蒙庫鐵礦井下開采巖爆段巷道圍巖穩定性數值分析*

宋多權陳立達李學文簡相洋陳 凱王揮云劉海卿

（1.中鐵十九局集團礦業投資有限公司；2.遼寧工程技術大學土木工程學院；3.晉能控股煤業集團朔州煤電公司）

富蘊蒙庫鐵礦是新疆八鋼可持續發展的主要鐵礦石原料基地之一，它的安全穩定開采關系到八鋼鋼鐵生產的穩定。該井下開采運用豎井—平硐—斜坡道聯合開拓，由于礦山井下的地應力比較高，在井下斜坡道延伸902～884 m段進行開挖的工程中出現巖爆現象，嚴重影響施工進度，浪費大量人力和成本［1-3］。對巖爆段巷道圍巖進行穩定性數值分析，對可能出現的巖爆等工程地質災害進行準確預測，保證井下斜坡道延伸段施工的安全性和礦井生產期間的長久穩定性。

1 工程概況

本工程為蒙庫鐵礦井下開采生產接續工程項目，在斜坡道延伸至下一工作面的掘進中，出現輕微巖爆、表層巖體剝離脫落現象。目前開挖和支護同時進行，已經掘進75 m左右，掌子面附近巖爆更為突出，需采取超前防護措施進行控制，預防突發異常事件出現。

該區域圍巖為硬巖，較脆，整體為中—薄層狀結構，巖層傾角近乎直立，層間結合較差，巖層走向與巷道前進方向一致。巖爆段中比較明顯的位置在井下斜坡道延伸902～884 m段X17～X18+34 m處，巖爆維持時間較短，伴隨輕微響聲（吱、吱聲），拱頂表層有離散巖體脫落母巖掉落，無彈射，臺車清撬時可清撬大量散巖，肉眼辨識度差，圍巖結構整體性較差。在X18+34 m～X20處，巖爆特征較為突出，掘進爆破后出渣過程輕微顯現，第二天表現突出，主要表現在頂板有連續間斷聲響，過后伴隨微小巖體輕微彈落及不間斷的小片巖體剝落脫離母巖。掉落巖體多為片狀，厚度為10～20 cm，面積為0.1～1.0 m2。

2 有限元模型的建立

依據現場巖爆段施工巷道的斷面形狀建立二維數值模型，通過數值模型分析巷道圍巖開挖過程中的應力場和應變場的變化規律，最后依據災害段的現場工程地質勘探對巷道穩定性做出評價，并對巷道開挖施工中發生巖爆做出相應的補救措施。

2.1 巷道圍巖彈—脆—塑性本構模型

在圍巖的巖爆破壞過程中，圍巖的脆性破壞和塑性破壞都屬于巖石材料應變軟化行為的一種特殊表現形式。巷道圍巖屈服準則與塑性勢能方程不僅由應力張量σij表達，其中還包括軟化參數η，其表達式為［4-5］

式中，σθ為最大主應力，Pa；σr為最小主應力，Pa。

Mohr-Coulomb屈服準則可表示為

式中，σc為巖石單軸抗壓強度，Pa。

若假設Mohr-Coulomb常數中的C、?隨η值線性衰減，則可得到Mohr-Coulomb應變軟化關系式為

式中，ωp為峰值參數；ωr為殘余參數；η*為巖石由應變軟化轉變到殘余階段的臨界軟化參數值；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的黏聚力C及摩擦角?。即當η=0時，巖體處于彈性變形階段，0＜η＜η*時為應變軟化階段，η＞η*為殘余階段，其中，巖石的軟化過程則由巖石峰后應力—應變曲線的斜率決定，即巖石的軟化模量M。

塑性參數η*可由內在變量的形式表示，即將塑性參數η*定義為塑性剪切應變，通過最大主塑性應變和最小主塑性應變的差值獲得，即

式中，γp為塑性剪切應變分別為最大、最小塑性應變。

本次數值計算中，圍巖力學參數如表1所示。

?

