拉底過斷層區(qū)噴錨支護(hù)巷道穩(wěn)定性研究*

馮興隆，苗元豐 ，李爭榮，王貽明 ，劉明武，王志會

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室， 北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

拉底巷道是地下采礦在礦房回采以前，于采場底部開掘的巷道。在礦山巷道布置中，部分拉底巷道不可避免地要布置在斷層破碎帶附近。斷層破碎帶的工程物理性質(zhì)、斷層填充物的物化特性都直接影響著斷層的活化、發(fā)展規(guī)律，直接影響拉底巷道的穩(wěn)定性。含斷層泥的破碎帶經(jīng)過掘進(jìn)用水浸透后，斷層泥易吸水膨脹使巖體失穩(wěn)，斷層帶巖體強度降低，易發(fā)生冒落[1]。因此，礦山的巷道施工需要探明拉底巷道過斷層的影響因素規(guī)律，采取合理的錨噴支護(hù)手段來增強巷道的穩(wěn)定性，以防止事故的發(fā)生，保證施工的安全性，達(dá)到安全采礦的目的。

FLAC3D是專門進(jìn)行巖土工程數(shù)值分析的有限差分軟件，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬，其具有良好的處理功能，在研究礦山巷道穩(wěn)定性研究中有著廣泛的應(yīng)用[2]。

針對拉底過斷層的巷道穩(wěn)定，國內(nèi)外專家學(xué)者做了大量研究。J.A.Hudson[3]研究表明斷層的存在會較大程度地擾動地應(yīng)力的局部分布，這種局部應(yīng)力的擾動是難以測量、表征和外推的，可以在分析時把斷層破碎帶看做散體介質(zhì)可以更好更科學(xué)地表征斷層帶的受力行為。賈曉亮等[4]通過 FLAC3D模擬斷層端部地應(yīng)力場分布情況，得出斷層傾角、斷層性質(zhì)、斷層內(nèi)摩擦角、煤層彈性模量、煤層泊松比和邊界應(yīng)力比是影響斷層端部應(yīng)力大小的主要因素。Katona[5]通過研究發(fā)現(xiàn)圍巖體并不是剛體的，而是彈性、塑性與粘性的共同體，所以塊體理論對于圍巖巖塊的相互作用難以分析。穆磊等[6]通過 FLAC3D，從圍巖應(yīng)力、巷道斷面收縮率以及塑性區(qū)分布進(jìn)行分析對比，研究巷道支護(hù)的設(shè)計條件。肖猛等[7]通過 FLAC3D對系統(tǒng)非平衡力的計算和關(guān)鍵部位位移的跟蹤表明,圍巖可以通過自身應(yīng)力、應(yīng)變和能量的調(diào)整使整個系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀況。彭常成等[8]采用FLAC3D軟件模擬了巷道分步開挖時巷道圍巖的力學(xué)特性及變化狀態(tài),分析了巷道錨注支護(hù)前后的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性屈服情況及巷道支護(hù)的效果。

拉底過斷層的應(yīng)力顯現(xiàn)及變化過程是異常復(fù)雜的，由于條件限制，無法直觀地觀察應(yīng)力變化過程[9]。本文結(jié)合某銅礦實例，根據(jù)礦山設(shè)計采用的拉低過斷層巷道方案，利用FLAC3D數(shù)值模擬手段對拉底過斷層區(qū)噴錨支護(hù)巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，并對圍巖應(yīng)力、邊幫收斂、頂板沉陷、加厚邊幫支護(hù)結(jié)果、加厚錨桿支護(hù)結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)模擬結(jié)果，為礦山拉底過斷層提供新的思路和方法。

1 工程數(shù)值模型

該礦采用自然崩落法，拉底巷道底部位于3736 m水平。本次拉底巷道支護(hù)穩(wěn)定性分析研究時，拉底巷道圍巖的結(jié)構(gòu)呈“碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)”，巖體質(zhì)量相對較好，采用了濕噴進(jìn)行支護(hù)，構(gòu)造斷層相對較小，巖體質(zhì)量相對較高[10]。

