公路下伏采空區開挖過程中圍巖擾動規律研究

黃大桂，王李昌，隆威，雷家蔚

公路下伏采空區開挖過程中圍巖擾動規律研究

黃大桂1, 3，王李昌1, 2，隆威1, 2，雷家蔚1, 2

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2. 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；3. 廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

為研究湖南某公路下伏采空區的開挖過程對公路造成的影響和圍巖的擾動規律，采用 FLAC3D數值模擬軟件對公路下伏2個處于相同水平采空區在按順序先后開挖的過程進行了模擬，重點分析了圍巖應力場、位移場及塑性區的演化規律。模擬分析表明：在采空區按順序開挖的過程中，圍巖都存在明顯的拉應力集中和壓應力集中的現象，圍巖應力的改變不會對公路的安全施工造成較大的影響；開挖完成后，1號和2號采空區的頂板上方和底板下方的位移帶均產生了連通的現象，采空區整體位移影響區域大幅增加，但對公路的地表變形影響不大；1號和2號采空區的塑性區在礦柱上產生了貫通的現象，礦柱極有可能發生失穩垮塌，將會極大地危害整個采空區和公路的安全和穩定性。

采空區；數值模擬；應力演化

采空區的開挖過程實際上可以認為是一個不斷地動態調整原巖應力平衡狀態的復雜物理力學過程。自然條件下，原巖處于相對平衡的力學狀態，開采的過程中，原巖的力學平衡狀態受到了擾動作用的影響，迫使原巖對應力重新進行調整產生二次應力場并使原巖達到新的二次應力平衡[1?4]。采空區圍巖的破裂災變是造成地下礦山采空區安全事故頻發的根本原因之一，因此，深入研究礦山資源開采過程中的采空區圍巖擾動規律和致災機理是預防采空區安全事故的關鍵。國內外的專家和學者對地下礦山采空區形成過程中的圍巖擾動規律展開了深入的探索和研究[5?12]。付建新等[13]運用物理模型實驗與數值模擬分析相結合的方式，系統地探討了采空區群在開挖形成過程中圍巖的應力和位移的擾動規律。姜立春等[14?15]采用數值模擬的方法揭示了基于單層和雙層相同水平地下采空區群失穩破壞的動態變化規律，探究了形成動態失穩時的破壞模式和順序，并進一步提出了水平采空區群動態失穩破壞的具體工程機理和控制措施。賈楠等[16]運用FLAC3D有限差分軟件，建立了地下金屬礦山深部采空區巖體爆破擾動演化的理論模型，分析了采空區在爆破動力開挖過程中圍巖的演化特征，并且進一步研究了采動順序對采空區圍巖穩定性的影響。本文以湖南省某在建公路下伏地下礦山采空區為研究對象，在充分調查該礦山開采技術條件和分析巖體物理力學特性的基礎上，運用FLAC3D軟件對開挖擾動影響下采空區圍巖應力應變擾動規律進行模擬分析，深入探討了應力場、位移場及塑性區的演化規律，揭示了采空區穩定性機理和對公路穩定的影響效應，為礦山采空區的安全生產、發展和公路的施工提供指導。

1 數值模擬簡介

1.1 建立模型

此次采空區模擬采用了摩爾?庫侖模型，運用FLAC3D6.0構建的采空區三維簡化模型如圖1 所示，模型幾何邊界參數為 200 m×50 m×200 m，采空區模型的計算范圍是根據該礦山采空區的分布范圍和開采現狀確定的，充分考慮了足夠的邊界效應。模型中除了上方邊界之外，其余邊界全部施加來自各自方向上的位移約束。模型節點總數為58 890個，單元總數為56 250個。采空區埋深約170 m，厚度約10 m，傾角近似水平，按照0°考慮，開采方式為沿著礦體傾向，即軸正向，公路路線方向為軸方向，路寬8 m，僅考慮采空區開挖對公路正下方的影響。模擬采用的巖體物理力學參數是通過室內試驗并經過折減得到的，見表1。

表1 模型力學參數表

1.2 模擬方案

根據該礦山采空區的實際工程概況和初步設計資料，模擬了2個處于相同水平的采空區依次先后開挖的過程，每個采空區的開挖均視為一次性開挖完成的，2個采空區的跨度均為20 m，高為10 m，中間留設6 m的保護礦柱。模型除了考慮重力的影響之外，還需考慮公路施工的影響，將公路上的交通荷載視為均布荷載施加在模型上，均布荷載大小取=0.13 MPa。

