杜 鑫，劉錦州

(山東黃金集團(tuán)玲瓏金礦，山東 招遠(yuǎn) 265419)

1 前言

山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司位于山東省招遠(yuǎn)市境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬山東省招遠(yuǎn)市玲瓏鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)位于招遠(yuǎn)市城北20km。東風(fēng)礦區(qū)是玲瓏金礦4大礦區(qū)之一，主礦脈171號(hào)脈位于玲瓏金礦田的東南部。玲瓏金礦需要進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，各礦區(qū)的礦石生產(chǎn)效率急需提高。如何提高巷道掘進(jìn)的效率并保證掘進(jìn)工作的安全推進(jìn)是玲瓏金礦決策能否實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)目前玲瓏礦區(qū)采用分次爆破造成巷道掘進(jìn)耗時(shí)長(zhǎng)、炮孔數(shù)量過(guò)多、效率低及安全隱患多等問(wèn)題，開(kāi)展安全、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)挖方案研究和提高巷道掘進(jìn)施工效率是亟需解決的問(wèn)題。

對(duì)于井巷掘進(jìn)分次開(kāi)挖施工的缺點(diǎn)，不少學(xué)者[1～3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整設(shè)計(jì)與施工方案，成功應(yīng)用全斷面一次爆破技術(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，都取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。但相關(guān)數(shù)值計(jì)算研究較少，周傳波等[4]采用LS- DYNA三維非線性動(dòng)力有限元程序?qū)?jiān)硬巖石條件下深孔一次爆破成井的九孔、雙孔菱形、單螺旋和雙螺旋4種掏槽方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究，確定了單螺旋掏槽方式的優(yōu)化模型。張志雨等[5]采用FLAC3D以巖石破裂的臨界震動(dòng)速度為判據(jù)，研究掘進(jìn)爆破對(duì)巷道圍巖的影響。孫歆碩等[6]針對(duì)玲瓏金礦255m主運(yùn)巷道塌陷的問(wèn)題，采用拱橋法錨注加固技術(shù)并應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地得到該方法對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、位移和狀態(tài)的影響。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文擬采用FLAC3D分別對(duì)玲瓏金礦巷道掘進(jìn)分次開(kāi)挖及全斷面一次開(kāi)挖進(jìn)行模擬研究，以開(kāi)挖后圍巖的塑性區(qū)、水平位移、垂直位移、水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力等為評(píng)判依據(jù)，分析兩種巷道開(kāi)挖方案對(duì)圍巖的損傷情況和開(kāi)挖效果。

2 巷道掘進(jìn)設(shè)計(jì)

巷道掘進(jìn)中掏槽爆破效果一定程度上影響著全斷面的爆破效果和炮孔利用率[7]。玲瓏金礦分次爆破采用直眼掏槽孔形式，在掏槽孔處環(huán)向均布6個(gè)空孔以增強(qiáng)掏槽爆破效果。合理的炮孔深度有助于提高掘進(jìn)速度，根據(jù)玲瓏金礦實(shí)際情況，本次爆破炮孔深度取2.3m，循環(huán)進(jìn)尺1.8m。其炮孔布置如圖1所示。

圖1 分次開(kāi)挖炮孔布置圖(單位：mm)

在分次爆破設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，減少炮孔數(shù)量和優(yōu)化布孔設(shè)計(jì)，掏槽空孔由6個(gè)減少到3個(gè)，簡(jiǎn)化施工步驟和減少總裝藥量。優(yōu)化后的全斷面一次爆破方案共包括3個(gè)掏槽眼，4個(gè)擴(kuò)槽眼，10個(gè)崩落孔，6個(gè)周邊孔，炮孔數(shù)合計(jì)27個(gè)，相比分次開(kāi)挖的31個(gè)孔更少，炮孔布置如圖2所示。

圖2 全斷面一次開(kāi)挖炮孔布置圖(單位：mm)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

(1)根據(jù)玲瓏金礦分次爆破設(shè)計(jì)要求，開(kāi)挖巷道斷面為直墻拱形，斷面尺寸為2.1m×2.2m，為減小模型邊界范圍對(duì)模擬結(jié)果造成的影響(一般為巷道直徑3～5倍范圍)，同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能力[8]，將模擬范圍設(shè)定為長(zhǎng)×寬×高=20m×20m×20m的區(qū)域，共生成155 250個(gè)單元和164 799個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型下表面施加全位移約束，四周施加法向方向約束。分次開(kāi)挖數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 分次開(kāi)挖數(shù)值模型

