焦家金礦巷道掘進過程中圍巖變形及應力分布演化規律

張旭飛 郭運鴻 王興亞 郭奇峰

收稿日期：2023-12-28； 修回日期：2024-01-30

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFC3001301）

作者簡介：張旭飛（1992—），男，工程師，從事采礦技術研究工作；E-mail：1253031969@qq.com

*通信作者：郭運鴻（2002—），男，碩士研究生，研究方向為巖石力學；E-mail：793936117@qq.com

摘要：為解決深部高應力下巷道變形嚴重及支護困難的問題，以焦家金礦-710 m水平巷道為研究對象，建立Flac3D數值分析模型，模擬分析巷道掘進過程中圍巖的擾動響應規律。結果顯示：因巷道開采擾動，巷道周邊應力得到釋放，應力進行重新分布，巷道周邊應力集中，應力極值主要在頂板、拱肩及邊幫上下兩側，應加強頂板、拱肩及邊幫上下兩側支護；距離巷道兩倍寬度范圍內是支護的重點關注區域；巷道掘進后，周邊圍巖會出現剪切破壞和張拉破壞。通過對巷道變形和應力分布演化分析，揭示了掘進過程中巷道圍巖的變形失穩過程，為支護參數設計和支護時機選擇提供了科學依據。

關鍵詞：深部開采；高應力；圍巖變形；應力分布；巷道掘進

中圖分類號：TD32????????? 文章編號：1001-1277（2024）06-0001-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240601

引? 言

隨著中國工業的蓬勃發展和社會需求的不斷增長，經濟發展對資源的需求日益迫切［1-2］。為滿足社會生產的需求，礦產資源開發逐漸向深部轉移。深部地下開采工程具有“三高一擾動”的特點［3-7］。深部采掘過程中，巷道圍巖容易發生巨大變形，同時還存在高溫和突水等問題。作為礦山井巷工程的重要組成部分，井下各類巷道的安全性直接影響礦產資源開采的安全性，作為運輸通道的巷道更是直接制約礦山生產。深部高應力作用下巷道變形特征呈現出的擾動響應較淺部有所變化，掌握采掘過程中巷道圍巖變形和應力分布規律，是做好巷道穩定性控制的關鍵。

眾多學者采用數值模擬分析方法對巷道圍巖穩定性進行超前模擬分析，為工程建設和支護控制提供指導。孫宇超［8］以Flac3D數值模擬為技術手段，對等腰梯形巷道和直角梯形巷道周邊的水平應力、垂直應力和最大主應力展開了研究，發現無論采用等腰梯形巷道還是直角梯形巷道，巷道圍巖穩定性的主控應力都為垂直應力。穆磊等［9-13］采用理論分析和Flac3D數值模擬相結合的方法對巷道圍巖穩定性進行分析，研究成果為類似地質條件下巷道的支護設計提供了很好的借鑒。任賽等［14］采用Flac3D數值模擬方法系統地評估了某礦山基地深井圍巖的巖爆風險程度，完成了巷道方位、掘進過程、巷道交叉、巷道與采空區相對關系等對巖爆風險等級程度、巖爆出現的潛在位置、開采過程中潛在巖爆發生時機的影響分析，研究結果為現場施工提供了指導，其建模方法和分析巖爆傾向性的方法對其他賦存復雜的礦山具有一定的借鑒意義。許永山等［15］運用Flac3D軟件，對某礦山進行了多礦房同采條件下的圍巖穩定性分析，取得了良好的模擬效果。郭子源等［16］為解決深部高應力軟巖巷道圍巖的支護困難問題，采用Flac3D軟件有限差分程序并結合現場實測的方法為深層軟巖巷道的掘進和支護設計提供了技術指導。孫闖等［17］以Flac3D軟件為工具，分析應變軟化模型、剪脹角及不同巷道斷面類型對圍巖-支護相互作用的影響，并對支護系統穩定性進行評價，為高應力軟巖巷道的支護結構設計及施工提供理論支撐。

