基于巖體質(zhì)量等級的巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)分析

王 璽 劉煥新 劉 震 郭奇峰 張 杰 馬 馳

(1.山東黃金集團深井開采實驗室,山東 萊州 261442;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

巷道圍巖穩(wěn)定性評價是地下礦山開采設(shè)計、地壓管理、選擇支護方式的重要依據(jù)[1-2]。尤其在深部開采的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下[3],圍巖穩(wěn)定性的不確定可能會導(dǎo)致巷道變形、層裂、垮塌等事故,嚴重時造成人員傷亡、生產(chǎn)停滯等[4-5]。巖體結(jié)構(gòu)與巖體力學(xué)特性研究是開展圍巖開采擾動分析與穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)性工作[6-10]。巷道圍巖和支護結(jié)構(gòu)是強烈的開挖擾動后的圍巖應(yīng)力承載體。深部巷道圍巖應(yīng)力承載體以巷道圍巖本身的承載結(jié)構(gòu)為主。若能了解圍巖承載結(jié)構(gòu)分布特征,則能為巷道穩(wěn)定性分析以及支護設(shè)計工作提供重要的理論依據(jù)。

為揭示圍巖承載結(jié)構(gòu)及其作用機理,國內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量的研究工作。康紅普[11]于1997年首次提出“關(guān)鍵承載圈”這一概念,其分布特征與圍巖的穩(wěn)定性密切相關(guān),該理論為巷道支護提供了重要的理論依據(jù);此后,眾多學(xué)者提出并完善了關(guān)于圍巖承載區(qū)的概念,同時進行了較為深入的分析[12-13]。李樹清等[14]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,結(jié)合巖石峰后應(yīng)變軟化本構(gòu)模型,對比分析了淺部和深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)特點,并重點研究了支護阻力對深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的影響;王玉和等[15]采用相似材料模擬實驗,對比分析了不同支護方案下含軟弱夾層巷道的圍巖承載結(jié)構(gòu)特性,重點探討了開挖過程中巷道的頂部、肩部和幫部的應(yīng)力變化特征及變形特征。上述研究從多個角度分析了圍巖承載結(jié)構(gòu)及其承載機理,對巷道圍巖穩(wěn)定性分析具有重要的科學(xué)價值。圍巖承載結(jié)構(gòu)的分布及其承載能力與巖體本身強度有著直接關(guān)系。作為巖體強度的評價標準,工程巖體分級在圍巖的穩(wěn)定性評估方面發(fā)揮了重要的作用[16-17]。不同工程巖體質(zhì)量等級下的圍巖承載結(jié)構(gòu)具有極大的差異性,但目前相關(guān)的研究較少。

為探究不同工程巖體質(zhì)量等級條件下圍巖承載結(jié)構(gòu)的分布特點,本研究以某鉛鋅礦568m水平中段為對象,采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對不同巖體質(zhì)量等級下巷道圍巖的承載結(jié)構(gòu)進行分析,為保證該礦山巷道圍巖穩(wěn)定性及其相應(yīng)的支護方案設(shè)計提供一定的理論指導(dǎo)。

1 工程概況

某鉛鋅礦礦體大部分賦存于600～1 000 m標高之間,目前已經(jīng)進入了深部開采。該礦區(qū)巖體分別在北東東向、北北東向、北西向3個方向存在斷裂構(gòu)造,在北西向存在一張扭性斷層。礦區(qū)礦體的上盤部分存在北西向容礦構(gòu)造衍生的多組裂隙。這些斷裂、斷層及裂隙構(gòu)造影響著采場內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性。調(diào)查礦山各水平巷道發(fā)現(xiàn),進入深部開采以來,礦山巷道的頂板巖石經(jīng)常會發(fā)生冒落、部分區(qū)域內(nèi)巷道底角被壓碎、巷道兩幫巖體沿節(jié)理面破壞。此外,經(jīng)過礦山巖體的質(zhì)量分級評價得到,進入深部開采后圍巖巖石質(zhì)量等級在Ⅱ～Ⅳ級之間,不同區(qū)域內(nèi)巖石質(zhì)量等級變化較大。因此礦山目前亟需在綜合考慮巖體質(zhì)量等級基礎(chǔ)上,了解圍巖巷道穩(wěn)定性,為支護方式的選擇與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)理論分析