2 模擬結果分析

2.1 主應力

圖2為依次開挖1號和2號采空區的最大主應力圖，由圖2可知，1號采空區開挖形成后，采空區及其四周圍巖發生較為明顯的應力釋放現象，導致采空區四周圍巖上形成了一圈圈的應力等值跡線拱。在采空區頂板上部和底板下部一定范圍內產生的拉應力集中區最大應力值出現在頂板中點處。頂板上的拉應力往空區外逐漸變小，最終發展成為壓應力。在采空區左右兩側一定范圍內存在高壓應力集中的現象，兩側高應力集中區應力值最大為1.61 MPa，應力集中系數為1.45，這其實是采空區開挖過程中，圍巖應力逐漸轉移到周圍巖體的結果。2號采空區開挖完成后，采空區頂板最大拉應力值由1.13 MPa增大到1.28 MPa，并且拉應力的影響程度和范圍均有所增加。這是由于在開挖過程中，采空區頂板臨空面面積會不斷增加，頂板應力不斷調整、釋放，拉應力也一直增加。拉應力值會逐漸接近圍巖抗拉強度，這有可能最終直接導致頂板的拉伸破壞。拉應力的不斷增加是造成采空區頂板冒落的最主要影響因素之一。兩側高應力集中區應力值增大至1.93 MPa，應力集中系數值為1.72，集中應力的大小和影響程度、范圍也就會變的更大了，說明采空區開挖完成后，采空區整體圍巖的應力狀態變得更差，而且越晚開挖的單個采空區，其圍巖的應力狀態也就相對越差。由于采空區距離地表較遠，開挖造成地表的應力改變較小，不會對公路的安全施工造成較大的影響。

2.2 正應力

圖3為開采完成后垂直應力云圖，由圖3可知，1號采空區開挖完成后，周邊應力釋放明顯，頂底板存在拉應力集中，其應力值為0.04 MPa，空區左右兩側一定范圍內存在高壓應力集中，應力最大值為9.43 MPa。2號采空區開挖完成后，拉應力增大到0.05 MPa，并且采空區拉應力的影響范圍大幅增加，其將極大地威脅著采空區圍巖的穩定性。采空區兩側高壓應力集中應力最大值增大到10.15 MPa，應力影響區域有所增強，說明采空區應力狀態變得更差了。礦柱上存在壓應力集中的現象，應力最大值為12.14 MPa，這將有可能導致礦柱的剪切破壞。由此可知，2個相同水平的采空區在開挖過程中是彼此相互影響的，并且應力的增大或釋放遵循著一種比較復雜的變化規律。

單位：Pa

2.3 剪應力

圖4為采空區剪應力云圖，由圖4可知，在采空區的4個邊角處均存在剪應力集中的現象，剪應力基本按照斜對稱分布。采空區全部開挖完成后，在采空區左上角和右下角上的應力最大值由2.09 MPa增大至2.25 MPa，在采空區右上角和左下角的應力最大值由2.09 MPa增大至2.48 MPa，并且應力影響程度和區域均有較大增加。研究表明，邊角處剪應力大小和采空區斷面面積的有著較為密切的關系，采空區斷面面積越大，其剪應力值就越大。在采空區開挖過程中，4個邊角將會先達到臨界剪切破壞狀態，由于采空區暴露面積的增加，邊角處破壞范圍逐漸延伸擴展，頂板拉應力值也逐漸增大，直至發展成為拉伸破壞。

單位：Pa

單位：Pa

2.4 位移

圖5為采空區豎向位移云圖，由圖5(a)可知，采空區的整體豎向位移基本上按照對稱特性規律進行分布，均指向采空區方向緩慢發展；采空區圍巖以豎向位移為主，在采空區底板上有少量的鼓脹；采空區頂板上方和底板下方形成圍巖移動位移等值線拱，離開挖邊界越近，其位移值也就越大；1號采空區頂板中央豎向位移最大，向頂板兩側急劇降低。由圖5(b)可知，2號采空區開挖完成后，由于受到2號采空區開挖的擾動，1號采空區的頂板中點位移從7 mm變成9 mm，2號采空區的頂板中點位移為9 mm，1號和2號采空區在頂板上方和底板下方的位移帶產生了連通的現象，形成了影響范圍較大的位移帶。1號和2號2個采空區的空間尺寸參數和所處的地質環境條件基本相同，但是最終的應力狀態和位移卻不盡相同，表明處于同一水平采空區的開挖相互之間會產生較大的擾動影響，采空區之間距離越小，其影響程度和范圍就越大。

