深部巷道裂隙圍巖危險體判定及應力監測預警

劉煥新，朱明德，吳欽正，張曉勇

(1.山東黃金礦業科技有限公司深井開采實驗室分公司，山東 萊州 261400；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；3.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

隨著礦產資源開采向深部不斷延伸，地應力越來越高，開挖擾動后的圍巖體處于復雜的應力環境中，圍巖的變形、冒頂、片幫現象日益增多，給現場作業人員的安全帶來極大威脅。因此，針對深部高應力環境下巷道裂隙圍巖穩定性問題的研究十分重要[1-2]。

本文通過對三山島深部巷道圍巖裂隙產狀進行測量與統計分析，以離散網絡模型為基礎獲取等效巖體力學參數，利用FLAC3D軟件建立完整中段巷道模型，對巷道圍巖進行應力、變形特征分析，并依據巷道圍巖應力、變形、破壞特征建立巷道應力監測網絡[3-4]，為巷道支護方案優化及開采設計提供有效的科學參考。

1 等效巖體力學參數

通過對現場巖體局部暴露或開挖導致暴露區進行裂隙產狀測量并進行統計分析，依據裂隙產狀統計分布函數，得到與現實中節理裂隙分布具有同等概率分布特征的模型，并進一步對三維空間區域大小進行確定。以三山島金礦深部巷道圍巖為分析對象，生成三維裂隙網絡模型(DFN)[5-6]。 將DFN模型嵌入完整巖石塊體模型進行切割，從而得到與實際巖體內部具有同等或接近的裂隙概率分布特征的離散塊體模型，本文通過構建5 m×5 m×5 m的巖石塊體，將DFN節理裂隙模型導入巖石塊體，裂隙巖體重構的方法如圖1所示。

圖1 裂隙巖體重構模型

分別建立尺寸為1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m、3 m×3 m×3 m、4 m×4 m×4 m、5 m×5 m×5 m、6 m×6 m×6 m的正方體裂隙巖體模型，將每組模型分別進行三組試驗，分別對X軸方向、Y軸方向、Z軸方向進行單軸壓縮數值試驗，獲取不同尺寸模型X、Y、Z方向彈性模量、峰值強度隨尺寸的變化規律，如圖2和圖3所示。

圖2 彈性模量隨尺寸變化規律

圖3 單軸壓縮強度隨尺寸變化規律

分析節理巖體的峰值強度與彈性模量隨模型尺寸的變化曲線，峰值強度與彈性模量表現出隨著模型大小增大而遞減的規律，當模型尺寸達到一定值，峰值強度與彈模趨于穩定，裂隙巖體力學屬性近似均質，根據DFN模型計算結果，取邊長為6 m的模型力學參數作為等效巖體參數，見表1。

表1 等效巖體力學參數

2 深部巷道圍巖穩定性分析及監測

2.1 裂隙圍巖穩定性分析

為方便分析-870 m水平巷道整體的穩定性，本文擬采用整體建模的方法，構建三維立體巷道模型。由于FLAC3D軟件前處理功能較弱，模型不易建立，本文主要通過三維建模軟件Rhinoceros建立巷道三維幾何模型。所采用建模命令主要包括：平面拉伸、掃略、放樣、聯集與移動等方法。建模的主要步驟：先確定巷道兩端坐標點，確定巷道具體位置，建立巷道線框;然后將線框進行放樣、拉伸、掃掠等操作得到巷道實體模型，將巷道模型通過布爾運算中的聯集計算方法將各條巷道進行合并，依據三山島金礦西山分礦CAD平面圖紙，形成該水平巷道整體模型并導入FLAC3D軟件形成-870 m水平巷道數值模型，數值模型如圖4所示。

