某金屬礦山巷道穩定性數值模擬研究

(西昌學院土木與水利工程學院 四川 西昌 615013)

引言

某礦區巖性復雜，節理斷層縱橫交錯，巖體完整性差，強度低。此外，礦區的地應力很大且以水平應力為主導，水平應力約為垂直應力的兩倍[1]。因此，該礦區的工程地質條件很差，巷道施工和維護相當困難。影響巷道穩定性的主要因素是圍巖受力和變形情況。其中巷道圍巖的頂板、底板及兩幫的受力和變形情況又是巷道穩定性研究中的重點。本文主要是用數值模擬的方法研究該礦區水平分段巷道的受力和變形情況，為礦區巷道支護設計和施工提供一定參考。

一、ANSYS軟件簡介

用于數值計算的軟件很多,ANSYS軟件是目前應用較多的一種。它是美國ANSYS公司在20世紀70年代開發的大型通用的有限元分析軟件，具有很強的計算功能，可進行線性、非線性、靜態和動態結構分析，流體分析，溫度場分析，電磁場分析等[1]。最初主要是為了應用于電力工業方面,現在已經廣泛應用于機械制造、能源、國防軍工、土木工程、生物醫學、輕工、地礦、水利、等多種學科研究及工業領域，能夠滿足于各種行業有限元分析的需要[2]。

二、工程實例數值模擬

(一)礦區區域地質概況

礦區分段中西部開拓工程所處地段經歷了多次構造運動，巖層層間褶皺緊密,斷層縱橫交錯，節理十分發育，各類巖漿巖脈相互穿插切割，導致巖體完整性差，強度低。此外，礦區的地應力以水平應力為主導，并且是壓應力。最大主應力方向為北東-北北東，傾角近與水平。礦區地應力大(25～45MPa)，工程地質條件很差，巷道施工和維護相當困難[3]。

礦區由于特殊的工程地質條件，自建礦以來就引發了許多工程地質問題，再加上其重要的地位，吸引了許多工程地質工作者前去進行研究。在礦區的眾多工程地質問題中，巷道變形是一個很突出的問題[4]。對于這一問題，已有很多學者做過大量研究工作，其中數值方法是一種很重要的研究手段。

(二)建模及計算

1.模型建立及劃分網格。由于巷道巖體在剛剛被開挖出來后，巷道周邊巖體仍處于相對的靜止平衡狀態，可認為圍巖處于彈性狀態。因此，二維問題均作為平面應變問題處理，物理模型初定為彈性模型。

在Ansys軟件所提供的單元中，SOLID4NODE182單元為平面結構單元，由四個節點組成。此單元可以進行塑性、蠕變、應力硬化、大變形及大應變分析，能較好反映圍壓作用下軟巖的變形。因此，采用SOLID4NODE182單元來進行模擬。

經實地考察，礦區水平分段巷道斷面形狀為巷道上部是半圓形，下部是方形，半圓半徑是2.3m，方形尺寸為4.6m×2.0m。圣維南原理表明，模型尺寸應足夠大，以消除邊界效應的影響。邊界尺寸一般按巷道直徑的3～5倍以上選取[5]依據上述計算模型邊界范圍確定原則，礦塊尺寸選為30m×30m，巷道距模型底邊界13m。網格按0.5m進行劃分，網格劃分比較密，且是均勻劃分，即把礦塊寬和高方向均化為60小格，這樣雖然占用內存較多及計算時間較長，但計算精度高，能夠較好的反映巷道的受力和變形情況。

2.應力條件及邊界條件。試驗巷距地表垂直距離約700m左右，根據實測，礦區巖石容重取27KN/m3，垂直應力約19Mpa，又查資料得礦區水平應力大約為垂直應力的2倍左右，故水平應力約為38MPa，且礦塊上部和兩側應力可按均布應力計算。

根據以往經驗，模型左右邊界及上部邊界均無約束，模型下邊界只限制垂直位移。需要注意的是模型下邊界中點必須要施加x方向的位移約束，以此來保證結構及其所承受荷載的對稱性，從而使模型計算結果更加真實、可靠[5]。整個研究對象具有9.18m/s2的慣性力加速度，方向向上。

3.圍巖的物理力學性質參數。根據經驗及調閱大量文獻，礦區圍巖物理力學性能參數如表1所示：

表1 礦巖物理力學參數[5]

4.計算依據及強度理論。巷道分析的具體手段為彈塑性平面應變有限元分析，屈服準則采用Drucker-Prager準則[4]，即F=aI1+I2+K

式中：I1與J2分別為應力張量第1不變量與應力偏量第2不變量。

利用所建立的模型，輸入參數及邊界條件，即可進行求解計算，并利用后處理程序，就可以再現所研究巷道的受力及變形情況。

(三)計算結果分析

位移分析：礦塊的上部兩側頂角處位移最大，達到154mm，從兩邊向礦塊內圍巖位移量逐漸減小；礦塊底邊圍巖位移量最小，只有17.1mm。巷道兩幫中部圍巖位移較大，巷道頂部和底板及邊角處圍巖位移較小，巷道底板突起，有“底鼓”現象。

應力分析：在巷道兩幫剪應力作用下，巷道對角線方向上即邊角處和頂板處出現最大拉應力和最大壓應力均為55.8GPa。巷道在剪應力下會使頂板和兩幫發生錯動變形破壞。開挖巷道頂板中部和底板邊角處應力較大，約為87.6GPa，巷道兩幫應力較小，約為4.41GPa；巷道底部一定深度處的礦塊所受應力較其他地方小。

應變分析：開挖巷道頂板中部和底板邊角處應變較大，約為27.4mm，巷道兩幫應變較小，約為1.38mm；巷道底部一定深度處的礦塊所受應變較其他地方小。

三、結論與建議

礦區地質條件復雜，巷道支護困難。利用本模型進行計算,可獲得巷道圍巖受力和變形情況，可以為優化巷道布置、開拓及支護方案等提供一定的參考價值。同時可在一定程度上減少現場實測的勞動量,節約大量現場實測材料、人工等成本并可避免危險性較大的工作。通過針對該礦分段巷道的數值模擬，分析巷道受力和變形情況，提出以下支護意見及建議：(1)在軟弱巖體中開挖巷道時，巷道和圍巖均發生變形移動，巷道兩幫巖體位移量要大于頂部和底板位移量；礦塊兩側頂角處位移量遠大于底邊的位移量。可有針對性重點加強巷道兩幫支護，減少盲目性和不必要的浪費。(2)由于應力集中，巷道對角線方向上即邊角處和頂板處剪應力最大，此時巷道頂板和底板邊角處容易錯斷，進而導致整個巷道發生破壞。進行支護時，應在剪應力較大的部位重點支護。