采空區整體與地表距離較遠，地表最大豎向位移僅為3 mm，由此計算得到地表最大傾斜值、水平變形值和曲率值分別為0. 027 mm/m，0. 01 mm/m和0. 000 8 mm/m2，遠小于規范[17?18]相關規定值，由此可知，采空區開挖對公路施工產生的影響不大。

單位：m

2.5 塑性區

圖6為采空區開挖完成后塑性區圖，由模擬結果可知，塑性區主要集中在空區頂板、底板和礦柱上，頂板和底板發生拉伸破壞，4個邊角和礦柱發生剪切破壞，1號和2號采空區的塑性區在礦柱上已經出現了貫通的現象，這是因為采空區開挖過程中，頂板會大面積暴露懸空，上覆頂板的壓力將會直接作用在礦柱上，形成了高壓應力集中區，隨著開挖的進行，礦柱上的壓應力會逐步接近抗壓強度，其就有可能發生剪切破壞。由于實際生產過程中，開挖是一步步緩慢進行的，礦柱的變形過程是一個由漸變到突變的時空演化進程。礦柱變形會逐步增大直至完全失穩。由于沒有了礦柱的支撐作用，采空區之間發生連通，上覆頂板的壓力逐步向周邊巖體轉移，加劇了采空區兩側圍巖的應力集中，頂板極有可能發生斷裂破壞并引發大面積冒落，導致礦山采空區的崩塌、地表公路的塌陷和整個礦山結構破壞，嚴重危害礦山的安全生產和采礦人員機械設備的安全。

圖7為采空區剪應變增量云圖，剪應變增量主要集中在礦柱區域，集中區域就是采空區發生剪切破壞時的潛在破裂面，這與上述分析是一致的。因此，亟需對該采空區進行綜合治理，保障礦山的生產安全和公路施工安全。

(a) 1號開挖后；(b) 2號開挖后

圖7 采空區剪應變增量云圖

3 結論

1) 單個采空區開采過程中，采空區的圍巖存在拉應力集中的現象，采空區左右兩側一定范圍內各存在著一個高壓應力集中區；2個水平采空區先后開挖過程中，采空區的圍巖應力應變是不斷動態變化的，采空區開挖越晚，其圍巖的應力狀態表現相對越差；圍巖應力的改變不會對地表公路的安全施工造成較大的影響。

2) 開挖完成后，1號和2號采空區的頂板上方和底板下方的位移帶均產生了連通的現象，采空區整體位移影響區域大幅增加，但地表變形位移量較小，對公路影響不大。

3) 1號和2號采空區的塑性區在礦柱上出現了貫通，礦柱極有可能發生失穩垮塌，將會嚴重危害礦山采空區和公路施工的安全，應對采空區進行及時的治理。

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Study on surrounding rock disturbance law during the excavation of goaf under a highway

HUANG Dagui1, 3, WANG Lichang1, 2, LONG Wei1, 2, LEI Jiawei1, 2

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Metalorganic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, Changsha 410083, China; 3. Guangxi Communications Design Group Co., Ltd., Nanning 530029, China)

In order to study the influence of the excavation process of the goaf under a highway in Hunan Province on the highway and the surrounding rock disturbance law of the goaf, FLAC3Dnumerical simulation software was used to simulate and study the surrounding rock stress, displacement and plastic zone during the excavation of the two goafs under the highway at the same level. The results show that during the excavation of two goafs at the same level, the surrounding rock of the goaf has obvious tension stress concentration and compressive stress concentration. The stress of surrounding rock will not affect the safety construction of the highway. After the excavation, the displacement zones above the roof and below the bottom plate of 1# and 2# goaf are connected, and the influence area of the overall displacement of the goaf increases greatly, but it has little influence on the surface deformation of the highway. The plastic zone of 1# and 2# goaf runs through the ore pillar, and the ore pillar is likely to collapse, which will greatly endanger the safety and stability of the whole goaf and the highway.

goafs; numerical simulation; stress evolution

TD853

A

1672 ? 7029(2020)12 ?3143 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200132

2020?02?21

湖南省高新技術產業科技創新引領計劃項目(2020GK2067)；湖南省自然科學基金資助項目(2020JJ5707)；長沙市自然科學基金資助項目(46290)

王李昌(1989?)，男，甘肅定西人，講師，博士，從事地質工程方面的研究；E?mail：wlccsu@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)