本文針對山東黃金礦業（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）進入深部開采面臨的巷道圍巖變形和支護問題，充分考慮工況、礦巖力學特性、開采擾動等因素，結合巖石力學數據開展數值模擬分析，研究深部巷道掘進過程中的應力、變形演化規律，為支護設計和優化提供依據。

1? 礦區概況

焦家金礦位于山東省黃縣弧形大斷裂帶，總面積25 km2，下轄3個礦區：焦家礦區、望兒山礦區和寺莊礦區。礦區內礦體賦礦圍巖主要為玲瓏花崗巖，位于礦體下盤及深部，淺肉紅色，中?；◢徑Y構，塊狀構造、片麻狀構造。主要礦物成分有斜長石（35 %～40 %）、鉀長石（25 %～35 %）、石英（25 %～30 %）、黑云母（5 %），以及少量榍石、鋯石等副礦物。礦化類型可分為浸染狀（Ⅰ號礦體）、細脈浸染狀（Ⅱ號礦體）及細脈狀（Ⅲ號礦體）。圍巖蝕變類型多樣，可分為綠泥石化、紅化、鉀長石化、絹云母化、硅化等，且有良好的分帶性。焦家金礦采用上向水平分層和上向水平進路尾砂膠結充填采礦法進行開采，深部巷道掘進過程中圍巖穩定性控制難度大，支護結構易破壞，返修率高。隨著開采范圍和深度的增加，焦家金礦已進入深部開采，巖體在高應力環境下的采掘擾動響應更為明顯，易出現破碎巖體變形大、完整硬巖動力破壞等潛在的地壓災害。2024年第6期/第45卷? 礦業工程礦業工程? 黃? 金

2? 模型建立

以焦家礦區-710 m水平巷道為工程背景，建立Flac3D數值分析模型，研究巷道掘進過程中圍巖變形及應力分布規律。數值分析模型采用的巖體物理力學參數見表1。

計算模型四周邊界與巷道中心的距離約為5倍的巷道寬度，減少邊界條件對模擬分析結果的影響。開挖計算采用位移邊界條件，模型根據區域地應力場分布特征施加梯度應力邊界，并對模型整體施加重力場，最大水平主應力與巷道軸向平行。巷道采用分步開挖，開挖總長度為16 m，每次開挖2 m。數值計算模型及網格劃分見圖1。

3? 巷道應力分布規律分析

應力狀態是影響巷道穩定性的主要因素，為實現安全開采必須分析巷道應力分布特征。巷道開挖引起應力重新分布。巷道分步開挖完成后的圍巖應力分布云圖見圖2。由圖2可知：巷道周邊最大主應力集中于巷道拱肩和邊幫與底板拐角處，應力集中區最大應力達到80.55 MPa，極易產生破壞；最小主應力云圖顯示，在巷道表面產生一定的拉應力，極值約為1.32 MPa，易破壞剝落；水平主應力極值集中在巷道頂板處及兩幫墻底角，極值約為52.77 MPa；垂直主應力極值與前三者有所不同，主要集中在邊幫上下兩側，極值約為57.97 MPa。模擬結果顯示：隨著巷道開挖擾動，巷道周邊應力得到一定的釋放，但在局部區域產生嚴重的應力集中，主要在頂板、拱肩及邊幫上下兩側，施工和支護過程中應重點關注上述區域，及時排險。

在巷道邊幫及頂板中設置監測點，分析掘進過程中應力演化規律。隨著掘進工作面的推進，巷道左幫、頂板監測點的三向應力變化曲線見圖3。其中，σxx、σyy、σzz分別為x、y、z方向的應力。掘進過程中，垂直巷道走向的邊幫水平應力逐漸減小，隨著掘進工作面的遠離逐漸趨于穩定，主要是開挖臨空面形成后兩幫向巷道變形，水平應力得到釋放；垂直應力隨著掘進面的推進，呈現逐步增加的趨勢，最后趨于穩定，其主要原因是巷道頂部圍巖失去豎向支撐，垂直荷載向兩幫擴散轉移，導致邊幫垂直應力增大；巷道軸向應力出現先增大后降低的趨勢，但總體變化較小。頂板巷道軸向應力隨進尺增加先增大后降低，與邊幫一致；然而，水平應力和垂直應力變化趨勢與邊幫相反，垂直巷道走向的水平應力逐漸增加后趨于穩定；垂直應力則先下降后緩慢增加至穩定值，源于頂板垂直應力向兩幫的擴散及巷道豎向變形得到一定程度的應力釋放。

