陳慶發(fā)，牛文靜，鄭文師，劉俊廣，劉嚴(yán)中，尹庭昌

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崩落法回采巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域確定的解構(gòu)法和數(shù)值模擬法

陳慶發(fā)1，牛文靜1，鄭文師1，劉俊廣1，劉嚴(yán)中2，尹庭昌1

(1. 廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院，南寧 530004；2. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

在銅坑礦92號(hào)礦體裂隙礦巖崩落法開采區(qū)域選取試驗(yàn)區(qū)，闡述崩落法回采過程巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域確定的解構(gòu)法和數(shù)值模擬法的具體內(nèi)涵，對(duì)兩種方法計(jì)算結(jié)果及差異性進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明：解構(gòu)法能夠準(zhǔn)確解算危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體可能失穩(wěn)的形式和具體賦存位置，但其從矢量角度確立的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)量、危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍比真實(shí)情況略小，巷道穩(wěn)定性結(jié)果略高；數(shù)值模擬法考慮卸荷和爆破作用影響，對(duì)回采過程頂板下沉、結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)狀態(tài)分析較準(zhǔn)確，但采用虛擬裂隙面控制結(jié)構(gòu)面發(fā)育范圍，導(dǎo)致確立的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)目過多，巷道穩(wěn)定性比工程實(shí)際略低；工程應(yīng)用中應(yīng)以解構(gòu)法為主、數(shù)值模擬法為輔，綜合確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域。

巷道頂板；危險(xiǎn)區(qū)域；解構(gòu)法；數(shù)值模擬法；崩落法開采

崩落法具有開采強(qiáng)度大、工程量少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)地下鐵礦山應(yīng)用崩落法采出的礦量超過85%，有色金屬礦山超過35%[1]。但因采用崩落法開采時(shí)采場(chǎng)巷道維護(hù)困難，導(dǎo)致其應(yīng)用難度較大。裂隙礦巖崩落法開采時(shí)，受卸荷、爆破等采動(dòng)作用影響，回采巷道頂板常發(fā)生不同形式失穩(wěn)，以至常規(guī)安全控制措施因無針對(duì)性而常出現(xiàn)失效現(xiàn)象。因此，在崩落法回采條件下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域?qū)ΦV體安全回采、巷道針對(duì)性支護(hù)具有重要影響。

目前，已有部分學(xué)者開展了巷道頂板穩(wěn)定性相關(guān)研究，具代表性的有：SEEDSMAN[2]針對(duì)回采過程巷道頂板應(yīng)力變化和失穩(wěn)路徑分析了巷道頂板失穩(wěn)機(jī)理；NEMCIK等[3]基于多滑動(dòng)塊體模型，通過計(jì)算和分析頂板塊體間相互作用及應(yīng)力變化，提出了巷道頂板破壞機(jī)制；牛少卿等[4]針對(duì)煤層巷道頂板層狀特征，利用梁受力變形原理和巖體粗糙結(jié)構(gòu)面剪脹原理，分析了大跨度巷道頂板層面剪切失穩(wěn)機(jī)理；曾佑富等[5]利用彈性力學(xué)和數(shù)值模擬方法，對(duì)棗泉煤礦巷頂板冒落失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析；陶干強(qiáng)等[6]利用數(shù)值模擬方法，對(duì)開拓與回采兩個(gè)不同過程巷道頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；眀建等[7]針對(duì)崩落法回采條件下巷道頂板冒落特征，開展了巷道圍巖變形機(jī)理研究；HU等[8]通過對(duì)崩落法回采頂板最大拉應(yīng)力、下沉位移、等效塑性應(yīng)變等的研究，開展了巷道頂板巖體卸荷力學(xué)響應(yīng)規(guī)律研究；趙毅鑫等[9]引入擾動(dòng)因子概念分析了多擾動(dòng)狀態(tài)下回采巷道的穩(wěn)定性。但有關(guān)裂隙礦巖崩落法回采巷道頂板結(jié)構(gòu)體移動(dòng)形式及穩(wěn)定性的研究還鮮見報(bào)道，致使礦體回采過程中的巷道頂板危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體及危險(xiǎn)區(qū)域的變化狀態(tài)尚不能較好確定。

因此，本文作者分別利用巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)理論和數(shù)值模擬方法，開展巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域確定的解構(gòu)法和數(shù)值模擬法比較分析研究，通過對(duì)比分析兩種方法，建立準(zhǔn)確可靠的崩落法回采巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域確定方法，以期為支護(hù)措施設(shè)計(jì)提供根本性指導(dǎo)。

