深部空間超挖狀態下聯絡道穩定性數值分析

張建發,詹子強,吳彥良,嚴世杰,文皓亮,郭赟林

(金川集團股份有限公司二礦區,甘肅 金昌市 737100)

0 引言

地殼中蘊含著豐富的礦產資源,長時間大規模的資源開采活動使得我國礦山淺部資源日漸枯竭,礦產資源進入深部開采將成為常態。根據我國《采礦手冊》第四卷的描述,開采深度超過600 m 為深部開采,開拓工程是礦山深部礦產資源開發工程中極為重要的一環,現階段金川集團股份有限公司二礦區井下開拓工程逐漸向深部轉移,聯絡巷道作為回采過程中連接回采工作面的重要通道,其穩定性直接影響著整個采場的生產全過程。

受礦巖賦存條件、開挖技術、鑿巖設備等一些客觀因素的影響,井下聯絡道實際開挖獲得的斷面并非完全遵循設計好的開挖輪廓基準線,基準線以外的部分稱為超挖,基準線以內的部分稱為欠挖,超欠挖是井下巷道硐室開挖的一種常態。井下巷道硐室的開挖會改變原巖應力狀態,擾動之后的周邊巖體在進行二次應力平衡的過程中往往會表現出局部應力集中,局部應力集中現象可能導致圍巖破壞,從而對巷道硐室的整體穩定性造成影響。

目前,金川集團股份有限公司二礦區的地下礦產資源開發主要集中在850 m 中段和1000 m 中段,二礦區開采深度超過600 m,已經處于深部空間礦產資源的開采階段。高地應力是礦山深部開采的典型特征之一,深部空間高地應力作用下巷道硐室的開拓無法避免。因此,本文對深部空間超挖狀態下聯絡道的穩定性進行分析研究。

1 數值分析法在巖土體穩定性中的應用

數值分析法是以數字計算機求解數學計算問題的數值計算方法及其理論為研究對象,基于連續介質假設理論,巖體介質數值分析方法分為連續介質分析方法和非連續介質分析方法。針對巖土體穩定性問題的數值分析法主要有以ABAQUS、ANSYS為代表的有限單元法(FEM),以UDEC、3DEC、PFC2D/3D 為代表的離散單元法(DEM),及以FLAC2D/3D 為代表的有限差分法(FDM)。

徐金明等[1]將材料離散成剛性顆粒組成的模型,建立了石灰巖的細觀結構模型。王洋[2]采用LS-DYAN 與離散元軟件相結合的方法研究了閉合性宏觀裂隙巖體的爆破機理。蔡波[3]利用FEMDEM 數值模擬方法模擬了虛擬裂縫模型從連續介質向非連續介質轉化的過程。王來貴等[4]利用有限差分法研究了山體斜坡在地震荷載下位移場、速度場的變化規律。周小平等[5]基于改進的光滑粒子流體動力學法(SPH),并利用Weibull統計方法描述巖石材料的非均勻性,模擬了各向異性彈脆性巖石的破壞。

目前在連續介質框架內考慮巖石介質非連續性的主流方法是,利用某種分布統計函數在細觀尺度下描述材料的物理力學特性,FLAC3D 基于顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術,能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。本文嘗試以有限差分法(Finite Difference Method,FDM)為計算框架,采用FLAC3D 中的摩爾庫倫本構模型描述巖體單元的力學特性,對巖體單元應力-位移力學特性進行數值模擬研究。

2 采場結構及巖體力學參數

二礦區采場結構參數:中段高度為100～150 m,一個中段劃分為若干個分段,850 m 中段958 m分段以下分段高度為24 m,中段與分段采用斜坡道連接,分段至各分層采用分層聯絡道連接。

為發揮無軌采掘設備的效率和提高礦塊生產能力,將每個分段的礦體沿礦體走向,按回采工藝要求劃分成獨立的回采區段。盤區長度沿礦體走向80～120 m 劃分,寬度為礦體水平厚度。分層聯絡道斷面類型為直墻半圓拱,凈斷面尺寸為4.6 m×4.3 m(寬×高)。

