劉 冬 邵安林 金長(zhǎng)宇 王旭剛 荊洪迪 范富泉

（東北大學(xué)智慧礦山研究中心，遼寧沈陽(yáng)110819）

礦區(qū)礦體賦存條件復(fù)雜，礦體下盤圍巖受構(gòu)造和蝕變作用，結(jié)構(gòu)破碎，巖質(zhì)松軟穩(wěn)定性差；且下盤圍巖抗壓強(qiáng)度低、變形大、來壓快，遇水極易破碎、膨脹產(chǎn)生變形破壞。導(dǎo)致該礦山沿脈運(yùn)輸巷道的穩(wěn)定性問題十分突出，巷道施工完畢后不久即產(chǎn)生開裂變形，進(jìn)而產(chǎn)生片幫、冒落和沉降變形，嚴(yán)重影響了礦山的開采和運(yùn)輸［2］。

為改善保國(guó)鐵礦開采過程中的巖體應(yīng)力分布狀況，提高地下工程的穩(wěn)定性，減少支護(hù)工程的投入與維護(hù)費(fèi)用，提升支護(hù)效果，本研究結(jié)合無底柱分段崩落法的地壓活動(dòng)基本特征，針對(duì)保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)+35 m水平礦體回采進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。通過對(duì)不同方案回采過程中礦巖體位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)等指標(biāo)的評(píng)價(jià)，對(duì)下盤沿脈運(yùn)輸巷道軟弱圍巖支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究。本研究成果對(duì)相似礦山無底柱分段崩落法回采過程中的軟巖巷道支護(hù)問題具有一定參考價(jià)值。

1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

在Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）是一個(gè)極其重要的參數(shù)。該指標(biāo)與巖體的結(jié)構(gòu)特性和表面風(fēng)化程度，表面粗糙性等特性密切相關(guān)［3-5］。因此，胡盛明［6］引入巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，通過圖表法對(duì)GSI進(jìn)行量化，提高了GSI參數(shù)的客觀性認(rèn)知。

為保證巖體的結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，本研究應(yīng)用Sirovision攝影測(cè)量系統(tǒng)［7-9］對(duì)礦區(qū)結(jié)構(gòu)面信息情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如圖1所示），利用條數(shù)法對(duì)節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到巖體體積節(jié)理數(shù)Jv等相關(guān)結(jié)構(gòu)面信息。

條數(shù)法是指利用單位測(cè)量面積內(nèi)的節(jié)理?xiàng)l數(shù)乘以修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算得到Jv值。一般是通過測(cè)量大量樣本，取其平均值來計(jì)算：

式中，ni為第i個(gè)單測(cè)量面內(nèi)節(jié)理?xiàng)l數(shù)，N為樣本個(gè)數(shù)，N一般不小于10。

根據(jù)Sirovision系統(tǒng)對(duì)巷道內(nèi)15個(gè)測(cè)量面的結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，得到礦體平均體積節(jié)理數(shù)Jv=3.2，圍巖平均體積節(jié)理數(shù)Jv=5.4。因此選取礦體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI=70，圍巖地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI=30。通過室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則得到礦體和圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

當(dāng)賽季打響，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣突出的古德洛克由于有上賽季的勞森比著，輿論評(píng)價(jià)不高，俱樂部綜合各種因素考慮，決定不換，下這一決心未必錯(cuò)誤，只是對(duì)為什么不換，解釋得不及時(shí)、不透徹。給相當(dāng)一部分球迷造成西王集團(tuán)不愿投入的錯(cuò)覺，是俱樂部失分之舉。

2 軟巖巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)

鐵蛋山礦區(qū)屬于露天轉(zhuǎn)地下礦山，地下部分采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采。開采過程中巷道圍巖變形嚴(yán)重影響了礦山的生產(chǎn)施工。為了掌握巷道圍巖變形規(guī)律，對(duì)回采水平下盤沿脈運(yùn)輸巷道進(jìn)行了詳細(xì)的位移監(jiān)測(cè)工作。