1 巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域確定方法

1.1 巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)法

解構(gòu)概念源于海德格爾[10]提出的“Deconstruction”一詞，意為對(duì)事物進(jìn)行分解、消解、拆解、揭示等。本文作者基于地下礦山工程背景，引入“解構(gòu)”思想，提出“巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)”，即將巖體結(jié)構(gòu)重構(gòu)，揭示結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)部的三維排列組合形式，并結(jié)合具體采礦工藝，對(duì)采礦活動(dòng)過程中的結(jié)構(gòu)體的移動(dòng)性進(jìn)行分析，穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，以分析與計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，及時(shí)、合理、科學(xué)的調(diào)整與優(yōu)化開采工藝，實(shí)施積極的先導(dǎo)技術(shù)措施，從而指導(dǎo)礦體安全回采[11?12]。

利用巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)理論確定崩落法回采過程中巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域的總體思路為：基于關(guān)鍵塊體理論、一般塊體理論、巖石力學(xué)和材料力學(xué)等知識(shí)，利用GeneralBlock軟件對(duì)塊體的識(shí)別與計(jì)算的功能和3DMine軟件的空間計(jì)算與三維可視化的功能，對(duì)崩落法開采條件下的巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步解構(gòu)；對(duì)初步解構(gòu)出的結(jié)構(gòu)體位置及最小固定面積進(jìn)行計(jì)算；結(jié)合具體回采工藝，分析回采過程中賦存于巷道頂板結(jié)構(gòu)體的移動(dòng)性，確立危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體；根據(jù)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布范圍，確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域。

1.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬作為當(dāng)代科學(xué)研究的第三種手段，具有較強(qiáng)優(yōu)越性[13]。礦山領(lǐng)域利用數(shù)值模擬手段可模擬各類采礦方法，并分析回采過程中的科學(xué)問題。

利用數(shù)值模擬方法確定崩落法回采過程中巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域的思路為：通過GeneralBlock軟件與3DEC軟件的參數(shù)對(duì)接，將GeneralBlock軟件構(gòu)建的巷道圍巖結(jié)構(gòu)體模型與3DEC模型耦合，形成3DEC巷道圍巖結(jié)構(gòu)體模型；利用3DEC軟件計(jì)算功能，以靜力和動(dòng)力結(jié)合方式模擬崩落法回采，監(jiān)測(cè)回采過程中巷道頂板下沉量和結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；通過分析不同回采階段結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確立回采過程中巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域及危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體。

2 解構(gòu)理論確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域

2.1 工程背景

銅坑礦92號(hào)礦體產(chǎn)出于長(zhǎng)坡銅坑礦床下部，水平方向上位于207號(hào)線至210號(hào)線之間，垂直方向上位于+250~+580 m標(biāo)高范圍內(nèi)，埋藏深度在+250~+450 m間，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，采用無底柱分段崩落法回采。選取極具代表性且結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的+494 m水平T214采場(chǎng)的14號(hào)出礦川為試驗(yàn)區(qū)，開展相關(guān)研究，如圖1所示。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)巖層近東西走向，受以節(jié)理和褶皺為主的構(gòu)造影響，巖層傾向及傾角變化較大。試驗(yàn)區(qū)巷道巖石堅(jiān)硬、性脆，巖層較干燥、破碎。試驗(yàn)區(qū)巖體總體較破碎，常出現(xiàn)浮石，采動(dòng)來壓后易出現(xiàn)規(guī)模較大掉塊現(xiàn)象。利用精測(cè)網(wǎng)法測(cè)出試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共賦存有535條結(jié)構(gòu)面，二維密度為7.23條/m2，平均間距為37.38 mm。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面主要由80%的壓性層理面和20%的張扭性節(jié)理構(gòu)成，且按傾向分為4組，第1組10°~20°、第2組30°~40°、第3組280°~290°、第4組300°~310°，其中，第1、2組為優(yōu)勢(shì)組。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)巖體的抗壓強(qiáng)度為81.26 MPa，抗剪強(qiáng)度8.572 MPa，容重2.68 t/m3，內(nèi)聚力為2.5 MPa，內(nèi)摩擦角為30°。試驗(yàn)區(qū)巷道長(zhǎng)20 m、寬3.7 m、高2.8 m，崩落法回采時(shí)，沿巷道軸向后退式回采，崩礦步距為5 m，共分5步回采。

圖1 試驗(yàn)區(qū)示意圖

2.2 巷道頂板結(jié)構(gòu)體解構(gòu)