根據《白家嘴子礦區鎳銅礦資源儲量核實報告》中提到的礦床地質概況,所選研究對象頂部礦體圍巖主要由二輝橄欖巖(約占50%)和斜長二灰橄欖巖構成,底板圍巖巖石種類復雜,從內至外依次為二輝橄欖巖、輝石巖、斜長角閃巖、透閃綠泥石片巖、中薄層大理巖(約占35%),巖石破碎,穩固性差,特別是靠近礦體的透閃石綠泥石片巖,其穩定性較差,對回采造成安全威脅。礦體回采的主運輸巷道布置在多種巖漿巖頻繁穿插的中薄層大理巖中,其穩固性差,變形嚴重,在生產過程中經常返修。為簡化數值模型,本文將所選研究對象的頂板和底板分別近似視為橄欖巖和大理巖,并參考文獻[6]中描述的龍首礦區巖石力學參數,得到本文數值模型的巖體力學參數,見表1。

表1 巖體力學參數

3 數值模擬分析

FLAC3D 采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術,能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和塑性流動,廣泛應用于巖土力學、地鐵隧道、水力工程、堤壩地震分析等領域的數值模擬分析。

3.1 計算模型

根據對采場結構參數和礦床地質概況的分析,將本文的數值模型(見圖1)進行簡化處理,模型由頂板橄欖巖、礦體、底板大理巖3部分構成,為了能夠清晰地觀察到模型塑性變形情況,將模型內部網格劃分得較細。同時,在考慮到內部細網格的前提下,模型計算域不能太大,因此確定模型整體尺寸為:30 m×50 m×30 m,即礦體沿走向取50 m,傾向取30 m,垂直方向取30 m,三維有限元模型及網格如圖1所示。

圖1 三維有限元網格模型

圖2為無軌運輸巷道斷面網格模型,適用于井下分段聯絡道、分段道、分層聯絡道、溜井聯絡道等。斷面類型為直墻半圓拱,墻高2 m,上半部分內、外半圓半徑分別為2.3 m 和2.5 m,兩輪廓線底部寬度分別為4.6 m 和5 m。

圖2 聯絡道有限元網格模型

3.2 初始地應力

地下硐室開挖之前,已經形成了原始應力場,稱為初始應力場。硐室開挖后,巖體的初始應力場受到擾動,應力會重新分布達到新的平衡狀態,該狀態下的應力場稱之為二次應力場。初始地應力的輸入直接影響到計算的精度,所以正確確定巖體的初始應力狀態是有限元分析法中的一個重要問題,一般在沒有現場測試數據的情況下,按照自重應力或靜水壓力輸入。本文所選擇的850 m 中段958 m 分段Ⅱ盤區二分層聯絡道底板標高950 m,與18行副井入井口標高1801 m 垂直距離相差851 m,模型的側壓系數一般取1.2。按照自重應力計算公式可得到模型所受到的近似初始應力如下。

垂直應力:

側向應力:

3.3 數值分析

在井下現場施工過程中,一般將巷道劃分為拱頂、拱角、側墻、拱底(見圖3),本文擬模擬上述4個部位超挖狀態下的變形破壞特征,具體的計算內容如下:

圖3 巷道斷面示意

(1)計算掘進作業單循環進深50 m 無超挖條件下工況;

(2)計算不同超挖部位(拱頂、拱角、側墻、拱底)條件下的工況;

(3)計算同一超挖部位達到兩處條件下的工況。

4 模擬結果分析

4.1 進深50 m 無超挖條件下工況分析

圖4為掘進50 m 無超挖條件下模型塑性區、應力及位移云圖,從圖4(a)可以看出,聯絡道在開挖50 m 之后巷道斷面附近巖體發生了塑性變形,變形區域主要集中在拱頂和兩底角,主要是由巖體開挖后斷面拐角處的應力集中現象引起。從圖4(b)Z軸應力云圖可以看出,模型開挖之后大部分區域受到壓應力作用,但是在拱頂和拱底均表現出拉應力,最大拉應力達到0.437 MPa;巷道兩側墻附近區域出現對稱式壓應力集中現象,最大值達到43.22 MPa。圖4(c)為X軸應力云圖,可以明顯看出在巷道斷面四周均受到拉應力作用,斷面四周從拉應力到壓應力的過渡區域較小。圖4(d)為模型整體位移云圖,圖中箭頭所指方向為該區域塊體的運動趨勢,數值模擬結構顯示拱頂有“冒頂”的趨勢,兩幫有“片幫”的趨勢,巷道開挖50 m 后模型最大位移量為18.44 mm。