1.1 模型構(gòu)建

1.1.1 錨桿

在 FLAC3D中對錨桿采用樁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，樁單元具有模擬錨桿支護(hù)的特性功能。由于樁結(jié)構(gòu)單元所需參數(shù)較多，錨桿參數(shù)見表1。

1.1.2 噴砼

FLAC3D中噴砼支護(hù)可使用 2D結(jié)構(gòu)單元來模擬，噴射混凝土層除了具有薄膜元件的抗拉力外，還具有一定的抗彎和抗扭效應(yīng)，因此應(yīng)該使用襯砌結(jié)構(gòu)單元來模擬，其中數(shù)值模擬參數(shù)見表2。

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)確定

巖體參數(shù)利用Hoek-Brown準(zhǔn)則折減并進(jìn)行參數(shù)反演后選擇（見表3）。

破碎帶參數(shù)如表4所示。

研究區(qū)域斷層交匯區(qū)地表標(biāo)高不超過3998 m，取4000 m為地表標(biāo)高，模型高度和寬度均取為60 m，超過巷道最大尺寸的6倍，以減小邊界效應(yīng)。取3736平面為數(shù)值模型的XOY平面，于是地表要施加250 m高覆巖的自重，如圖1所示。

表1 使用樁單元模擬錨桿的屬性參數(shù)

表2 噴漿使用襯砌模擬的屬性參數(shù)

表3 折減后巖體參數(shù)

表4 斷層的力學(xué)參數(shù)

1.3 邊界條件及地應(yīng)力反演

斷層破碎帶看做散體介質(zhì)可以更好更科學(xué)地表征斷層帶的受力行為，模型四周邊界滾支固定，底部邊界完全固定，地表作為自由面不做處理，以此作為模型的邊界條件。

通過FLAC3D的梯度功能，推導(dǎo)出原始平衡點，通過對模型施加水平應(yīng)力、重力，運行平衡狀態(tài)，記錄中間主應(yīng)力SXX、最大主應(yīng)力SYY和豎直主應(yīng)力SZZ。數(shù)值模擬所得地應(yīng)力和實測地應(yīng)力結(jié)果對比見表5。

圖1 數(shù)值模型幾何布局

表5 應(yīng)力反演值與實測值對比統(tǒng)計

對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬演算所得地應(yīng)力與實測地應(yīng)力較為接近。

1.4 巷道監(jiān)測設(shè)計

在巷道斷面的頂?shù)装逯醒搿⑾锏纻?cè)幫的上邊界、中點和下邊界設(shè)置監(jiān)測點，分別監(jiān)測z向和y向的收斂。同樣，監(jiān)測也分為斷層穿過的破碎區(qū)和相對完整區(qū)兩部分。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 圍巖應(yīng)力

頂板和側(cè)壁是拉底巷道的支護(hù)區(qū)域，對于不同斷層寬度下斷層區(qū)和正常圍巖區(qū)的頂板、側(cè)壁圍巖最大應(yīng)力進(jìn)行提取，見表6。

表6中的最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在邊幫，而邊幫的最大剪應(yīng)力和最小主應(yīng)力是最小的。最大剪應(yīng)力、最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在頂板，因而頂板的拉應(yīng)力比較小。原因是地應(yīng)力的水平成分是主應(yīng)力，對于側(cè)幫有較大影響，側(cè)幫最大收斂圖也顯示了相同的規(guī)律，說明在此種情況下，支護(hù)的重點不能僅僅放在頂板上，對于邊幫支護(hù)也要適當(dāng)加厚、適當(dāng)加密錨桿。