試驗(yàn)區(qū)巷道長(zhǎng)寬高尺寸為20 m×3.7 m×2.8 m，為使構(gòu)建的巷道圍巖模型包裹大部分結(jié)構(gòu)面，且各結(jié)構(gòu)面在巷道圍巖內(nèi)充分地交錯(cuò)、切割，利用GeneralBlock軟件建立長(zhǎng)寬高尺寸為20 m×20 m× 22 m的圍巖模型，如圖2所示。模型的軸沿巷道寬度方向，軸方向?yàn)橄锏雷呦?，軸沿巷道高度方向。將結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)輸入巷道圍巖模型中，構(gòu)建巷道圍巖結(jié)構(gòu)體模型，并利用GeneralBlock軟件的計(jì)算功能對(duì)巷道頂板結(jié)構(gòu)體進(jìn)行初步解構(gòu)。初步解構(gòu)內(nèi)容主要有巷道頂板結(jié)構(gòu)體編號(hào)、類型、體積、穩(wěn)定性系數(shù)、滑移面、下滑力、摩擦力和粘滯力等。

初步解構(gòu)出試驗(yàn)區(qū)巷道頂板共賦存179個(gè)結(jié)構(gòu)體，其中可移動(dòng)結(jié)構(gòu)體88個(gè)、不可移動(dòng)結(jié)構(gòu)體7個(gè)、埋藏結(jié)構(gòu)體45個(gè)、固定結(jié)構(gòu)體39個(gè)，如圖3所示。塊體理論一般認(rèn)為固定結(jié)構(gòu)體和埋藏結(jié)構(gòu)體是穩(wěn)定的，不進(jìn)行移動(dòng)性分析。但受礦體回采工作擾動(dòng)，固定結(jié)構(gòu)體和埋藏結(jié)構(gòu)體也可能產(chǎn)生移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)礦體正常開采產(chǎn)生不良影響。因此，需對(duì)初步解構(gòu)的固定結(jié)構(gòu)體和埋藏結(jié)構(gòu)體進(jìn)一步解算。

圖2 試驗(yàn)區(qū)巷道圍巖模型

圖3 巷道頂板結(jié)構(gòu)體初步解構(gòu)

2.3 結(jié)構(gòu)體位置與最小固定面積計(jì)算

將利用GeneralBlock軟件解構(gòu)出的結(jié)構(gòu)體導(dǎo)入3DMine軟件中，利用3DMine軟件的三維計(jì)算功能，解算結(jié)構(gòu)體的空間形態(tài)、固定面面積、重心坐標(biāo)、形心坐標(biāo)等參數(shù)。

固定結(jié)構(gòu)體實(shí)為無限結(jié)構(gòu)體，但受自身重力或其他工程擾動(dòng)作用，固定面可能發(fā)生破壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體移動(dòng)并失穩(wěn)。因此，存在一個(gè)最小面積的固定面，使得結(jié)構(gòu)體恰好維持自身穩(wěn)定，該面積稱為結(jié)構(gòu)體的最小固定面積[11]。當(dāng)結(jié)構(gòu)體固定面面積大于其最小固定面積時(shí)，該結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性較好；當(dāng)小于其對(duì)應(yīng)的最小固定面積時(shí)，結(jié)構(gòu)體固定面可能發(fā)生破壞。顯然，埋藏結(jié)構(gòu)體的最小固定面積為0。由文獻(xiàn)[11]的最小固定面積(min)計(jì)算公式，對(duì)單固定面結(jié)構(gòu)體的最小固定面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，39個(gè)固定結(jié)構(gòu)體中，有27個(gè)結(jié)構(gòu)體因其固定面積小于對(duì)應(yīng)的最小固定面積而可能產(chǎn)生固定面被破壞的現(xiàn)象。因此，需進(jìn)一步分析此類結(jié)構(gòu)體的回采可移動(dòng)性。

2.4 回采過程中結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析

回采前，出露于巷道頂板表面的固定面積小于其對(duì)應(yīng)最小固定面積的結(jié)構(gòu)體，受重力影響或其他工程擾動(dòng)作用，固定面可能被破壞，進(jìn)而產(chǎn)生移動(dòng)；回采過程中，礦巖受回采工作面切割，位于回采工作面周圍的結(jié)構(gòu)體將被切割，進(jìn)而移動(dòng)性可能發(fā)生變化，即回采前不可移動(dòng)的結(jié)構(gòu)體，受回采作用影響可能產(chǎn)生移動(dòng)。因此，回采過程中應(yīng)結(jié)合礦體回采步距，對(duì)每步回采后結(jié)構(gòu)體變化情況進(jìn)行分析。利用矢量方法，分回采前和回采過程兩個(gè)階段開展巷道頂板結(jié)構(gòu)體可移動(dòng)性分析。

