高水平應力條件下某鎢礦巷道圍巖穩定性分析

肖國喜，郁富林

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.江西小龍鎢業有限公司， 江西 吉安市 343723)

高水平應力條件下某鎢礦巷道圍巖穩定性分析

肖國喜1，郁富林2

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.江西小龍鎢業有限公司， 江西 吉安市 343723)

某鎢礦在開挖巷道過程中，受高水平應力影響，巷道兩幫及頂底板出現不同程度的擠壓變形與破壞，為對后期巷道維護方案提供理論依據，采用Phase2軟件模擬分析在水平應力作用下各區域巷道圍巖塑性區范圍變化情況，研究表明：巷道頂板的穩定性很大程度上受水平構造應力影響，并存在極值λ，當高于此值時，圍巖穩定性迅速下降；當巖石存有結構弱面時，塑性區范圍大大增加，甚至可能超過巷道寬度，在一些關鍵部位和破碎帶區域需要進一步支護。

高水平應力；巷道支護；圍巖穩定性；數值模擬；塑性區

0 引 言

某鎢礦以北東向為最大主應力方向，受近似水平構造應力作用為主，底鼓現象較少，若巷道軸向與構造應力方向垂直，則巷道兩幫受力最大，巷道一般呈現兩幫擠壓變形現象。尤其是巷道正處于巖石比較破碎地段或者巖石強度本身很小的情況下，導致圍巖變形破壞。由于巷道圍巖在水平應力作用下，力學特性表現與巷道所處區域有很大關系[1]，本文采用塑性區范圍對巷道穩定性進行評價。

1 巷道位置與力學分析

1.1 構建理論模型

在構造應力場中掘進巷道，根據構造應力構建理論公式[2]，并考慮到種種因素，構造應力場巷道受力模型如圖1所示[3]。

圖1 構造應力場巷道受力模型

1.2 塑性區的理論范圍

在彈性區內圓形巷道圍巖應力如式(1)分布[4]：

(1)

式中，λ為側壓系數；q為垂直應力；a為巷道半徑；r為距巷道中心距離；θ為與X軸夾角；σr為徑向正應力；σθ為切向正應力；τrθ為剪應力。

某點的主應力計算公式：

(2)

式中，σr為徑向正應力；σθ為切向正應力；τrθ為剪應力；σ1為最大主應力；σ2為最小主應力。

將式(1)代入式(2)，可得構造應力場中圓形巷道圍巖彈性區內主應力計算公式：

(3)

式中：

(4)

由莫爾-庫侖強度準則，在塑性區內一點的主應力滿足：

(5)

式中，C為巖體粘聚力；φ為巖體內摩擦角。

因此，由式(3)和式(5)，可得：

(6)

由式(6)可知，解集(r，θ)連成的曲線即為塑性區的邊界線[5]，側壓系數λ、圍巖垂直壓力q、巖體的內聚力C和巖體的內摩擦角φ是影響構造應力場中塑性區范圍的主要因素。

1.3 塑性區范圍的影響因素

圖2 不同側壓系數的塑性區

(2) 圍巖垂直壓力q。圍巖垂直壓力q=5，10，15， 20 MPa時，分布范圍見圖3，在構造應力場中，隨q值增加，塑性區范圍不斷增大，巷道維護更為困難。

(3) 巖體的內聚力。由圖4可知，隨C值變大，塑性區范圍逐漸減小，巷道的穩定性得到提高。

(4) 巖體的內摩擦角φ。由圖5可知，隨φ值的增加，塑性區范圍逐漸減小；在φ<30°后，塑性區范圍對φ值的變化敏感。

圖3 不同垂直壓力的塑性區

圖4 不同內聚力的塑性區

圖5 不同內摩擦角的塑性區

2 巷道變形數值模擬分析

2.1 模型的構建

本研究采用Phase2進行巷道受力變形數值模擬分析[6]，選擇該鎢礦8線剖面為建模依據。巷道主要布置在上盤圍巖和下盤圍巖。巷道模型如圖6所示。

模型邊界約束采用位移約束的邊界條件。所有節點X、Y方向全部約束?？紤]到構造應力場對計算的影響，根據地應力測量結果，1690中段的最大主應力為：σ1=14.167 MPa，σ2=5.498 MPa，σ3=1.752 MPa。

2.2 材料力學參數選擇

根據巖體分類修正巖石力學參數，取巖石質量指標(CSIR)為100和60時的巖石完整程度(s)，巖石性質(M)，粘聚力(c)，抗拉強度(σt)，抗壓強度(σC)和內摩擦角(φ)(見表1)，對比分析完整巖石和含有結構面的不完整巖石的變形特征。

表1 巖石質量指標與巖石力學常數

2.3 模擬結果分析

從圖7可知，完整巖石(二云母石英片巖)和不完整巖石的塑性區變化很大，若上盤圍巖完整，則僅在巷道的兩幫產生一定的塑性區，這時采用噴射混泥土支護可滿足支護要求。但巖石并非完整結構，當存在結構面時，巖石性質被削弱，圖7(b)顯示塑性區范圍大大增加，尤其是在巷道頂部的兩邊，塑性區可以達到甚至超過巷道寬度(2 m)。根據松動圈理論可以得到同樣的解釋，這時錨桿的錨固力沒有到達堅硬巖石中，從而失效。從圖8可知，下盤圍巖中巷道的塑性區變化具有相同的規律，但對比上盤圍巖而言，下盤圍巖中巷道的塑性區范圍要小。

圖7 上盤圍巖巷道在不同巖石質量下的塑性區范圍

圖8 下盤圍巖巷道在不同巖石質量下的塑性區范圍

3 結 論

(1) 若圍巖自身強度越高，則巷道周邊各處越穩定；當壓力作用于巷道圍巖時，圍巖穩定性變化均勻且與壓力成正相關，其失穩現象表現的更為強烈，這與實際開挖巷道遇到的問題相一致，即開挖越深，維護越困難；但水平應力與垂直應力作用在巷道圍巖上，其穩定性變化具有非均稱性，即前者穩定性主要表現在巷道頂底板，而后者表現在兩幫。

(2) 數值模擬認為完整巖石和不完整巖石的塑性區變化很大，若上盤圍巖完整，則僅在巷道的兩幫產生一定的塑性區，這時采用噴射混泥土支護就可以滿足支護要求，但若巖石存有結構弱面時，巖石性質被削弱，塑性區范圍大大增加，甚至可能超過巷道寬度，導致錨桿錨固作用失效，因此在一些關鍵部位和破碎帶區域需要進一步支護。

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肖國喜(1989-)，男，江西吉安人，助理工程師，巖土工程及礦山露天爆破，Email：363564777@qq.com。