表6 不同斷層寬度下頂板和側(cè)壁圍巖應(yīng)力

2.2 邊幫收斂

數(shù)值模擬顯示，邊幫收斂最大值出現(xiàn)在巷道中間長度處，在整個斷層區(qū)與完整區(qū)的不同開挖階段遍歷所有點的收斂值，得到邊幫最大收斂結(jié)果如圖2、圖3所示（圖中supported表示使用提出的方法支護(hù)結(jié)果，no support表示無支護(hù)），得到邊幫收斂位移云圖，如圖4所示。

圖2 邊幫最大收斂（斷層區(qū)）結(jié)果

由圖2所示，斷層區(qū)支護(hù)前后巷道邊幫最大收斂對比可見，支護(hù)后邊幫的收斂減少，但范圍有限。表明在該銅礦水平應(yīng)力是主應(yīng)力方向且遠(yuǎn)大于豎直應(yīng)力的情況下，支護(hù)厚度不足，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加厚。

由圖3所示，完整區(qū)支護(hù)前后巷道邊幫最大收斂對比可見，完整區(qū)邊幫的收斂較之?dāng)鄬訁^(qū)略小，但最大值依然大于2 cm。同斷層區(qū)邊幫收斂規(guī)律類似，支護(hù)后邊幫的收斂減少，但減少范圍有限。

由圖4可看出，整體的邊幫收斂抑制效果很明顯，兩幫的各自最大收斂值減少明顯，收斂值位于較高區(qū)間的范圍也得到了很大控制。同時，最大收斂值減少有限，也說明對于水平應(yīng)力時主應(yīng)力的拉底巷道中間長度段的邊幫支護(hù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加厚。

圖3 邊幫最大收斂（完整區(qū)）結(jié)果

圖4 有無支護(hù)時邊幫收斂對比

2.3 頂板沉陷

類似邊幫收斂監(jiān)測的方法，對比不同寬度下、不同開挖階段的斷層區(qū)和完整區(qū)頂板沉陷的最大值，得到頂板最大沉陷示意圖，如圖5、圖6所示，得到頂板沉陷云圖，如圖7所示。

圖5 頂板最大沉陷（斷層區(qū)）

圖6 頂板最大沉陷（完整區(qū)）

圖7 有無支護(hù)時頂板沉陷對比

由圖5可知，支護(hù)后，頂板最大沉陷得到了有效控制。而且，支護(hù)前不同寬度斷層下頂板沉陷差距較大；支護(hù)后不同寬度下頂板最大沉陷值比較接近，即選用不同的安全系數(shù)支護(hù)后能夠比較好地將最終沉陷值控制在選定的不同沉陷區(qū)間內(nèi)。

由圖6可知，由于完整區(qū)圍巖本身的沉陷就比較小，支護(hù)后控制沉陷的空間有限。

由圖7可知，從整體沉陷來看，支護(hù)后沉陷值不僅更小，且分布更為均勻，說明支護(hù)對于頂板沉陷而言是十分有效的。

2.4 加厚邊幫支護(hù)結(jié)果

將邊幫噴砼厚度加厚 25 mm后，所得最大邊幫收斂見表7。

表7 邊幫加厚支護(hù)后最大收斂值對比

從表7可以看出，邊幫支護(hù)加厚25 m后，巷道邊幫最大收斂值改善并不明顯，甚至部分情況下并未減少，這種現(xiàn)象與該銅礦水平應(yīng)力是最大主應(yīng)力有關(guān)，且不能反映全局的收斂分布。整體分布較均勻，收斂值較大的范圍比較少是支護(hù)效果的關(guān)鍵。

2.5 加密錨桿支護(hù)結(jié)果

使用加密錨桿，并對加密錨桿支護(hù)前后巷道周邊應(yīng)力和變形極值進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如下。

2.5.1 圍巖應(yīng)力

最大拉應(yīng)力相比減少，且拉應(yīng)力得到了明顯降低。最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在邊幫，而邊幫的最大剪應(yīng)力和最小主應(yīng)力最小。最大剪應(yīng)力、最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在頂板。原因是該礦區(qū)地應(yīng)力的水平成分是最大主應(yīng)力，對于邊幫有較大影響，圖8所示的側(cè)幫最大收斂圖也顯示了相同的規(guī)律。說明頂板破碎帶和邊幫支護(hù)都要適當(dāng)加厚、加密錨桿。