圖4 FLAC3D數值模型

數值計算模型邊界條件根據地應力測量而定：基于已測得的地應力分布情況，對各個水平地應力值進行直線擬合，地應力變化梯度即為直線的斜率，根據前期地應力測量水平由淺到深，可根據該直線方程式計算分析-870 m水平地應力分布特征，得到該水平最大、最小水平主應力與垂直應力，根據方位、傾角等因素進行換算可以得到數值模型邊界條件。計算所得地應力：最大水平主應力40.11 MPa，最小水平主應力21.52 MPa，垂直應力25 MPa。

為了分析巷道圍巖應力分布情況，分別從最小主應力、最大剪應力兩個方面對模型應力分布進行分析。根據最小主應力分布情況可以判斷張拉應力分布情況，當某位置最小主應力值為正值時，該位置可能發生張拉破壞。根據最大剪應力分布情況可以判斷最易發生剪切破壞的位置。

最小主應力云圖切片俯視圖如圖5所示。最小主應力值>0的位置主要集中在釆聯與脈外運輸巷交叉位置與巷道底板位置，其中斜聯巷與脈外運輸巷交叉位置最小主應力最為集中，應當注意這些位置較易發生片幫。

張拉單元分布情況如圖6所示。張拉單元共計801個，出現張拉應力的部位主要分布在斜聯巷道與運輸巷交叉位置、水倉位置以及脈外運輸巷拐角處。值得注意的是，一般裂隙接觸面抗拉強度較低，這些位置容易由于張拉應力的存在而使得原生裂隙發生二次張拉破壞。

最大剪應力云圖如圖7所示。根據頂板最大剪應力云圖分布顯示，最大剪應力主要于斜聯巷道與巷道拐角處較為集中，其中拐角處最大剪應力達到27 MPa。在剪應力作用下，結構面易發生滑移，導致圍巖破壞。

圖5 最小主應力圖

圖6 張拉應力單元分布圖

圖7 最大剪應力圖

2.2 危險部位應力監測預警

在三山島金礦-870 m水平應力集中區域布設采動應力計，監測圍巖隨開采擾動的應力變化情況。測點布置集中在斜聯巷、采聯巷端部及巷道交叉處，如圖8所示。A區圍巖應力在監測前期保持穩定，監測進行至65 d時發生突變，圍巖應力大幅度變化表明該處巖體發生較大變形，該處圍巖處于不穩定狀態，測點附近斜聯巷頂板在2 d后發生冒落；B區圍巖應力在監測進行至38 d時應力開始上升，并在60 d時產生突降，周圍巖體發生破裂，水倉連接巷隨即發生了較大規模的頂板塌落。兩次巖體破碎災害的成功預測為礦山設備、人員安全提供了可靠的保障。

圖8 監測區應力變化規律

3 結 論

1) 根據裂隙巖體重構模型，對尺寸為1～6 m的巖體模型進行單軸壓縮數值試驗，分別分析了裂隙巖體彈性模量、單軸抗壓強度等方面隨尺寸變化而變化的規律，得到了表征單元體最小尺寸為6 m。采用摩爾庫倫理論，獲得等效巖體力學參數。

2) 巷道圍巖拉應力位置主要分布于斜聯巷與主運巷交叉位置、主運巷與釆聯巷交叉位置與水倉位置等，張拉應力最大為0.6 MPa，張拉應力的存在容易導致原生節理裂隙再次張拉破壞，從而誘發裂隙圍巖二次破壞。最大剪應力主要分布于斜連巷道、主運巷拐彎處以及東西走向巷道，其最大值可達30 MPa，由于剪應力的存在，塊體之間的接觸面易發生剪切滑移從而導致圍巖失穩。

3) 巷道圍巖單元發生塑性破壞的位置主要集中在主運巷與釆聯巷交叉位置、斜聯巷、主運巷拐彎處與水倉等位置，破壞形式主要表現為剪切破壞，水倉局部產生張拉破壞。

4) 根據數值模擬獲得的應力集中危險區域分布特點，針對性布設圍巖應力監測網絡，監測并成功預警兩次位于斜聯巷和水倉連接巷的頂板塌落事故，為礦山設備、人員安全提供了可靠的保障。