響研究*

劉 煒 楊瑞霞 張睿沖

(廣西大學資源與冶金學院)

礦體進入深部開采以后，巷道變形日趨復雜，除了深部高應力對巷道穩定作用以外，礦體的開采順序及過程對圍巖影響也很大。深井開采中，采取合理的礦床開采順序，有利于改善巖體的應力分布狀態，控制由于采動影響而造成的應力增高帶相互重疊的程度［1-3］。開展回采順序數值模擬優化研究，對保證礦山安全生產具有重要的意義［4-5］。為了更加深入地了解巷道圍巖在開采過程中的變形破壞規律，還應該從上下分段巷道回采的角度來分析巷道圍巖的應力變化規律。

1 數值模擬

1.1 計算模型

根據本次研究的內容和力學特點，建立了3個分段水平的采場巷道巖體力學數值計算模型。模型選用所研究礦山－375 m水平巷道，通過采用FLAC3D軟件對巷道進行數值模擬，計算模型橫斷面如圖1所示，開采順序按分段從上到下依次進行。

1.2 圍巖應力分析

通過巷道回采過程的數值模擬計算可以看出，在同一水平層面上，相鄰巷道的回采對巷道圍巖的應力、位移影響不是很大，而不同水平分段(即上下相鄰分段)的巷道回采，對巷道圍巖的應力變化有較大、較明顯的影響，因此，這里主要分析上下相鄰分段巷道的回采對圍巖的應力影響。

圖1 巷道數值模擬計算模型橫斷面(單位:m)

上分段3條巷道回采完成后，巷道圍巖應力分布如圖2和圖3所示。

圖2 上分段巷道回采完水平應力分布

圖3 上分段巷道回采完垂直應力分布

從圖2中可以看出，上分段3條巷道回采完成后，巷道頂部出現應力拱，應力集中系數在2.0左右。而在中間分段4條巷道與上分段回采后的3條巷道之間的應力集中區范圍有所減小?？梢?，上分段巷道的回采，可以對下面巷道周圍的應力集中區進行卸壓，而且，在已經回采完的上分段巷道頂部形成了應力拱，這樣更有利于下分段巷道的開挖。但是，中層分段4條已開挖的巷道與下分段3條未開挖的巷道之間的柱狀應力集中區域仍然存在。

從圖3可以看出，上分段已經回采的3條巷道之間有很小范圍的應力集中區，但在中間4條巷道之間，形成了非常明顯的橢球狀應力集中區域，應力集中系數在1.2～1.5。4號和7號巷道的外側也有一部分應力集中區，但集中程度明顯沒有中間2條巷道之間的應力集中程度高，主要原因是中間巷道之間的應力集中是相鄰巷道周邊應力集中區相互疊加，從而導致中間的應力集中程度增加。

1.3 圍巖的塑性區

上分段巷道回采完成后，巷道圍巖的塑性區見圖4。從圖中可以看出，中間分段未回采的巷道雖然是穩定的，但已有部分地方發生塑性破壞，主要集中在拱底和兩幫底部，特別是5號和6號巷道。

圖4 上層巷道回采完成后的塑性區

2 上分段巷道回采過程

在巷道回采過程中，回采分步進行，因此不需要討論沿巷道進路方向發生的位移，只關注斷面上巷道兩幫的水平位移和頂、底板的豎直位移。上層巷道回采完后，巷道位移見圖5和圖6。

圖5 上分段巷道回采完水平位移

圖6 上分段巷道回采完垂直位移

從圖5和圖6可以看出:上分段回采完成后，中層巷道兩幫最大水平位移為10 mm。中層巷道頂板最大豎直位移為10.5 mm，底板最大位移為5 mm。

下分段3條巷道(8～10號)開挖完成后(在開挖8～10號巷道時，最上分段的3條巷道已經回采完)，巷道圍巖的水平方向應力和豎直方向應力分布分別見圖7和圖8。

圖7 下分段巷道開挖完水平應力分布

圖8 下分段巷道開挖完垂直應力分布

從圖7可以看出，下面2個分段巷道的兩幫均形成了卸壓區，而在頂底板則形成應力集中帶，應力集中系數為1.5～1.7，這是因為隨著開采深度的增加，應力值增加。另外，由于兩幫的水平應力減小，使這些區域的限制應力減小，更易產生破壞。

從圖8可以看出，垂直方向的應力，在上分段3條回采完的巷道之間的應力集中區域小，程度比較低。中間4條巷道之間的應力集中區域很明顯，應力集中系數為1.38～1.5。下分段3條巷道之間的應力集中區域比中間4條巷道之間的應力集中區域更大，應力集中系數在1.38～1.53。