2.5.2 邊幫收斂

在整個斷層區(qū)與完整區(qū)的不同開挖階段監(jiān)測收斂值，得到邊幫最大收斂結(jié)果。由圖8所示，支護(hù)后邊幫的收斂減少，但減少范圍有限，這和應(yīng)力分析中邊幫的拉應(yīng)力最大是對應(yīng)的；表明在該銅礦水平應(yīng)力是主應(yīng)力方向且遠(yuǎn)大于豎直應(yīng)力的情況下，邊幫變形較大。完整區(qū)支護(hù)前后巷道邊幫最大收斂對比可見，完整區(qū)邊幫的收斂較之?dāng)鄬訁^(qū)略小，但最大值依然大于2 cm；同斷層區(qū)邊幫收斂規(guī)律類似。

2.5.3 頂板沉陷

監(jiān)測不同寬度下、不同開挖階段的斷層區(qū)和完整區(qū)頂板沉陷的最大值，總結(jié)繪圖如圖8～圖10所示。

圖10所示，支護(hù)后頂板最大沉陷得到了有效控制。斷層區(qū)在支護(hù)后，不同寬度下頂板最大沉陷值較接近，即選用不同的安全系數(shù)支護(hù)后能夠?qū)⒆罱K沉陷值控制在選定的不同沉陷區(qū)間內(nèi)。完整區(qū)圍巖本身的沉陷較小，支護(hù)后控制沉陷的空間有限。從整體沉陷來看，完整區(qū)支護(hù)后沉陷值更小且分布更均勻。說明支護(hù)對于頂板沉陷控制十分有效。

圖8 最大邊幫收斂

圖9 有無支護(hù)時邊幫收斂分布

雖然支護(hù)對于最大邊幫收斂值減小效果有限，但最大值只是一點的反映。由圖9可以看出，此時整體的邊幫收斂抑制效果很明顯，兩幫的各自最大收斂值減少明顯，收斂值位于較高區(qū)間的范圍也得到了很大控制。同時，最大收斂值減少有限，也說明對于水平應(yīng)力是主應(yīng)力的拉底巷道中間長度段的邊幫支護(hù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加厚。

3 結(jié)論

（1）結(jié)合礦山巷道實際，利用 FLAC3D軟件對拉底過斷層區(qū)噴錨支護(hù)巷道穩(wěn)定性展開研究。對于既定的邊幫收斂，采用支護(hù)后，邊幫的收斂減少但有一定限度，完整區(qū)邊幫的收斂較之?dāng)鄬訁^(qū)略小。對于頂板的沉陷，對比不同寬度下、不同開挖階段的斷層區(qū)和完整區(qū)頂板沉陷的最大值，可以得出結(jié)論：在支護(hù)前，不同寬度斷層下頂板沉陷差距較大，支護(hù)后，不同寬度下頂板最大沉陷值較接近。此外，在加厚一定的邊幫支護(hù)的基礎(chǔ)上，最大值收斂不明顯。

圖10 最大頂板沉陷示意

（2）利用FLAC3D加密了一定的錨桿支護(hù)后，測得發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力出現(xiàn)在邊幫，頂板沉陷相對于之前變小，邊幫收斂比起加密支護(hù)前變小。證明了加密錨桿支護(hù)是有效增強巷道穩(wěn)定性的手段，與實際礦山生產(chǎn)中相呼應(yīng)。

（3）FLAC3D模擬結(jié)果與礦山巷道理論設(shè)計基本符合，對于拉底過斷層巷道的穩(wěn)定性可以起到很好的指導(dǎo)作用，將FLAC3D應(yīng)用于研究巷道穩(wěn)定性是完全可行的，對于礦山的安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。