設(shè)存在一個(gè)結(jié)構(gòu)體，具有個(gè)結(jié)構(gòu)面、個(gè)固定面，結(jié)構(gòu)面指向結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的單位法向矢量為，固定面指向結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的單位法向矢量為，重力單位方向矢量為，如圖4所示。只考慮重力作用時(shí)，若?≥0，則面不對(duì)重力方向的移動(dòng)產(chǎn)生阻礙，即為非重力約束面；若?＜0，則面幾何上對(duì)結(jié)構(gòu)體重力方向的移動(dòng)產(chǎn)生阻礙，即為重力約束面。令重力約束面交線指向結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的位矢為，臨空面指向下方的位矢為，臨空面的相鄰面指向臨空面方向的位矢為，則

1) 當(dāng)臨空面的相鄰面無重力約束面時(shí)，結(jié)構(gòu)體掉落；

2) 當(dāng)臨空面的相鄰面同時(shí)存在重力約束面和非重力約束面，且重力約束面滿足?≥0時(shí)，結(jié)構(gòu)體沿重力約束面單面滑動(dòng)；

3) 當(dāng)臨空面的相鄰面同時(shí)存在重力約束面和非重力約束面，且重力約束面的交線與各結(jié)構(gòu)面的法向量滿足?≥0時(shí)，結(jié)構(gòu)體沿重力約束面交線滑動(dòng)(雙面滑動(dòng))；

4) 當(dāng)臨空面的相鄰面既有非重力約束面又有重力約束面，且重力約束面滿足?＜0時(shí)，結(jié)構(gòu)體不可產(chǎn)生移動(dòng)。

1) 回采前結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析

回采前，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)27個(gè)固定面易被破壞的固定結(jié)構(gòu)體中，有25個(gè)出露于巷道表面，因此，對(duì)此25個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行移動(dòng)性分析。

①掉落：結(jié)構(gòu)體164和165除固定面外，其余面均為非重力約束面。當(dāng)固定面破壞時(shí)，臨空面的相鄰面均為非重力約束面，因而，此2個(gè)結(jié)構(gòu)體可能直接掉落。

②單面滑動(dòng)：結(jié)構(gòu)體171和179固定面被破壞后，臨空面相鄰面即有重力約束面又有非重力約束面，且重力約束面位矢與臨空面位矢滿足?≥0，因而，此兩個(gè)結(jié)構(gòu)體可能沿重力約束面單面滑動(dòng)。

表1 結(jié)構(gòu)體最小固定面積計(jì)算結(jié)果

③雙面滑動(dòng)：結(jié)構(gòu)體13、14、16、17、18、19、20、22、23、27、28、29、143、158、159、160、161、162和163固定面被破壞后，臨空面的相鄰面即有重力約束面又有非重力約束面，且重力約束面的交線與各結(jié)構(gòu)面的法向量滿足?≥0，因而，此20個(gè)結(jié)構(gòu)體可能沿重力約束面交線雙面滑動(dòng)。

④不可移動(dòng)：結(jié)構(gòu)體177固定面被破壞后，臨空面的相鄰面即有重力約束面又有非重力約束面，但重力約束面法向矢量與臨空面法向矢量滿足?＜0，故結(jié)構(gòu)體固定面破壞后仍不可移動(dòng)。

通過上述結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析可知，回采前，出露于巷道表面的25個(gè)固定結(jié)構(gòu)體中，可能掉落的結(jié)構(gòu)體有2個(gè)，單面滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)體有2個(gè)，雙面滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)體有20個(gè)，不可移動(dòng)的結(jié)構(gòu)體有1個(gè)。

2) 回采過程中結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析

試驗(yàn)區(qū)共分5步回采，以軸為回采方向，回采界面分別位于巷道圍巖模型的=0 m、=5 m、=10 m、=15 m和=20 m處。

①第1步回采時(shí)，位于回采工作面附近的不可移動(dòng)結(jié)構(gòu)體有169、170、172、173、174、175、176和178，對(duì)其分別進(jìn)行移動(dòng)性分析。