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為了探究運(yùn)輸巷道整體及斷裂帶部分圍巖的變形規(guī)律，在保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)+35 m水平礦體北翼的沿脈運(yùn)輸巷道布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄邊墻及頂板圍巖的變形量。運(yùn)輸巷監(jiān)測(cè)部分長(zhǎng)約120 m，每隔10 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，每隔10 d提取1次位移數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可知，巷道圍巖最大變形量出現(xiàn)在90 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。這是由于斷裂帶的存在，破壞了圍巖的整體性，在應(yīng)力的傳遞與圍巖變形上也出現(xiàn)明顯差別。

3 巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究

為了獲取保國(guó)鐵礦軟巖巷道大變形問題的解決方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的錨噴網(wǎng)支護(hù)下巷道圍巖變形規(guī)律，結(jié)合數(shù)值計(jì)算模擬不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形情況，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

選取+35 m水平三心拱運(yùn)輸巷道建模，使用FLAC3D軟件探究不同支護(hù)條件下巷道圍巖的位移規(guī)律［10］。三心拱巷道寬度4.7 m，墻高2 m，拱高1.57 m，模型尺寸為30 m×120 m×25 m，長(zhǎng)度120 m。模型共剖分172 300個(gè)單元，178 265個(gè)節(jié)點(diǎn)，全部采用六面體單元，如圖3所示。

數(shù)值計(jì)算本構(gòu)模型采取適用于軟巖工程的應(yīng)變軟化本構(gòu)模型。參考表1獲得的圍巖力學(xué)參數(shù)，在應(yīng)力條件達(dá)到屈服極限并進(jìn)行塑性屈服后，塑性變形參數(shù)與巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角的選取參見表2。

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3.2 邊界條件

利用進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演得到模型的邊界條件。根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力特征，采用均勻設(shè)計(jì)方法，將位移邊界條件和重力修正系數(shù)共5個(gè)參數(shù)構(gòu)造30組學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本，另外構(gòu)造5組測(cè)試樣本用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果。

將每組樣本中的位移邊界條件輸入FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)樣本的3個(gè)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力分量值，以此作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入值，將設(shè)定的邊界條件作為輸出值，進(jìn)而建立測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分量和位移邊界條件非線性映射關(guān)系的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。最后，將各測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力分量值輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得到數(shù)值計(jì)算需要的邊界條件，如表3所示。

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3.3 支護(hù)方案與參數(shù)

保國(guó)鐵礦鐵蛋山礦區(qū)圍巖的穩(wěn)定性很差，開挖后必須立即噴射混凝土，如不及時(shí)支護(hù)，冒落現(xiàn)象明顯，其高度可達(dá)6 m。為解決保國(guó)鐵礦軟巖巷道穩(wěn)定性控制的難題，對(duì)5種支護(hù)方案下圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。支護(hù)方案如表4所示。

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主要支護(hù)手段有：噴射混凝土、錨桿、錨網(wǎng)、錨索和底部鋼梁等，如圖4所示。

巷道壁頂拱與邊墻的錨桿采用1 m×1 m梅花型布置，注漿錨桿與錨索的直徑為20 mm。FLAC3D內(nèi)置了計(jì)算模擬所需的錨桿、錨索、襯砌和樁結(jié)構(gòu)單元。錨桿及錨索采用cable錨單元模擬，混凝土噴層采用shell殼單元模擬，底部鋼梁采用pile樁單元模擬［11］。計(jì)算采用的部分參數(shù)見表5、表6和表7。

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3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 巷道圍巖變形分析

不同支護(hù)方案巷道圍巖頂板、邊墻和底板最大位移如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明，距巷道入口90 m處，由于沿脈運(yùn)輸巷道經(jīng)過斷裂帶，此處相對(duì)巷道其他位置產(chǎn)生了較大變形。方案2依據(jù)巷道實(shí)際支護(hù)情況進(jìn)行模擬，計(jì)算所得圍巖變形量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值（圖2）近似，說明數(shù)值模擬采用的參數(shù)、本構(gòu)模型與邊界條件是合理的。