2.2 建立模型

根據工程巖爆段巷道圍巖開挖的斷面形狀建立數值模型，通過有限元模型分析巷道圍巖開挖過程中的應力場和應變場的變化規律，最后依據災害段的現場工程地質勘探對巷道穩定性做出評價，并對巷道開挖施工中發生巖爆做出相應的補救措施。

采用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬，建立數值模型是對稱結構，取其一半，巖土的彈性模量為200 MPa，泊松比為0.2，巖石的容重為20 kN/m3，巷道上邊界的埋深為16 m，模型尺寸為60 m×60 m，如圖1所示，其中巷道圍巖的斷面尺寸為4.8 m×4.3 m，拱頂半徑為3.32 m。

邊界條件是限定模型兩側的水平位移和模型底部2個方向的位移，在模型兩側限定X方向的位移，在模型底部邊界限定X軸和Y軸方向的位移。這些邊界條件從初始分析步中就已經激活生效，邊界條件的設定如圖1所示。

模型建立之后，輸入相對應圍巖的材料數據，單元形狀選擇四邊形，單元類型選擇CPE4，全局布種，挖去的部分和洞口附近設置合適的網格密度，總劃分953個網格。

3 有限元模型分析

3.1 圍巖應力場分析

通過有限元軟件進行數值計算分析，模型的應力場結果如圖2所示。從圖2（a）所示，當給井下初始高地應力的巖體一個破壞或者擾動，巷道圍巖周圍的應力場開始有變化，在開挖工作面出現局部的應力集中。從圖2（b）所示，在整個巷道圍巖工作面開挖剛剛結束，巷道圍巖的拱頂和側面出現應力集中現象。由圖2（c）所示，隨著巷道圍巖開挖結束一段時間以后，巷道圍巖周圍主應力場也發生明顯的偏轉變化，在巷道圍巖周圍3～4 m以內再次重新產生應力集中。從云圖中可知，新的巷道圍巖周圍主應力值已經發生顯著的變化，且其最大主應力的方向基本上與巷道圍巖的拱頂和側面平行或相切。

綜上所述，在井下整個巷道圍巖工作面開挖過程中，巷道圍巖的拱頂和側面出現應力集中，巖石受到擠壓破碎較嚴重，依據本工程的地質構造，應做好前期開挖支架支護和后期掛網+錨固法支護。

3.2 開挖過程中圍巖應變場分析

在蒙庫鐵礦井下巷道圍巖開挖的過程中，應力場是相互疊加影響的，為了更好地對巷道圍巖開挖過程中圍巖穩定的探討和分析，現在對其開挖過程中動態變化展開相關的應變場分析。如圖3（a）所示，可以得到所有測點（圖1）位移變形值均為負數，說明在開挖的過程中，巷道圍巖上部均處于受壓狀態，地面各個測點應變量從巷道圍巖洞口正上方向兩邊由大到小，在整個模型分析步中，地面各個測點應變場呈現規律性的變動，巷道圍巖正頂地面上的測點應變值最大，數值的變化由小到大再變小。如圖3（b）所示，變形最大時刻巷道圍巖上部的路徑-0和路徑-10應變值為負，說明是巷道圍巖洞口正上方處于受拉狀態，它們的值比較接近，巷道圍巖應力場出現重分布。從圖3（c）所示，變形最大時刻巷道圍巖下部的路徑-30和路徑-40應變值從巷道圍巖洞口正下方測點向兩邊由正到負，是巷道圍巖洞口正下方處于受拉狀態，而兩側處于受壓狀態，它們的值比較接近，說明巷道圍巖應力場出現重分布，巷道下部的路徑-60應變值為零，說明沒有受到影響。

由圖4所示，在巷道圍巖施工過程中，在巷道頂點和右肩分別設置A、B測點（圖1）。從施工過程中，A、B測點應力值均有拐點，頂點A測點應力值在352.9 kPa時遠小于集中應力值，拱上巖石擠壓破碎脫落發生巖爆現象，右肩B測點受到應力大于抵抗應力，巖石也受到擠壓破碎脫落發生巖爆現象。從巷道圍巖開挖工程中，A、B測點應變值一直增大，A、B測點受到應變大于抵抗應變，巖石擠壓破碎脫落發生巖爆現象，A測點應變斜率比B測點應變斜率大，A測點處的巖石先破碎脫落。

4 結語

在井下整個巷道開挖過程中，巷道圍巖出現應力集中現象，應力值大于抵抗應力，巖石受到擠壓破碎比較嚴重，依據本工程特殊的地質構造因素，應做好前期開挖支架支護和后期掛網+錨固法支護。