聯井型巷道布置的三維數值模擬及掘進順序優化

陳順滿 許夢國 王明旭 王 平，2 徐 釗 雒 凱

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院;2.華中科技大學土木工程與力學學院)

采用無底柱分段崩落法開采具有強度高、作業效率高、成本低和生產安全等特點，在金屬礦山迅速得到推廣，特別是鐵礦山。但在采準切割工作中出現大量的交叉巷道，且其應力應變分布復雜［1］。交岔點指巷道相交或分岔地點的那段巷道［2］。無底柱分段崩落法采礦巷道縱橫交錯，形成眾多的交岔點，這些交叉點斷面較大，受力狀態差，是采場中最容易變形破壞的區段，會危及井下的安全生產［3］。有許多學者對交岔點穩定性，施工措施和巷道管理措施進行了研究［4-7］，但對支護機理方面進行的研究相對較少［8-9］。

在采用無底柱分段崩落法的金屬礦山井下巷道掘進過程中，遇到礦體特別厚大時進路較長，單純的1條中沿已經不能滿足后續回采作業的高效進行，就需要布置1條上中沿。這樣就形成了局部區域的聯井型巷道布置形式。所謂聯井型巷道是指進路與上下中沿所組成的一個個井字型巷道布置形式。這種巷道布置形式出現很多巷道交叉處，而這些區域地壓顯現比較明顯，給交叉點圍巖的穩定性和安全生產會造成不利影響。針對這一情況，需要在巷道掘進過程中，分析其相應的應力分布特點和不同巷道掘進順序下交叉點圍巖的安全系數，避免應力集中，減小下水平巷道掘進對上水平采準巷道的影響，確保回采工作的正常作業。

數值模擬作為一種力學分析工具已被學術界和工程界廣泛接受［10］。有限元數值模擬軟件廣泛應用于機械、力學和巖土等領域，是一種能夠解決實際工程問題的數值模擬方法。因此本研究利用Ansys有限元軟件分析成本低，應用成熟，分析方便的優勢，對巷道的掘進順序進行數值模擬。

1 模型建立

數值模型模擬無底柱分段崩落法巷道掘進，采用聯井型巷道布置形式，分段高度17.5 m，進路間距15 m，巷道為三心拱巷道，巷道寬3.96 m，高3.68 m。整個模型的尺寸為75 m×60 m×80 m。網格劃分完畢共有116 738單元，186 310個節點，見圖1。在模型上表面施加6 MPa的壓力，下邊界取全約束位移邊界條件，模型4個側面分別施加水平位移約束，考慮自重應力場。計算模型的巖體力學參數見表1。

表1 計算模型的巖體力學參數

圖1 ANSYS網格劃分

2 －430 m采準巷道未掘進時力學特性

－395 m水平和－410 m水平采準巷道已經掘進完畢，已經開始進行回采作業。－430 m水平正在進行采準巷道的掘進。建立數值模型，分析兩水平巷道掘進情況下的圍巖應力應變分布狀態。在最大主應力中，最大拉應力發生在－395 m水平2號進路與上中沿的交叉處，為6.675 MPa(圖2)。在最小主應力中，最大拉應力發生在－395 m水平1號進路與下中沿的交叉處，為2.719 MPa(圖3);最大壓應力發生在－395 m水平2號進路與上中沿的交叉處，為28.625 MPa(圖3)。在最大主應變中，最大拉應變發生在－395 m水平上中沿偏離1號進路一側，為0.187 27μm/m(圖4)。在最小主應變中，最大壓應變發生在－395 m水平1號井路靠近下盤處，為0.667 3×10－6(圖5);而最小壓應變發生在－395 m水平2號進路與上中沿的交叉處，為0.778 04×10－9(圖5)。圖6為Z方向位移。安全系數最小值發生在－395 m水平2號進路與上中沿交叉處，為0.411 9(圖7)。

圖2 最大主應力

圖3 最小主應力

圖4 最大主應變

圖5 最小主應變

3 掘進方案

圖6 Z方向上位移

圖7 安全系數

－430 m水平局部區域布置有3條進路，2條中沿，見圖8。將3條進路分別分為3段掘進，上中沿和下中沿被進路分別分割為4段。這樣就將－430 m水平巷道掘進分為17段。這17段掘進方案的確定依據單條進路掘進、連續雙條進路同時掘進和間隔雙條進路同時掘進。單條進路掘進分為3種掘進順序，一是先掘進進路，待進路掘進完畢后再依次掘進下中沿和上中沿;二是先掘進進路，待進路掘進完畢后再依次掘進上中沿和下中沿;三是巷道掘進步步為營，以巷道進路掘進和中沿掘進交替推進，進路掘進完畢，巷道中沿也全都掘進完畢。連續雙條進路同時掘進是指兩條相鄰進路同時掘進，每條進路掘進順序與單條進路掘進一樣。間隔雙條進路同時掘進是指間隔兩條進路同時掘進，每條進路掘進順序與單條進路掘進一樣。