2.1 巷道圍巖支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域計算模型

2.2 巷道圍巖支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分

以該礦568m水平中段巷道圍巖為研究對象,現(xiàn)場鉆取圍巖樣品并進行巖石力學(xué)實驗,獲得巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of roadway surrounding rock

假設(shè)巷道半徑R0為1.45 m,通過地應(yīng)力測量實驗,測得巖體原巖應(yīng)力p0為19.4 MPa,計算所得K1為1.2、K2為1.4,彈性區(qū)和塑性軟化區(qū)交界面上的徑向應(yīng)力σep為10 MPa。根據(jù)式(1)～式(3)計算出不同巖體質(zhì)量等級下圍巖各支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域,如表2所示。

表2 巷道圍巖支撐結(jié)構(gòu)層厚度Table 2 Thickness of supporting structure layer of roadway surrounding rock

由表2可知,各支撐層厚度隨著巖體質(zhì)量等級提高而增加,巖體質(zhì)量等級每提高一級,淺支撐層、深支撐層和關(guān)鍵支撐層厚度平均增加0.43、0.65、0.21 m。該礦山568 m水平中段巷道巖體質(zhì)量等級在Ⅱ-Ⅳ之間,其淺、深和關(guān)鍵支撐層厚度分別在0.42～0.85、2.31～3.08、0.46～1.02 m之間。 從整體支撐結(jié)構(gòu)上來看,圍巖本身強度越低,圍巖承載結(jié)構(gòu)區(qū)域范圍越大,支撐結(jié)構(gòu)向圍巖深部延伸。

3 巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

為了進一步深入研究巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)分布和巖體質(zhì)量等級的關(guān)系,根據(jù)巷道工程尺寸和圍巖巖石力學(xué)參數(shù),采用FLAC3D模擬軟件,分析不同巖體質(zhì)量等級下各承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及塑性破壞區(qū)域分布特征。

3.1 數(shù)值模擬模型

以568 m巷道圍巖為研究對象,建立FLAC3D數(shù)值模型,該模型共劃分為55 840個單元、61 680個節(jié)點,幾何模型及其尺寸如圖1所示。

圖1 巷道模型圖Fig.1 Schematic diagram of roadway model

根據(jù)地應(yīng)力實測結(jié)果,分別在X、Y、Z方向施加最大水平主應(yīng)力30.69 MPa、最小水平主應(yīng)力14.69 MPa以及垂直主應(yīng)力15 MPa。本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型,工程巖體力學(xué)參數(shù)賦值與568 m水平中段巷道圍巖巖體力學(xué)參數(shù)一致。