分析不同支護(hù)方案下頂板最大位移量可得，布置錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土起到良好的支護(hù)作用。方案1的錨桿支護(hù)相對(duì)方案2在斷裂帶處的位移峰值增加1.5 mm。方案3在拱腰位置布置了錨索，使頂板最大位移維持在3 mm以內(nèi)，斷裂帶位移峰值相對(duì)方案2減少了32.4%。方案4布置底部錨桿與方案5布置底部鋼梁主要是對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)，對(duì)巷道頂板影響很小，因此2個(gè)方案的位移曲線與方案3重合。計(jì)算結(jié)果表明，錨網(wǎng)噴支護(hù)效果顯著，但斷裂帶處位移峰值較大。在錨網(wǎng)噴支護(hù)的前提下，合理布置錨索可有效減少頂板位移與斷裂帶位移峰值。

分析不同支護(hù)方案下邊墻最大位移量可得，邊墻位移大小受多種支護(hù)條件影響。方案1的錨桿支護(hù)相對(duì)于方案2的錨網(wǎng)噴支護(hù)，邊墻最大位移增加0.6 mm。方案3布置錨索支護(hù)與方案4布置底板的錨桿支護(hù)使邊墻位移較方案2分別減少了13.8%、17.2%。方案5底部鋼梁對(duì)邊墻位移無影響，故其位移曲線與方案4重合。除對(duì)邊墻進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)可明顯減小其變形外，布置錨索與底部錨桿同樣可減小其變形，這說明對(duì)巷道整體進(jìn)行有效的支護(hù)，可增強(qiáng)邊墻巖體的穩(wěn)定性，使其能夠承受更大的應(yīng)力。

不同支護(hù)方案下巷道底板變形有所不同，方案1較方案2底板最大位移增加2.92 mm，這是由于進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)后，巷道圍巖整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，底板雖未直接支護(hù)但最大位移也隨之降低。方案3布置錨索對(duì)底板位移影響很小，其位移分布曲線與方案2重合。方案4與方案5較方案2的底板最大位移分別減少38.1%、47.6%。因此，通過多種方案聯(lián)合支護(hù)，可減少巷道底鼓，維持底板的相對(duì)穩(wěn)定。

3.4.2 巷道圍巖塑性區(qū)分析

FLAC3D中塑性區(qū)代表巖體達(dá)到塑性屈服準(zhǔn)則，產(chǎn)生塑性破壞的部分。通過計(jì)算得到不同支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)體積大小（圖6）與分布范圍（圖7）。受構(gòu)造應(yīng)力與軟巖特性影響，巷道頂板和底板有較大范圍截切破壞形成的塑性區(qū)。

分析不同支護(hù)方案巷道圍巖的塑性區(qū)情況可知，僅靠錨桿支護(hù)不足以有效阻止巷道圍巖破壞，方案2布置錨網(wǎng)與噴射混凝土后，塑性區(qū)范圍與體積大幅減小。方案3布置錨索后，巷道拱肩部分塑性區(qū)已不再貫通，頂拱塑性區(qū)范圍明顯變小，塑性區(qū)體積相對(duì)方案2降低27.1%。方案4布置底部錨桿后，底板塑性區(qū)深度較方案2減少1 m，塑性區(qū)體積減小33.3%。方案5布置底部鋼梁對(duì)巷道整體塑性區(qū)范圍與體積影響較小。

4 結(jié)論

針對(duì)鐵蛋山礦區(qū)下盤沿脈運(yùn)輸巷道變形和破壞嚴(yán)重的問題，本研究采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則獲取巖體力學(xué)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟巖巷道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，通過5種不同支護(hù)方案數(shù)值模擬分析，得出：

（1）軟巖巷道在錨網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，合理布置錨索，可有效降低頂板與邊墻的位移大小，并增加頂板與邊墻圍巖強(qiáng)度，減少塑性破壞。

（2）對(duì)于底鼓現(xiàn)象明顯的軟巖巷道，底部錨桿支護(hù)效果明顯，能夠有效減小底板位移量與塑性區(qū)體積，增強(qiáng)巷道整體圍巖穩(wěn)定性。

（3）斷裂帶附近裂隙水貫通導(dǎo)致的軟巖巷道嚴(yán)重底鼓，需要輔以底板鋼梁增強(qiáng)巷道底板剛性，研究結(jié)果證明該方案可以有效降低局部底鼓變形量。

（4）對(duì)于不同區(qū)段提出不同的支護(hù)方案，能夠針對(duì)性地解決部分區(qū)段軟巖巷道大變形問題，同時(shí)又能兼顧經(jīng)濟(jì)合理性。