下分段3條巷道開挖完后，中間4條巷道兩幫的最大水平位移約為7.5 mm，下分段3條巷道兩幫的最大水平位移為7.1 mm。中間4條巷道頂板最大垂直位移為14 mm，底板最大垂直位移為12.4 mm，下分段3條巷道中，頂板最大位移為5.8 mm，底板最大位移為5.5 mm。

下分段巷道開挖完成后巷道及圍巖塑性區分布:下分段巷道周圍的塑性區范圍明顯擴大，下分段3條巷道之間幾乎全部為塑性區。因此，生產過程中，必須進行及時、有效的支護來保證生產的安全和順利進行。

3 中分段巷道回采過程

水平應力方面，當中層4條巷道全部回采完成后，在4條巷道頂部形成了非常明顯的壓力拱，下分段巷道底板下部有很明顯的應力集中區，應力集中系數范圍為1.6～2.0。在下分段巷道周圍，垂直應力向兩旁轉移，在整個巷道群的下方形成了弧形卸壓區域，卸壓深度最大達到15 m左右。

上面2分段巷道回采完成后，巷道圍巖的塑性區具有以下特征:回采后的巷道頂板出現了塑性破壞，下分段未回采的巷道周圍的塑性區范圍擴大，而且在下分段巷道底板處發生了拉伸破壞，相鄰巷道之間有些地方的塑性區已經相互貫通?？梢?，如果回采過程中不對巷道圍巖進行支護加固的話，將會導致下層巷道未回采就發生了破壞，這對巷道的穩定性和礦山安全生產是不利的。

上面2分段巷道回采完成后巷道圍巖位移:中層巷道回采完成后，下分段巷道兩幫最大水平位移為11.6 mm。下分段巷道頂板最大垂直位移為11 mm，底板最大垂直位移為5 mm。

從以上2分段巷道的整個回采過程中，對比相應位移圖可知:水平方向的位移幾乎變化不大，而巷道頂板豎直方向的位移隨開采深度的增加，從上至下依次減小，底板位移從上到下依次增大。

4 結語

(1)在開挖過程中，水平方向的應力在巷道上下形成應力集中區，其中，在巷道頂板上部礦體部位，應力集中區比較大，距離頂板比較近;巷道底板下部的應力集中區距離底部距離比較遠，集中面積較小。豎直方向的應力在巷道兩邊形成應力集中區，其中相鄰巷道之間的應力集中程度更高。

(2)在回采過程中，巷道周邊應力變化跟開挖時不同，主要表現在水平方向的應力在巷道上下仍然形成應力集中區。但是，隨著上分段巷道的回采，下分段巷道頂板上部礦體的應力集中區域逐漸減少，巷道底板下部礦體的應力集中區域逐漸增加，上分段回采完成后，在其頂板上部形成了應力較高的應力拱，回采起到了卸壓的作用，巷道底板下部形成新的應力集中帶。垂直應力方面，相鄰巷道之間依然有應力集中區域，隨著巷道的不斷回采，下分段巷道底板周圍的應力集中區域向外擴散，形成弧形卸壓區，實現了回采過程中的應力轉移。因此，在生產中，利用卸壓開采可以減輕地壓危害。

(3)上面2分段巷道回采完成后，巷道頂板出現了塑性破壞，下分段未回采的巷道周圍的塑性區范圍擴大，而且在下分段巷道底板處發生了拉伸破壞，相鄰巷道之間有些地方的塑性區已經相互貫通。在回采過程中需對巷道及時支護。

(4)巷道圍巖的位移在水平方向和豎直方向表現出了一定的差異性。巷道兩幫水平位移隨著上下分段的開采變化范圍不大，基本上最大水平位移都在11 mm左右。豎直方向的位移，巷道頂板和底板處變化規律不同，巷道頂板位移從上到下，隨著開采深度的增加而逐漸減小，巷道底板的位移從上到下，隨著開采深度的增加而逐漸增大。

［1］ 徐文彬，宋衛東，等.大階段嗣后充填回采順序及出礦控制技術研究［J］.金屬礦山，2011(6):13-15.

［2］ 施建俊，孟海利.采場結構參數與回采順序的數值模擬優化研究［J］.有色全屬:礦山部分，2005(3):9-11.

［3］ 楊承祥.深井金屬礦床高效開采及地壓監控技術研究［D］.長沙:中南大學，2007.

［4］ 曹 明，呂廣忠，王志國.金廠峪地下采場回采順序彈塑性數值模擬分析［J］.金屬礦山，2004(12):23-26.

［5］ 楊典森，陳衛忠，楊為民，等.龍灘地下洞室群圍巖穩定性分析［J］.巖土力學，2004，259(3):391-395.