趙春濤

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

某鐵礦大型地下硐室穩(wěn)定性數(shù)值分析

趙春濤

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

利用FLAC3D軟件對張家灣鐵礦地下選廠硐室開挖和支護(hù)過程進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出硐室圍巖松弛區(qū)范圍、監(jiān)測點的位移變化規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值。結(jié)合硐室穩(wěn)定性經(jīng)驗判據(jù)，對硐室支護(hù)前和支護(hù)后進(jìn)行了穩(wěn)定性的量化判定，可為硐室開挖和支護(hù)參數(shù)設(shè)計提供參考。

大型硐室 穩(wěn)定性 數(shù)值分析 監(jiān)測點位移 支護(hù)參數(shù) FLAC3D

當(dāng)前冶金礦山領(lǐng)域地下硐室支護(hù)設(shè)計多以工程類比為主[1-2]，但對于非常規(guī)的大型硐室而言，由于工程條件的差異，工程類比的可靠性較差。數(shù)值分析技術(shù)可提供有效的量化分析結(jié)果，為硐室開挖和支護(hù)提供數(shù)據(jù)支持[3-4]。為此，本研究基于FLAC3D軟件對張家灣鐵礦地下選廠硐室開挖和支護(hù)過程進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 項目概況

張家灣鐵礦地下選廠立磨硐室，硐室斷面形式為直墻圓弧拱，規(guī)格82 m×23 m×31 m，直墻高24 m，硐室埋深500 m，硐室為特大型硐室，幾何模型見圖1。硐室開挖影響范圍內(nèi)的圍巖中等穩(wěn)定，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 硐室?guī)缀文Ｐ?/p>

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值分析

基于FLAC3D軟件，采用Mohr-Coulomb模型作為巖體本構(gòu)模型[5-8]，硐室穩(wěn)定性判據(jù)見表2。

2.1 毛硐穩(wěn)定性數(shù)值分析

毛硐在不支護(hù)的條件下，按自上而下的順序分3次開挖進(jìn)行穩(wěn)定性分析，拱部1次開挖，邊墻分2次開挖。根據(jù)對稱性，取半模型進(jìn)行計算，物理模型見圖2，硐室中部應(yīng)力等值線見圖3，硐室中部位移等值線見圖4。

表2 硐室穩(wěn)定判據(jù)

圖2 硐室物理模型

由圖3、圖4可知：①硐室邊墻塑性區(qū)和應(yīng)力松弛區(qū)深度達(dá)17 m，為硐室跨度的74%，大于經(jīng)驗判據(jù)的60%，邊墻不穩(wěn)定，發(fā)生垮塌的可能性極大；②由于邊墻為分部開挖，最大位移點向邊墻中下部和中上部轉(zhuǎn)移，約40 mm；③拱部應(yīng)力松弛區(qū)約10 m，為硐室跨度的43%，拱部穩(wěn)定性較差。

2.2 硐室開挖及支護(hù)過程數(shù)值分析

根據(jù)毛硐分析結(jié)果擬定支護(hù)形式為錨噴+局部預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。錨桿為φ28 mm砂漿錨桿，間排距1.2 m，長6 m。邊墻中上部布置φ15.2 mm鋼絞線錨索束，間排距4 m，長16 m，錨固長8 m。噴射混凝土厚 250 mm，錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索采用cable單元模擬，噴層采用shell單元模擬，力學(xué)參數(shù)見表3， 噴射混凝土力學(xué)參數(shù)見表4。

圖3 毛硐室中部應(yīng)力等值線(單位：MPa)

表3 預(yù)應(yīng)力錨索力學(xué)參數(shù)

表4 噴射混凝土力學(xué)參數(shù)

施工過程：首先施工拱部，然后向下分3層施工邊墻，單次掘進(jìn)進(jìn)尺15 m，開挖支護(hù)共20步，錨噴支護(hù)緊跟工作面，錨索待各層開挖完畢后安裝。施工過程中對危險點位移進(jìn)行了監(jiān)測，點位位置及監(jiān)測結(jié)果分別見圖5、圖6。硐室開挖完成后二次應(yīng)力分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)的部分?jǐn)?shù)值分析結(jié)果見圖7。

由圖7及相關(guān)模擬結(jié)果可知：①支護(hù)后邊墻松弛區(qū)約8 m，松弛區(qū)范圍減小，約為跨度的38%，拱部最大位移30 mm，邊墻最大位移22 mm，均處于安全范圍內(nèi)；②錨索軸力1 430 kN·m，未超過其設(shè)計抗拉力，錨索安全，拱部錨桿最大軸力143 kN·m，邊墻局部錨桿超過了拉力設(shè)計值；③噴層最大軸力915 kN·m，最大彎矩91.6 kN·m，最大壓應(yīng)力發(fā)生于拱部與邊墻墻角處，為12.5 MPa，未超過噴層抗壓強度的設(shè)計值，噴層安全；④邊墻局部錨桿出現(xiàn)了滑移，因錨噴支護(hù)緊跟工作面，使圍巖應(yīng)力未得到一定程度的釋放，因此實際錨桿軸力應(yīng)小于計算值，邊墻端部最大軸力169 kN·m，錨桿安全。

圖4 毛硐室中部位移等值線(單位：mm)

圖5 硐室位移監(jiān)測點位置

圖6 位移與開挖步關(guān)系曲線

圖7 硐室中部應(yīng)力等值線(單位：MPa)

3 結(jié) 論

(1)在不支護(hù)的工況條件下，硐室穩(wěn)定性差，邊墻片幫，拱頂可能發(fā)生小規(guī)模的冒頂和掉塊。

(2)采用錨噴+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)且采用分步開挖、分步支護(hù)的工序時，硐室穩(wěn)定性得到了改善，圍巖松弛區(qū)明顯變小。

(3)通過對噴層和預(yù)應(yīng)力錨索模擬分析，得出了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度，噴層、錨索即大部分錨桿內(nèi)力均未超過設(shè)計值，局部錨桿發(fā)生滑移，需對施工工序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50830—2013 冶金礦山采礦設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2] 鄒喜正.煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性分類[M].徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[3] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 梁海波，李仲奎，谷兆祺.FLAC程序及其在我國水電工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1996(3)：225-230.

[5] 徐干成，鄭穎人.巖石工程中屈服準(zhǔn)則應(yīng)用的研究[J].巖土工程學(xué)報，1990(1)：108-111．

[6] 劉 琳，王志國，艾立新，等.基于FLAC數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(3)：62-64.

[7] 姬志勇，閆永賦，豆 昆.錨桿設(shè)置方式對白云礦邊坡穩(wěn)定性的影響[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(1)：94-96.

[8] 吳 姍，宋衛(wèi)東，張興才，等.全尾砂膠結(jié)充填體彈塑性本構(gòu)模型實驗研究[J].金屬礦山，2014(2)：31-35.

2015-09-15)

趙春濤(1983—)，男，工程師，碩士， 066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)龍海道71號。