(2)通過(guò)優(yōu)化炮孔布置和鉆孔數(shù)量，簡(jiǎn)化施工步驟，采用全斷面一次開(kāi)挖施工工藝，數(shù)值模型大小與分次開(kāi)挖模型相同，并施加相同的邊界條件，共生成156 630個(gè)單元和166 129個(gè)節(jié)點(diǎn)。全斷面一次開(kāi)挖數(shù)值模型如圖4所示。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

采用FLAC3D對(duì)玲瓏金礦巷道開(kāi)挖進(jìn)行模擬，分次開(kāi)挖模擬過(guò)程分為兩個(gè)步驟，先開(kāi)挖下部巷道，待圍巖應(yīng)力趨于平衡后，再開(kāi)挖預(yù)留頂。而全斷面一次開(kāi)挖則是一次性開(kāi)挖巷道斷面，這樣不僅簡(jiǎn)化了施工步驟，同時(shí)減少了對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)。針對(duì)這兩種開(kāi)挖方案，主要研究開(kāi)挖巷道圍巖塑性區(qū)、水平位移云圖、垂直位移云圖、水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力的變化規(guī)律，并在巷道拱頂、拱底、邊墻、底板設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3、4、5和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6、7、8、9分別為拱頂、拱底、邊墻、底板的垂直位移和水平位移)，如圖5～圖11所示。

圖4 全斷面一次開(kāi)挖數(shù)值模型

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

從塑性區(qū)上看，巷道圍巖破壞形式主要為剪切破壞，且主要集中在巷道拱頂和底板位置。分次開(kāi)挖過(guò)程中，第一次開(kāi)挖塑性區(qū)分布不明顯，經(jīng)過(guò)第二次開(kāi)挖后，比全斷面一次開(kāi)挖的塑性區(qū)范圍略大，但區(qū)別不明顯。對(duì)水平位移云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，最大水平位移發(fā)生在巷道邊墻處，分次開(kāi)挖第一步開(kāi)挖后的水平位移最大值為4.294cm，第二步開(kāi)挖后的水平位移值達(dá)到5.411 6cm，與全斷面開(kāi)挖后的位移結(jié)果差不多。而采用全斷面一次開(kāi)挖后的拱頂垂直位移為2.690 9cm，比分次開(kāi)挖的2.542 9cm稍大。通過(guò)對(duì)比水平應(yīng)力值和垂直應(yīng)力值的大小，可知，采用全斷面一次開(kāi)挖后的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力與分次開(kāi)挖的應(yīng)力值基本相同。

圖5 開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)

圖6 開(kāi)挖后圍巖水平位移云圖

圖7 開(kāi)挖后圍巖垂直位移云圖

圖8 開(kāi)挖后圍巖水平應(yīng)力云圖

圖9 開(kāi)挖后圍巖垂直應(yīng)力云圖

圖10 拱頂、拱底、邊墻、底板水平位移監(jiān)測(cè)圖

圖11 拱頂、拱底、邊墻、底板垂直位移監(jiān)測(cè)圖

對(duì)巷道拱頂、拱底、邊墻、底板4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)曲線圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，巷道拱頂和邊墻的水平位移受開(kāi)挖方案影響較大，且分次開(kāi)挖會(huì)使巷道在拱底處的圍巖水平位移產(chǎn)生一個(gè)突變。在垂直位移方面，拱底、邊墻、底板的位移趨勢(shì)比較一致，但是分次開(kāi)挖的拱頂位移呈現(xiàn)一個(gè)“先上后下”的趨勢(shì)，但兩種開(kāi)挖方案的沉降量差別不大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述結(jié)果的對(duì)比分析，總體來(lái)說(shuō)，玲瓏金礦全斷面一次開(kāi)挖方案對(duì)巷道圍巖的損傷更小。該方案不僅簡(jiǎn)化了施工步驟，提高了施工效率，而且可以減少多次開(kāi)挖對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)破壞，更有利于維持圍巖穩(wěn)定性和減少支護(hù)成本。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果分析，驗(yàn)證了玲瓏金礦全斷面一次開(kāi)挖方法的可行性和優(yōu)越性。