圖4 進深50m 無超挖條件下模型塑性區、應力及位移云圖

4.2 不同超挖部位條件下的工況分析

圖5(a)至圖5(d)分別為拱底、側墻、拱角和拱頂超挖0.2 m 的塑性區分布圖,由圖5可以看出,模型在開挖之后主要受到剪切破壞,通過分析shear-n所代表的區域發現,拱頂和拱底的塑性區破壞面積及區域位置相似,側墻和拱角的塑性區域破壞面積及區域位置相似。從整體上看,數值模擬結果表明不同超挖部位的塑性區均集中在模型拐角處,且單一部位超挖所引起的塑性區變化相差不大。另外,通過對不同超挖部位的Z軸應力和X軸應力進行對比分析發現,數值模擬結果顯示模型整體所受到的應力無顯著差異,Z軸壓應力最大值在43 MPa 左右,X軸拉應力變化范圍為0.8～1.3 MPa。

圖5 不同超挖部位的塑性區分布

4.3 同一超挖部位達到兩處條件下的工況分析

FLAC3D 中可以通過命令設置監測點,用模型單元監測點的位移來間接體現巷道兩幫的位移情況,圖6(a)和圖6(b)分別為聯絡道左幫超挖和兩幫均超挖狀態下的兩幫位移監測曲線。圖6(a)為僅左幫超挖狀態下的兩幫位移,從圖6(a)中可以看出,此種工況條件下模型達到新平衡狀態,可劃分為4個階段。第Ⅰ至第Ⅲ階段是遵循設計好的開挖輪廓線基準線進行開挖,為非超挖狀態下的第一次平衡。階段Ⅰ為線性階段,此時模型突然受到開挖破壞,應力變化最為明顯,整個模型的塑性破壞最為顯著。階段Ⅱ為蠕變階段,模型的塑性破壞達到峰值并逐漸趨于穩定。階段Ⅲ為平衡階段,此時模型已經達到第一次開挖后的平衡狀態,應力場重新分布。階段Ⅳ是第一次平衡狀態下左幫超挖,此時左幫監測點的位移有明顯的上升趨勢,最大值達到0.0118 m。圖6(b)中第Ⅳ和第Ⅴ階段是左幫和右幫同時超挖狀態下的位移曲線,可以明顯看到右幫位移曲線在開挖約18 800步后也到達最大位移值,每一個新的開挖階段都有類似的線性變形、蠕變、再平衡的過程。

圖6 聯絡道兩幫位移監測曲線

圖7(a)和圖7(b)分別為左拱角和兩拱角均超挖狀態下的位移云圖,通過對比圖7(a)和圖7(b)發現,頂板具有下沉的趨勢,且在拱頂部分最為明顯。通過對位移云圖的簡單分析發現,當左右兩拱角均超挖時,模型整體的最大位移有所增大,最大位移值達到0.0187 m。當模型出現超挖時,在超挖區域附近的位移箭頭相較于周圍更加“稀疏”,表明此處位移量較周邊圍巖大。

5 結論

(1)深部空間聯絡道所受地應力較大,原始應力場一旦受到擾動,必定伴隨著塑性破壞,即聯絡道即使在未超挖狀態下仍有可能發生“冒頂”“片幫”現象。

(2)通過對聯絡道不同超挖部位的數值模擬分析發現,超挖會加劇模型第一次平衡狀態下的剪切破壞,且在超挖區域和模型有拐角的地方剪切破壞現象更加明顯。在超挖區域附近,模型局部應力集中,部分區域受到反向拉應力作用。

(3)通過對聯絡道同一超挖部位達到兩處的數值模擬分析發現,由于原始內部巖體所受到的三維應力在開挖自由面處變成二維受力,所以開挖自由面的巖體更容易發生“垮落”,且聯絡道的變形是一個長時間發展的過程,總體上會經歷線性變形、蠕變、再平衡的階段。