基于FLAC3D模擬的軟巖巷道地壓顯現規律研究★

李 濤 李明亮 單麒源 鞏憲輝 劉煒楠 劉 偉

(黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

隨著我國礦產資源不斷向深部發展，深部開采巷道圍巖穩定性的地壓顯現規律逐漸變得復雜[1]。為了掌握巷道圍巖的地壓顯現規律，越來越多的學者選擇理論分析[2,3]、數值模擬[4-6]和地壓監測[7]等技術手段揭示軟巖巷道圍巖地壓活動規律[8,9]。因此，研究不同圍巖(側壓系數)對巷道穩定性的地壓顯現規律影響顯得尤為迫切。

在礦山巷道圍巖的失穩破壞方面，數值模擬是一種效率很高的輔助分析方法，還可以通過定量和定性表征巷道圍巖的破壞程度，直截了當地研究巖體穩定性，由于目前大部分的研究對象較為簡單，較少研究軟巖巷道圍巖的地壓活動規律。FLAC3D能充分考慮研究對象(巖石和巖土)的不連續和大變形特性[10-12]，其求解速度很快，不僅可給出模擬對象的應力和變形分布等情況，同時可以利用Midas/GTS軟件的前處理功能，本文利用Midas/GTS軟件來建立巷道模型，然后將該模型導入FLAC3D中進行開挖分析。

本文采用FLAC3D數值模擬軟件，利用Midas/GTS前處理功能，選取摩爾—庫侖準則，按照礦山實際情況開挖，基于5種不同圍壓方案，開挖過程模擬200中段巷道的地壓顯現規律，同時掌握深部開采軟巖巷道的地壓顯現規律。

1 基本假設

1.1 巷道破壞現象

巷道圍巖失穩現象[13]普遍存在于眾多礦山中，軟巖巷道圍巖失穩現象在礦山中更為突出。頂板下沉、擴容、變形、冒、兩幫變形收斂、擴容；底板變形、破壞、底鼓等是巷道變形破壞的特殊特征，在三高一擾動條件下容易引起巷道位置發生變化，距離走向、傾向和傾角較遠。給眾多礦山地下巷道布置、生產和安全等造成了一系列影響和隱患。根據巷道圍巖礦壓顯現基本特征，將巷道誘發破壞大致分為三類：1)頂板下沉，冒頂；2)兩幫位移容易收斂，引起巷道片幫(內移)；3)底鼓。

1.2 軟巖巷道變形規律

1)軟巖巷道變形具有明顯的時間效用現象。主要表現為變形速度快，持續時間久，變形趨于穩定后仍會產生較大流變反應。軟巖巷道如果不采取及時有效的支護措施，圍巖將產生劇烈變形破壞，導致巷道全面失穩。2)軟巖巷道圍巖變形破壞隨埋深的增加而增大，而此過程存在一個臨界深度，超過臨界深度，軟巖的變形將急劇增加。3)軟巖巷道變形具有顯著的方向性，在不同的應力作用下，變形破壞的方向也不同，巷道自穩時間較短，自穩能力相對較差。4)軟巖巷道時常表現為非對稱的環向受壓現象，巷道變形破壞的主要形式為頂板下沉冒落、兩幫收斂變形和劇烈的底鼓。

1.3 軟破巖體巷道破壞的影響因素

軟巖巷道發生變形破壞主要是由地應力、圍巖巖性、節理裂隙、支護結構與參數、地下水等因素相互作用的結果。

在數值模擬過程中，不可能將影響巷道穩定性的因素都面面俱到地考慮進去。因此，本次模擬作了一些必要的假定。

1)將巖體看作連續均質和各向同性的力學介質。2)忽略斷層和節理、裂隙等不連續面對巷道穩定性的影響。3)計算過程只對靜荷載進行分析且不考慮巖體的流變效應。4)不考慮地下水、地震和爆破振動力對采場穩定性的影響。

由于地下采礦工程所具有的特殊環境和特性，計算模型中很難真實地完全反映和考慮礦山的地質條件和巖體結構條件，也很難根據礦山的實際回采步驟完完全全地進行回采數值模擬。通常為了容易計算，對巖體介質和回采步驟要進行簡化處理等步驟。本文探究對象某礦礦區巷道工程地質條件比較復雜，礦區圍巖主要以層紋灰巖，結晶灰巖，一般千枚巖，炭質千枚巖和泥質千枚巖為主，本次研究針對200中段圍巖的巷道，巖性主要為層紋灰巖，主要進行開挖不支護，從而確定地壓顯現規律的合理性及可靠性。

