深井巖巷變形特征數(shù)值模擬研究

李 武，陳 沖，利 堅(jiān)

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655011）

國內(nèi)進(jìn)入深井開采的礦山已不是少數(shù)[1]，在典型的高地應(yīng)力、復(fù)雜巖體地質(zhì)環(huán)境下，井巷圍巖變形特征差異較大[2]，圍巖控制難題日益突出，康紅普[3]采用UDEC數(shù)值模擬軟件研究了超千米深巖巷變形破壞特征，通過井下試驗(yàn)確定了全斷面高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿與錨索及注漿聯(lián)合支護(hù)加固方式，能夠保證超千米深巖巷長期穩(wěn)定；翁占斌[4]通過地質(zhì)力學(xué)測試與數(shù)值模擬揭示了新疆伽師銅礦深部軟巖破碎巷道的變形特征及機(jī)制；張雪媛[5]研究表明深井巖巷隨著掘進(jìn)的進(jìn)行，巷道受水平應(yīng)力影響，圍巖塑性區(qū)先增大直至逐漸穩(wěn)定，頂板產(chǎn)生剪切破壞，兩幫產(chǎn)生劈裂破壞。

深井巖巷變形特征研究成果根據(jù)礦區(qū)不同特征不同。本文以云南某鉛鋅礦山埋深800m的開拓工程為研究對象，對巷道施工過程中變形特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為工程施工及支護(hù)提供理論支撐。

1 深井地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 地應(yīng)力

在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，在1584m中段新掘礦巖中選擇3個(gè)測點(diǎn)，采用應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測試，測試結(jié)果表明：

（1）地應(yīng)力介于25.74MPa～36.91MPa之間，屬于中等至較高地壓范圍。

（2）礦區(qū)的地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，傾角介于19.89°～28.70°之間，自重對地壓的影響要小于構(gòu)造應(yīng)力的影響。

1.2 圍巖力學(xué)參數(shù)

礦區(qū)圍巖巖石力學(xué)測試樣品取自現(xiàn)場鉆探巖芯制作出標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣，通過試驗(yàn)獲得了相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)，見表1。

表1 深部巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 構(gòu)建深部巷道數(shù)值模型

選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件來研究深部巷道變形特征。

2.1 模型建立

采用摩爾-庫倫模型，計(jì)算域均取為20m×20m（高×寬），縱向計(jì)算區(qū)域?yàn)?0m。為滿足計(jì)算精度要求，將巷道周邊的網(wǎng)格適當(dāng)加密，結(jié)合礦山主要巷道斷面類型，選取斷面規(guī)格為2.4m×2.65m（h=1.85m），斷面積為5.95m2，模型節(jié)點(diǎn)共32769個(gè)，單元數(shù)共15930個(gè)。

圖1 斷面模型圖

2.2 開挖方案

結(jié)合工程地質(zhì)特征，選取大塘組地層作為本次模擬開挖圍巖，本次模擬采用全斷面一次性開挖，開挖貫通整個(gè)模型的縱向，每次開挖2.5m，模型4次挖完。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圍巖位移分析

圖2 圍巖豎向位移云圖

從圖2可以看出，巷道開挖完成后頂板的最大位移為18.4mm，底板的最大位移為18.6mm。頂板位移變化主要表現(xiàn)為沉降，在拱頂達(dá)到最大值，變形范圍比較平均；底板變形主要表現(xiàn)為底鼓，最大變形出現(xiàn)在首次開挖的底板中部，變形范圍較集中。

3.2 圍巖應(yīng)力分布分析

圖3 應(yīng)力分布云圖

從圖3（a）可知，巷道的兩幫和底板均出現(xiàn)拉應(yīng)力，巷道幫部拉應(yīng)力主要集中在起拱線附近，底板的拉應(yīng)力主要集中在底板中部，最大拉應(yīng)力值為0.35MPa，如圖中的橙紅色區(qū)域。

從圖3（b）可知，壓應(yīng)力主要集中在頂?shù)装逯胁浚畲髩簯?yīng)力值可達(dá)45.94MPa，其中底板承受的最大主應(yīng)力超過頂板，壓應(yīng)力向圍巖深部逐漸減小。

3.3 圍巖塑性區(qū)分布分析

圖4 圍巖塑性區(qū)分布剖面圖

從圖4可以看出，塑性區(qū)分布呈圓形分布，分布范圍為距模型原點(diǎn)半徑2m～3m范圍內(nèi)的邊墻和局部拱頂部分，開挖后主要以剪切破壞為主，零星顯示為拉伸破壞，處于剪切屈服狀態(tài)的塑性區(qū)體積為73.26m3，處于拉伸屈服狀態(tài)的塑性區(qū)體積為1.6m3。

4 結(jié)論

（1）通過地應(yīng)力、圍巖力學(xué)參數(shù)調(diào)查測試，得到了該礦山深井巷道地質(zhì)環(huán)境特征參數(shù)。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明深井巖巷變形特征為：巷道開挖形成后，變形主要集中在巷道的頂?shù)装逯胁浚敯逦灰票憩F(xiàn)為沉降，底板位移表現(xiàn)為底鼓，最大變形量可達(dá)18.6mm；最小主應(yīng)力集中出現(xiàn)在巷道兩幫的起拱處及底板中部，最大主應(yīng)力集中出現(xiàn)在頂?shù)装逯胁浚凰苄詤^(qū)程圓形分布，以剪切破壞為主，零星為拉伸破壞。

（3）巷道開挖破壞范圍分布在巷道周邊2m～3m范圍內(nèi)，頂板、底板及起拱處為最易破壞范圍，為云南某鉛鋅礦山現(xiàn)場施工及支護(hù)提供了理論依據(jù)。