至巷道邊幫和頂板不同距離巖體的應力演化曲線見圖4。巷道邊幫垂直應力隨進尺增加而增大，增大幅度越來越小，最后趨于穩定。由圖4-a）可知：越靠近巷道，垂直應力值變化越大；與之相反，遠離巷道時，圍巖垂直應力受開采擾動的影響極小。頂板垂直應力隨進尺增加出現先極速減小，后緩慢增大至穩定的趨勢；距離巷道頂板越遠，垂直應力變化越不明顯，這與邊幫應力變化相同。邊幫和頂板的水平應力變化與垂直應力變化截然相反，邊幫水平應力出現先減小后增大的趨勢，而頂板水平應力則與邊幫垂直應力變化一致，隨著工作面的推進逐漸增大到穩定。

4? 巷道變形規律

巷道開挖完成后的位移變化云圖見圖5。由圖5可知，開挖后巷道出現較為明顯的邊幫收斂現象。至掘進工作面距離不同時的巷道表面位移變化曲線見圖6。由圖6可知：巷道頂板和邊幫表面位移均隨掘進工作面推進逐漸增大，掘進工作面持續推進過監測點7 m左右時，邊幫變形達到最大值并趨于穩定，頂板變形雖持續增加，但增速明顯減緩，說明巷道表面變形在掘進工作面持續推進約巷道兩倍寬度時趨于穩定。這為柔性支護和讓壓支護設計提供了依據和優化思路。

at different distances to excavation face

距巷道表面不同距離巖體的位移變化見圖7。邊幫水平位移和頂板位移均隨著進尺的增加而增加，近巷道表面1 m范圍內的變形量較為突出，一定程度上能夠反映出巷道圍巖在采掘擾動后的松動損傷范圍，為支護結構的設計和參數確定提供參考。

5? 結? 論

采用Flac3D軟件對焦家金礦焦家礦區-710 m水平巷道圍巖開挖擾動過程進行了模擬分析，得到了巷道變形和應力的時間和空間演化規律，主要結論如下：

1）因巷道開采擾動，巷道周邊應力得到釋放，應力進行重新分布，應力集中主要聚集于頂板、拱肩及邊幫上下兩側，掘進施工過程中應加強安全管理和支護。

2）巷道頂板和邊幫的位移隨掘進工作面的推進而增加，掘進工作面后方約7 m處的巷道邊幫變形趨于穩定，頂板下沉速度明顯降低，趨于穩定，對柔性讓壓支護和支護時機選擇具有指導意義。

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Deformation and stress distribution evolution of surrounding

rock during the roadway excavation in Jiaojia Gold Mine

Zhang Xufei1，Guo Yunhong2，Wang Xingya1，Guo Qifeng2

（1.Jiaojia Gold Mine，Shandong Gold Mining Industry （Laizhou） Co.，Ltd.;

2.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：To solve the problem of serious deformation and difficult support of the roadway under deep high stress，the research centers on the -710 m horizontal roadway in Jiaojia Gold Mine，establishes Flac3D numerical model to simulate and analyze the disturbance response law of the surrounding rock during the roadway excavation process.The results show that due to the mining disturbance of the roadway，the stress around the roadway is released.Thus，the stress is redistributed，with the stress around the roadway concentrated，and the stress peaks mainly occurring in the roof，the arch shoulder，and the upper and lower sides of the side walls，so the support should be strengthened in the roof，the arch shoulder，and the upper and lower sides of the side walls;within a range twice the width of the roadway is the focus area for support;after excavation，surrounding rock mass will experience shear and tensile failure.By analyzing the evolution of deformation and stress distribution in the roadway，the process of deformation failure of surrounding rock during excavation is revealed，providing a scientific basis for support parameter design and support timing.

Keywords：deep mining;high stress;surrounding rock deformation;stress distribution;roadway excavation