3.2 承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

根據(jù)FLAC3D計算模型,獲得不同等級下圍巖最大和最小主應(yīng)力的分布情況,分別如圖2、圖3所示。

圖2 最大主應(yīng)力分布特征Fig.2 Distribution characteristics of maximum principal stress

圖3 最小主應(yīng)力分布特征Fig.3 Distribution characteristics of minimum principal stress

由圖2、圖3可知,受巷道開挖擾動影響,巷道周邊圍巖切向應(yīng)力處于局部集中狀態(tài),在圍巖深處有應(yīng)力集中區(qū)域;徑向應(yīng)力出現(xiàn)明顯的卸荷效應(yīng),距離巷道邊界越遠,徑向應(yīng)力越趨近于原巖應(yīng)力值。整體上,各支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)最大、最小主應(yīng)力分布具有較為明顯的規(guī)律性。淺支撐層范圍的最大主應(yīng)力一般在-15 MPa以內(nèi)、最小主應(yīng)力一般在-0.2MPa以內(nèi),該范圍內(nèi)主要為巷道周邊破裂圍巖;深部支撐層內(nèi)最大主應(yīng)力較高,在-25～-35 MPa之間,最小主應(yīng)力在-0.6～-1.2 MPa之間。隨著圍巖等級的增加,淺、深支撐層范圍內(nèi)最大、最小主應(yīng)力值呈增加趨勢。深支撐層區(qū)域主要在軟化區(qū)和部分彈性區(qū)內(nèi)。在巖體質(zhì)量等級為Ⅰ、Ⅱ級時,關(guān)鍵支撐層區(qū)域內(nèi)最大主應(yīng)力在-25 MPa以內(nèi)、最小主應(yīng)力一般在-0.4 MPa以內(nèi),隨著圍巖質(zhì)量等級的增加,關(guān)鍵支撐層外邊界上最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力明顯增加,巖體質(zhì)量等級為Ⅴ級時,其最大主應(yīng)力極值為-30 MPa左右、最小主應(yīng)力極值為-1.2 MPa左右。根據(jù)不同等級圍巖的最大主應(yīng)力分布情況可知,較為破碎的圍巖(即Ⅴ級圍巖)的承載結(jié)構(gòu)分區(qū)現(xiàn)象更為顯著。由最小主應(yīng)力分布云圖可知,隨著圍巖等級的降低,關(guān)鍵支撐層出現(xiàn)在淺部圍巖,且應(yīng)力降低范圍會減小。

3.3 巷道變形破壞特征

不同巖體質(zhì)量等級下巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布情況如圖4。

圖4 塑性破壞區(qū)分布特征Fig.4 Distribution characteristics of plastic failure zone

巖體質(zhì)量等級越高,塑性破壞區(qū)范圍越大,巷道圍巖的表面位移量越大,兩底角和拱角深部的圍巖容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。由圖4可知,塑性破壞一般發(fā)生于巷道邊界到關(guān)鍵支撐層外邊界之間范圍內(nèi)的圍巖中,且隨著巖體質(zhì)量等級提高,塑性破壞范圍有向圍巖深部發(fā)展的跡象。巖體質(zhì)量等級越高,淺部支撐層內(nèi)巷道底板及拱角越容易出現(xiàn)拉伸破壞。這是該巷道部分區(qū)域出現(xiàn)巷道底角破碎、兩幫巖體沿節(jié)理面破壞的原因。深支撐層范圍內(nèi),靠近關(guān)鍵支撐層區(qū)域容易發(fā)生塑性破壞,其余大部分范圍沒有發(fā)生破壞。整體上,隨著巖體質(zhì)量等級Ⅰ級圍巖提高到Ⅴ級,關(guān)鍵支撐層距離巷道邊界的距離增加,塑性區(qū)擴展深度依次為 0.68、1.09、1.67、2.08、2.72 m,塑性破壞區(qū)范圍呈逐漸擴大趨勢。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)軟弱破碎巷道圍巖條件下支撐層厚度理論計算公式,結(jié)合568m水平中段巷道圍巖力學(xué)性質(zhì),獲得了礦山深部巷道不同巖體質(zhì)量等級下圍巖各支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域半徑,該結(jié)果可作為指導(dǎo)礦山巷道支護、維護的理論依據(jù)。

(2)在當前地質(zhì)環(huán)境及圍巖力學(xué)性質(zhì)條件下,巖體質(zhì)量等級每提高一級,淺支撐層、深支撐層和關(guān)鍵支撐層厚度平均增加0.43、0.65、0.21 m。圍巖本身強度越低,圍巖承載結(jié)構(gòu)區(qū)域范圍越大,支撐結(jié)構(gòu)越向圍巖深部發(fā)展。

(3)不同承載結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布具有明顯的差異性。隨著巖體質(zhì)量等級的增加,各支撐層內(nèi)的最大、最小主應(yīng)力呈增加趨勢。塑性破壞一般發(fā)生于巷道邊界到關(guān)鍵支撐層外邊界之間范圍內(nèi)。部分巷道出現(xiàn)的底角、兩幫巖體破壞是因為淺部支撐層內(nèi)巷道底板及拱角出現(xiàn)拉伸作用造成的。隨著圍巖的質(zhì)量等級的降低,關(guān)鍵支撐層距離巷道越近,塑性破壞區(qū)范圍越小。