2 FLAC3D計算模型的建立

為了較好完成計算需要和提高計算精度，本次計算采用的模型尺寸為開挖區域[14]的6倍～7倍。根據礦區巷道的規格和斷面形式，結合巖石力學相關理論，建立三維有限差分法模型。其模型大小為：16.8 m×16.8 m×16.8 m，即垂直巷道走向方向取16.8 m(x方向)，沿巷道方向取16.8 m(y方向)，鉛垂方向取16.8 m(z方向)，根據礦區巷道的主要破壞情況和研究的影響因素，本研究選取200中段為研究對象，巷道埋深約600 m，根據巷道上部覆巖巖性，利用高度與載荷的關系，對模型上部施加10 MPa的均布荷載。共計95 812多個節點，91 872個單元體。單元網格劃分和模擬巷道示意圖如圖1,圖2所示。

3 計算方案及力學參數

根據地應力顯現規律，針對200中段圍巖的巷道有五種地應力顯現方案，本次數值計算對五種方案分別進行計算模擬：方案一：圍壓為0.5γH；方案二：圍壓為1.0γH；方案三：圍壓為1.5γH；方案四：圍壓為2.0γH；方案五：圍壓為2.5γH。

判斷材料進入塑性階段準則通常用屈服準則[15]，巖石和巖土材料的屈服準則經過眾多學者數十年的研究與推算，提出的表達式有幾十種之多。其中主要以摩爾—庫侖定律為基礎的摩擦屈服準則在巖石力學與工程中被廣泛的應用。本文亦采用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性本構模型，根據現場地質調查和室內巖石力學試驗等手段確定巖體力學參數，由于FLAC3D中采用體積模量和剪切模量來準確描述彈性模量和泊松比，所以根據式(1)計算體積模量和剪切模量。(E,ν)與(K,G)的轉換關系如下：

(1)

其中，K為體積模量；G為剪切模量；E為彈性模量；υ為泊松比。

以室內試驗得出的巖石物理力學參數和巖體質量評價RMR值為基礎[16]，采用最新的Hoek-Brown準則，對巖石物理力學參數進行工程折減弱化處理，計算分析出礦山各巖性的巖體力學參數見表1。

表1 礦巖宏觀巖體力學參數計算結果

4 數值模擬分析

4.1 不同圍壓下的巷道應力場分析

為了研究整個巷道圍巖應力變化情況，本文模擬分析了巷道圍巖兩側腰線、底鼓和頂板3種不同位置，不同圍壓下巷道圍巖應力變化規律如圖3所示。

由圖3可知，巷道圍巖應力分布與不同圍壓(側壓系數)有著密切關系，隨著側壓系數的增大，巷道兩側、底板和頂板的最大水平主應力逐漸增加，研究表明，隨著側壓系數的增大，巷道地壓顯現越明顯。

4.2 不同圍壓下的巷道位移場分析

為了研究整個巷道位移變化情況，本文模擬分析了巷道圍巖兩側腰線、底鼓和頂板3種不同位置，不同圍壓下巷道位移變化規律。限于篇幅，僅列出圖4和圖5(圍壓為0.5γH)，分別為巷道開挖之后，巷道拱頂處的垂直、巷道底板處、巷道頂板兩側中間和巷道左右兩幫中間位置的水平位移監測曲線。從圖中可以看出，巷道的水平位移要大于垂直位移，說明巷道開挖后發生偏幫較嚴重。由圖6～圖8可知，巷道底板處、巷道側幫及巷道頂幫與側壓系數的關系。

4.3 不同圍壓下的巷道塑性區分析

為了研究整個塑性區變化情況，本文模擬分析了巷道圍巖兩側腰線、底鼓和頂板3種不同位置，不同圍壓下巷道開挖后最大剪切增量分布如圖9所示。

由圖9可知，不同圍壓條件下巷道圍巖塑性區變化不同，巷道圍巖塑性區變化規律與不同圍壓(側壓系數)有著密切關系，隨著側壓系數的增大，巷道兩側、底板和頂板的塑性區逐漸增加，研究表明，隨著側壓系數的增大，應力集中越容易，在巷道開挖后產生的變形越來越大，巷道地壓顯現越明顯。

5 結語

本文通過對某礦山軟巖巷道進行數值模擬，本次模擬采用設計巷道的標準形態進行模擬，即200中段單軌平巷，斷面尺寸為2 400 mm×2 800 mm，巷道的邊角形態在局部比較復雜，在巷道和圍巖交界部位變化較大，因此在局部應引起足夠的重視，揭示了巷道開挖后的地壓顯現規律，研究結果如下：1)不同圍壓(側壓系數)條件下巷道圍巖塑性區變化不同，由于圍壓的不斷加大導致巷道開挖后產生的變形逐漸變大。2)巷道圍巖應力分布和側壓系數有密切的關系，隨著不同圍壓(側壓系數)的增大，巷道地壓顯現越明顯。3)隨著側壓系數不斷地增大，巷道底板處、巷道側幫及巷道頂幫的水平位移大于垂直位移，說明巷道開挖后發生偏幫較嚴重。