結(jié)構(gòu)體169、170、175、176和178均由2個(gè)重力約束面和2個(gè)非重力約束面構(gòu)成，臨空面相鄰面既有重力約束面又有非重力約束面，且滿足?≥0，此5個(gè)結(jié)構(gòu)體將沿重力約束面交線滑動(dòng)。

結(jié)構(gòu)體172、173和174均由3個(gè)重力約束面和3個(gè)非重力約束面構(gòu)成，臨空面的相鄰面既有重力約束面又有非重力約束面，且滿足?≥0。因此，此3個(gè)結(jié)構(gòu)體沿重力約束面交線雙面滑動(dòng)。

②第2步回采、第3步回采和第4步回采時(shí)，回采面附近沒有新結(jié)構(gòu)體生成；第5步回采時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)區(qū)已被回采，無需開展結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析。

通過對(duì)回采過程中結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析可知，受回采作用影響，將可能有8個(gè)出露于巷道頂板的原本不可移動(dòng)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滑動(dòng)。

2.5 試驗(yàn)區(qū)巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域顯現(xiàn)與確定

綜合試驗(yàn)區(qū)巷道頂板結(jié)構(gòu)體初步解構(gòu)結(jié)果、回采前結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析結(jié)果和回采過程結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性分析結(jié)果，確立崩落法回采巷道頂板危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體。最終確定賦存于巷道頂板可能掉落的結(jié)構(gòu)體有兩個(gè)，產(chǎn)生單面滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)體有22個(gè)，產(chǎn)生雙面滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)體有96個(gè)。因此，試驗(yàn)區(qū)巷道頂板共有120個(gè)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體。將各危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體在GeneralBlock軟件中篩選，并導(dǎo)入3DMine軟件中，三維顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)體在巷道頂板的分布范圍及形態(tài)，如圖4所示。

根據(jù)巷道頂板結(jié)構(gòu)體解構(gòu)結(jié)果可知，崩落法回采下試驗(yàn)區(qū)巷道頂板危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)量較多，但體積相對(duì)較小，分布范圍較廣。由圖4中危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布范圍，確定出崩落法回采過程中巷道頂板的危險(xiǎn)區(qū)域(圖中矩形線框區(qū)域?yàn)橄锏理敯逦ｋU(xiǎn)區(qū)域)。

危險(xiǎn)區(qū)域集中在軸方向上0~3 m和12~20 m范圍。根據(jù)巷道頂板危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)量和危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍可判斷巷道頂板較易失穩(wěn)，該結(jié)論較符合巷道實(shí)際調(diào)查情況。

圖4 試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)體和危險(xiǎn)區(qū)域三維顯現(xiàn)圖

3 數(shù)值模擬確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域

3.1 參數(shù)選擇及數(shù)值模型構(gòu)建

1) 力學(xué)參數(shù)選擇

①靜力分析參數(shù)選擇

92號(hào)礦體上部地表標(biāo)高+800 m，試驗(yàn)區(qū)巖體密度為2.68 t/m3，側(cè)壓系數(shù)分別為1.5和1.4。參考強(qiáng)度折減法[14]，試驗(yàn)區(qū)模型上覆巖層等效載荷為，則側(cè)壓為和。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)區(qū)為5.93 MPa、為5.53 MPa、為3.95 MPa。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和物理實(shí)驗(yàn)確定模型體積模量為1.10×104MPa、剪切模量為1.15×104MPa、彈性模量為2.85×104MPa、泊松比為0.24、抗拉強(qiáng)度為2.1 MPa。根據(jù)礦山提供的結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)研究報(bào)告確定試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面模型力學(xué)參數(shù)，如表2所列。

根據(jù)Kulatilake提出的虛擬裂隙面力學(xué)參數(shù)取值方法[15]，計(jì)算虛擬裂隙面力學(xué)參數(shù)，具體如表3所列。

表2 試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)面模型參數(shù)表

表3 虛擬裂隙面力學(xué)參數(shù)表

②動(dòng)力分析參數(shù)選擇

動(dòng)力分析采用Rayleigh阻尼，且為有效增加計(jì)算精度，動(dòng)力分析過程中，僅考慮剛度阻尼比作用，忽略質(zhì)量阻尼比[16]。為減少模型邊界波反射，降低反射波對(duì)模擬結(jié)果的影響，將試驗(yàn)區(qū)巷道圍巖模型4個(gè)側(cè)面和底面設(shè)置為粘滯邊界。依據(jù)銅坑礦92號(hào)礦體爆破震動(dòng)危害研究，確立了動(dòng)力分析所需相關(guān)爆破數(shù)據(jù)，主要為爆破震動(dòng)主頻37 Hz、最大振速49.9 mm/s、最大位移19.8×10?2 mm。