圖8 巷道段編號標識

4 9種掘進方案的比較

圍巖的穩定性不僅受到圍巖性質和地質結構等因素的影響，還受到支護方法和掘進順序等因素的影響［11］。在圍巖性質和地質構造等客觀因素一定的情況下，尋求合理的掘進順序是保證交叉點巷道圍巖穩定性的關鍵因素。為了研究掘進順序對交叉點圍巖穩定性的影響，采用9種方案進行模擬開采。如表2所示。

表2 數值模擬計算方案

4.1 應力分析

通過對9種方案進行模擬比較，從圖9中可以看出單條進路掘進和連續雙條進路同時掘進的6種掘進方案最大壓應力值是一樣的，均為32.253 MPa，且都發生在－410 m水平1號進路與上中沿交叉處;而間隔雙條進路同時掘進的3種方案最大壓應力值均為30.937 MPa，發生在－410 m水平1號進路與下中沿交叉處，說明單條間隔雙條進路掘進時對圍巖的影響較小。從圖10來看，不同的掘進方案，最大拉應力值不同，單條進路掘進順序的3種方案中，第3種方案的最大拉應力值最小，連續雙條進路同時掘進的3種方案最大拉應力值均比單條進路掘進的3種方案最大拉應力值小，方案六的最大拉應力值比前面5種方案都小。間隔雙條進路同時掘進的3種方案中，最大拉應力波動范圍比較大，方案七最大拉應力值最大，方案九中得到的拉應力值6.655 1 MPa，為最小，出現上述現象的原因是因為單條進路掘進和連續雙條進路掘進時，對圍巖的擾動大，間隔雙條進路同時掘進時，使原先的應力狀態重新分布，降低了應力升高區，對圍巖的影響較小。

圖9 9種掘進方案最大壓應力值

圖10 9種掘進方案最大拉應力值

綜合9種方案的應力變化情況，單條進路掘進時，方案三最優。在掘進過程中，先掘進上中沿再掘進下中沿要優于先掘進下中沿再掘進上中沿。連續雙條進路同時掘進時，方案六最優。間隔雙條進路同時掘進時，方案九最優。

4.2 安全系數分析

從圖11中可以看出，9種不同方案掘進順序得到的最小安全系數有所差別，單條進路掘進和連續雙條進路同時掘進的6種掘進順序最小安全系數均發生在－410 m水平1號進路與上中沿交叉處，最小安全系數均為0.361 58，采用間隔雙條進路同時掘進順序時3種方案的最小安全系數均發生在－410 m水平1號進路與下中沿交叉處，最小安全系數為0.379 45。通過對比9種方案的不同掘進順序過程中最小安全系數，單條進路掘進和連續雙條進路同時掘進的6種掘進方案最小安全系數在整個開挖過程中波動范圍較大，間隔雙條進路同時掘進的3種方案最小安全系數波動范圍較小。綜合9種方案的最小安全系數以及最小安全系數在整個掘進過程中的波動范圍大小可以得出間隔雙條進路同時掘進的3種方案掘進順序最優。

圖11 各掘進方案最小安全系數

5 結論

(1)在無底柱分段崩落法的金屬礦山井下巷道掘進過程中，遇到礦體特別厚大時進路較長，采用布置1條上中沿和1條下中沿的聯井型巷道布置方式，能保證后續回采作業的高效進行，提高礦山生產能力。

(2)通過多次進行數值模擬，分析9種掘進方案的最大主應力、最大拉應力和最小安全系數，以及它們各自發生在模型的那個區域，表明開挖順序是交叉點圍巖穩定性的關鍵，間隔雙條進路同時掘進對圍巖擾動影響較小，方案九為最優，建議在最小安全系數處的巷道實施快掘快支，加強該段巷道的支護。

(3)運用比較成熟的Ansys有限元軟件對巷道的掘進順序進行數值模擬，可以方便、直觀地分析交叉點圍巖的受力情況及安全程度，為礦山選擇合理的巷道掘進順序提供一定的參考。

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