2) 數(shù)值模型構(gòu)建

開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力重分布，其影響范圍為20~30 m[17]。為便于研究，3DEC數(shù)值模型需在建立的GeneralBlock解構(gòu)模型基礎(chǔ)上適量增加尺寸，且數(shù)值模型坐標(biāo)與解構(gòu)模型坐標(biāo)保持一致。結(jié)合巷道實(shí)際長(zhǎng)度、回采步距和影響范圍，最終確定試驗(yàn)區(qū)巷道圍巖模型長(zhǎng)寬高尺寸為110 m×100 m×22 m。

3DEC軟件中默認(rèn)結(jié)構(gòu)面無限大，各類貫穿于整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)面將模型切割為各類不同結(jié)構(gòu)體。但工程實(shí)際中，巖體不僅含有大規(guī)模貫穿性結(jié)構(gòu)面，也發(fā)育有規(guī)模相對(duì)較小的非貫穿性結(jié)構(gòu)面。為準(zhǔn)確確定虛擬裂隙面位置坐標(biāo)，利用GeneralBlock軟件跡線三維顯現(xiàn)功能，采用逐步逼近法確定巷道圍巖結(jié)構(gòu)體模型中裂隙組發(fā)育范圍。虛擬裂隙面位置的具體確定過程為：逐步顯示結(jié)構(gòu)面跡線在垂直于、、3個(gè)坐標(biāo)軸的二維裂隙網(wǎng)絡(luò)顯現(xiàn)圖，使結(jié)構(gòu)面跡線恰好不在二維裂隙網(wǎng)絡(luò)圖上顯示，此時(shí)的、、坐標(biāo)值即為虛擬裂隙面位置坐標(biāo)。

利用3DEC的模型構(gòu)建功能，根據(jù)確定的模型尺寸，構(gòu)建包含調(diào)查結(jié)構(gòu)面及虛擬結(jié)構(gòu)面的試驗(yàn)區(qū)巷道圍巖結(jié)構(gòu)體數(shù)值計(jì)算模型，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)區(qū)3DEC數(shù)值模型

3.2 崩落法回采過程模擬

考慮爆破作用與開挖卸荷作用的共同影響，采用動(dòng)力和靜力結(jié)合的方式，按回采步距分步對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行崩落法回采模擬。在回采過程中，先將爆破震動(dòng)速度時(shí)程曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)程曲線，在回采工作面以簡(jiǎn)諧正弦波的形式施加動(dòng)載荷模擬爆破震動(dòng)作用[18]，然后再進(jìn)行開挖卸荷作用的靜力分析。每步回采依次循環(huán)上述過程，直至完成整個(gè)試驗(yàn)區(qū)的回采模擬。

模擬崩落法回采過程中，在巷道頂板向上0.1 m位置處布設(shè)監(jiān)測(cè)面(即=2.9 m平面)，監(jiān)測(cè)每步回采后巷道頂板受回采作用的方向位移變化情況。

3.3 數(shù)值分析確定危險(xiǎn)區(qū)域

基于回采過程中監(jiān)測(cè)的巷道頂板=2.9 m平面在方向的位移量，參考前人研究成果[19]，以頂板下沉量0.05 m為準(zhǔn)，確立巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域，即巷道頂板下沉量大于0.05 m的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)不同回采步驟的頂板下沉量大于0.1 m區(qū)域的坐標(biāo)范圍，確立巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍。

試驗(yàn)巷道位于巷道圍巖結(jié)構(gòu)體模型的軸方向的0~20 m區(qū)域范圍，崩礦步距為5 m，以邊界=?10 m為起始位置模擬開挖，分5步回采。每步回采結(jié)束后，分析未回采巷道頂板的下沉量。由于第5步回采后，整個(gè)試驗(yàn)區(qū)巷道已被回采完畢，因而，只對(duì)前5步回采結(jié)束后的未回采巷道頂板下沉量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。每步開采結(jié)束后，頂板下沉量如圖6所示。

由圖6可知，第1步回采結(jié)束后，巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)檩S方向2.5~5 m和15~23.6 m范圍；第2步回采結(jié)束后，巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榉较?5~22.9 m范圍；第3步回采結(jié)束后，巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)檩S方向15~22.7 m范圍；第4步回采結(jié)束后，巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)檩S方向15~22.5 m范圍。由于試驗(yàn)區(qū)巷道在軸方向僅20 m，因此，對(duì)巷道頂板在整個(gè)回采過程中的危險(xiǎn)區(qū)域求并集，確立2.5~5 m和15~20 m范圍為巷道頂板的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖6 巷道頂板位移云圖

3.4 巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域顯現(xiàn)

為便于與解構(gòu)法確立的危險(xiǎn)區(qū)域比較，對(duì)數(shù)值模擬法確立的危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)體移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)狀態(tài)，顯現(xiàn)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布形態(tài)及危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍，如圖7所示。

圖7 危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)值模擬結(jié)果

由圖7可知，崩落法回采過程中，試驗(yàn)區(qū)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)量較多，但體積較小，危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的巷道頂板較破碎。

4 解構(gòu)法與數(shù)值模擬法的結(jié)果

4.1 危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍及危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體

對(duì)裂隙巖體崩落法開采巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域解構(gòu)理論確定結(jié)果和數(shù)值模擬方法確定結(jié)果進(jìn)行比較，分析兩種方法確立的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體規(guī)模及危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍。

解構(gòu)法確定出巷道頂板危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布范圍廣、數(shù)量多、體積規(guī)模小，危險(xiǎn)區(qū)域分布在軸方向0~3 m和12~20 m處；數(shù)值模擬法確定出巷道頂板危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布范圍較集中、數(shù)量較多、體積規(guī)模小，危險(xiǎn)區(qū)域分布在軸方向2.5~5 m和15~20 m處。對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較可知，應(yīng)用巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)法確定的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)量與數(shù)值模擬法確立的結(jié)果有所差異，但兩種方法對(duì)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布范圍的分析總體相近，且大部分范圍重合。

利用巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)理論分析崩落法回采過程中結(jié)構(gòu)體可移動(dòng)性時(shí)，僅從矢量角度分析每步回采后位于回采工作面附近結(jié)構(gòu)體的移動(dòng)性變化，不能較好地分析賦存于未回采巷道圍巖的結(jié)構(gòu)體因卸荷和爆破作用影響的移動(dòng)性變化，可能導(dǎo)致回采過程中增加的可移動(dòng)性結(jié)構(gòu)體較少的現(xiàn)象。故該方法確定的危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍較數(shù)值模擬法相比較小。

數(shù)值模擬法確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，以巷道圍巖GeneralBlock模型為基礎(chǔ)，利用3DEC軟件以靜力和動(dòng)力結(jié)合方式模擬崩落法回采，并通過巷道頂板下沉量確立受卸荷與爆破作用影響下的巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域。此外，通過監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)體的移動(dòng)狀態(tài)改變情況，確定危險(xiǎn)性結(jié)構(gòu)體。因而，該方法確定的危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍較廣，危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體數(shù)量較多。

4.2 結(jié)果的差異性

通過現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)巖體總體較為破碎，常出現(xiàn)浮石。采動(dòng)來壓后，在試驗(yàn)區(qū)巷道兩側(cè)易出現(xiàn)規(guī)模較大的集中性掉塊現(xiàn)象，掉落塊體體積大多較小，存在個(gè)別塊度較大的塊體，如圖8所示。將解構(gòu)法、數(shù)值模擬法的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，解構(gòu)法與數(shù)值模擬法均能得到與實(shí)際情況較符合的結(jié)論。

圖8 巷道頂板破壞失穩(wěn)現(xiàn)象

利用巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)理論確定崩落法回采過程中巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，完全采用結(jié)構(gòu)調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)體模型，因而對(duì)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解構(gòu)結(jié)果較準(zhǔn)確。但因未考慮卸荷及爆破作用，導(dǎo)致解構(gòu)出的結(jié)構(gòu)體數(shù)量與分布范圍與真實(shí)情況相比略小，確立的巷道穩(wěn)定性結(jié)果偏高。利用數(shù)值模擬手段確定崩落法回采過程中巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，考慮了卸荷作用和爆破作用影響，使得對(duì)回采過程中頂板下沉狀態(tài)、結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)狀態(tài)的分析比較準(zhǔn)確。但該方法構(gòu)建的3DEC模型采用虛擬裂隙面控制結(jié)構(gòu)面發(fā)育范圍，只控制了結(jié)構(gòu)面在巷道走向方向的發(fā)育范圍，仍會(huì)造成結(jié)構(gòu)面發(fā)育范圍與實(shí)際的差別，導(dǎo)致構(gòu)建的模型內(nèi)結(jié)構(gòu)體數(shù)目過多，致使巷道穩(wěn)定性比真實(shí)穩(wěn)定性略低。故利用數(shù)值模擬法確定的巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)果一般偏大。

因此，兩種確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域的方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，但解構(gòu)結(jié)果可得到危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體可能失穩(wěn)形式和具體賦存位置，因而，解構(gòu)法更具實(shí)用性。

4.3 巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域綜合確定

由于兩種確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域的方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在工程應(yīng)用中，不能單一根據(jù)某一種結(jié)果確立，應(yīng)以解構(gòu)法確立的危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)果為主，以數(shù)值模擬分析結(jié)果為輔，綜合確定巷道頂板的危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍。

假設(shè)用集合1表示巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)法確定的崩落法開采巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域，集合2表示數(shù)值模擬法確定的巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域，如圖9所示。則工程實(shí)際中，集合1和集合2的交集(即集合3)為最易發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)采取安全措施。為確?；夭晒ぷ鞯陌踩行нM(jìn)行，保守起見，可選取1、2集合的并集作為采取安全支護(hù)措施的范圍。

圖9 頂板危險(xiǎn)區(qū)域綜合確定示意圖

5 結(jié)論

1) 利用巖體結(jié)構(gòu)解構(gòu)方法，對(duì)崩落法開采條件下的巷道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步解構(gòu)，對(duì)初步解構(gòu)出的結(jié)構(gòu)體位置及最小固定面積進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合回采工藝分析了回采過程中巷道頂板結(jié)構(gòu)體移動(dòng)性，確立危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體，并根據(jù)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體分布范圍，確定巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域。

2) 利用數(shù)值模擬方法，通過GeneralBlock軟件與3DEC軟件的參數(shù)對(duì)接，構(gòu)建了3DEC巷道圍巖結(jié)構(gòu)體模型，以靜力和動(dòng)力結(jié)合方式模擬了崩落法回采，監(jiān)測(cè)了回采過程中巷道頂板的下沉量，確立了回采過程中巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域。

3) 通過對(duì)兩種方法確立的危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍及危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體結(jié)果的對(duì)比，從本質(zhì)上分析了兩種方法的差異性及優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了以解構(gòu)法為主，以數(shù)值模擬法為輔的巷道頂板危險(xiǎn)區(qū)域綜合確定方法，研究成果能夠有效指導(dǎo)巷道支護(hù)和采礦工藝優(yōu)化。

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(編輯 李艷紅)

Deconstruction method and numerical simulation method of determination of tunnel roof’s dangerous area in caving stoping process

CHEN Qing-fa1, NIU Wen-jing1, ZHENG Wen-shi1, LIU Jun-guang1, LIU Yan-zhong2, YIN Ting-chang1

(1. College of Resources and Metallurgy, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The test area was selected in caving mining area of No. 92 ore body’s fracture ore rock at Tongkeng Minewas. The concrete connotation of the deconstruction method and numerical simulation method of determination of tunnel roof’s dangerous area in caving stoping process were described. The comparative analysis of calculation results and differences between these two methods was carried out. The results show that, firstly, the deconstruction method can accurately deconstruct the possible bulking forms and concrete occurrence positions of dangerous structural bodies. However, the number of dangerous structural bodies and the distribution range of dangerous area established by this method from aspects of vector are slightly smaller than real situation, and the results of roadway stability are slightly higher. Secondly, the numerical simulation method considers the influence of unloading and blasting action, so that it can more accurately analyze the roof subsidence and unstable states of structural bodies in stoping process. Nonetheless, it applies the virtual fracture surface to control the development range of structural planes, resulting in that the number of established dangerous structural bodies is excessive and the roadway stability is slightly lower than engineering practice. Thirdly, the deconstruction method should occupy dominant position, aided by the numerical simulation method, to comprehensively determine the dangerous area of roadway roof in engineering applications.

roadway roof; dangerous area; deconstruction method; numerical simulation method; caving mining method

Project(41402306) supported by Young Foundation of the National Natural Science of China; Project (2014GXNSFDA118034) supported by the Key Projects of Guangxi Province Natural Science Foundation, China; Project(14251011) supported by the Scientific Research & Technological Development Projects of Guangxi Province, China

2016-03-28; Accepted date: 2016-10-07

CHEN Qing-fa; Tel: +86-771-3232274; E-mail: chqf98121@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.05.018

1004-0609(2017)-05-1006-10

TD853

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402306)；廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2014GXNSFDA118034)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科攻14251011)

2016-03-28；

2016-10-07

陳慶發(fā)，教授，博士；電話：0771-3232274；E-mail：chqf98121@163.com