夏志遠(yuǎn)，譚卓英，裴青彥，王俊虎

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京科技大學(xué))，北京 100083； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司 銅礦峪礦，山西 運(yùn)城 043706； 4.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)院，山西 運(yùn)城 043700)

自然崩落法是一種大規(guī)模、低成本和高效率的采礦方法，其鑿巖工程量小，生產(chǎn)能力大，是地下采礦方法中唯一能夠與露天采礦相媲美的比較經(jīng)濟(jì)的采礦方法[1-3].自然崩落法是在某一階段礦體底部進(jìn)行拉底，即采用以鑿巖爆破的普通回采工藝采出10 m左右薄層礦體，為上部礦體崩落創(chuàng)造自由空間并使其失去支撐，從而上部礦體在自然應(yīng)力的作用下產(chǎn)生崩落并將破碎的礦石在重力作用下從底部結(jié)構(gòu)放出[4-5].自然崩落法適用于地表允許崩落、礦石價(jià)值不高、礦石節(jié)理裂隙發(fā)育的厚大礦體開(kāi)采中[6].由于自然崩落法可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，解決自然崩落法開(kāi)采的技術(shù)難題并推廣其應(yīng)用具有重要意義.

自然崩落法的底部結(jié)構(gòu)是指拉底水平和出礦水平之間一系列巷道和工程的總稱(chēng)，所有采下的礦石都需經(jīng)過(guò)底部結(jié)構(gòu)由裝運(yùn)設(shè)備運(yùn)出采場(chǎng)[7].底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，是自然崩落法能否成功運(yùn)用的關(guān)鍵因素之一.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自然崩落法底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和地壓顯現(xiàn)相關(guān)理論方法進(jìn)行了研究.Trueman等[8-11]研究了拉底方式、構(gòu)造應(yīng)力、底部結(jié)構(gòu)高度等因素對(duì)自然崩落法底部結(jié)構(gòu)的影響，并提出了控制措施.丁亦敏[12]通過(guò)監(jiān)測(cè)銅礦峪礦在自然崩落法拉底和崩落過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)的受力，分析了自然崩落法開(kāi)采過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化特征；Diering 等[13-16]采用三維有限元數(shù)值模擬的方法研究了自然崩落法開(kāi)采過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并提出了支護(hù)措施；周航[17]采用顆粒流程序PFC2D和壓力拱理論研究了自然崩落法拉底崩落過(guò)程中壓力拱的演化規(guī)律.

在自然崩落法礦山實(shí)際生產(chǎn)中，水平地應(yīng)力比較大的條件下，隨著拉底爆破的推進(jìn)，底部結(jié)構(gòu)地壓災(zāi)害演化會(huì)呈現(xiàn)反復(fù)來(lái)壓的特征，但在以往的研究中并沒(méi)有真正揭示高水平地應(yīng)力下自然崩落法底部結(jié)構(gòu)地壓災(zāi)害的演變特征和機(jī)理.本文以中條山集團(tuán)銅礦峪礦為背景，采用三維有限差分軟件FLAC3D對(duì)深部高水平應(yīng)力下自然崩落法拉底過(guò)程中底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的時(shí)空演化特征和規(guī)律進(jìn)行了分析，并與現(xiàn)場(chǎng)地壓災(zāi)害發(fā)生實(shí)際情況進(jìn)行了對(duì)比，揭示了底部結(jié)構(gòu)地壓災(zāi)害演變的機(jī)理，對(duì)礦山底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維護(hù)具有重要意義.

1 地壓災(zāi)害演變特征

中條山集團(tuán)銅礦峪礦床主要以斑銅礦為主，礦床由百余條礦體組成，其中4#和5#礦體為主采礦體.4#和5#礦體平面上為巨大透鏡狀，沿傾斜為似板狀，傾角40°～60°. 4#礦體平均厚度95 m，最大厚度151 m，5#礦體平均厚度97 m，最大厚度155 m.礦區(qū)內(nèi)主要含礦巖石為變石英晶屑凝灰?guī)r.銅礦峪礦設(shè)計(jì)采用后退式拉底自然崩落法開(kāi)采，底部結(jié)構(gòu)超前于拉底層掘進(jìn)，由于礦體傾角較緩，為了充分回收礦石，減少損失率，充分發(fā)揮自然崩落法的優(yōu)勢(shì)，使礦體更為經(jīng)濟(jì)地回收出來(lái)，在兩個(gè)礦體分別布設(shè)一個(gè)主層和兩個(gè)副層來(lái)回收礦石.

采用應(yīng)力解除法對(duì)原巖應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的地應(yīng)力最大主應(yīng)力位于水平方向，且與礦體走向近乎一致，夾角較小.由于礦體在水平方向呈現(xiàn)條帶狀分布，走向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，傾向長(zhǎng)度較短，為了便于工程開(kāi)拓和多點(diǎn)出礦，出礦穿脈與礦體走向基本垂直布置.由于采用后退式拉底方式，底部結(jié)構(gòu)的掘進(jìn)需要超前于拉底，但隨著拉底爆破的推進(jìn)和采深的增加，底部結(jié)構(gòu)面臨的地壓災(zāi)害日益嚴(yán)重，表現(xiàn)為出礦穿脈和裝礦進(jìn)路收斂變形，甚至垮塌，如圖1、2所示.根據(jù)回顧歷年地壓災(zāi)害區(qū)域的演化過(guò)程，統(tǒng)計(jì)分析地壓顯現(xiàn)區(qū)域(歷年典型破壞位置統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1)，可以發(fā)現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)地壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)以下規(guī)律:1)隨著拉底爆破的進(jìn)行，在推進(jìn)線附近地壓顯現(xiàn)比較明顯，主要表現(xiàn)為出礦穿脈和裝礦進(jìn)路收斂變形，甚至垮塌；2)隨著拉底爆破的推進(jìn)，一些地壓顯現(xiàn)區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)反復(fù)來(lái)壓，拉底推進(jìn)線后方也出現(xiàn)一定比例的地壓破壞，表現(xiàn)為出礦穿脈和裝礦進(jìn)路的反復(fù)破壞，如在礦山實(shí)際生產(chǎn)中拉底推進(jìn)線推進(jìn)到510出礦穿脈附

圖1 出礦穿脈坍塌

圖2 裝礦進(jìn)路鋼拱架壓彎

表1 典型地壓顯現(xiàn)位置統(tǒng)計(jì)

近時(shí)，8～10號(hào)聚礦溝之間的出礦穿脈段在2014年3月份變形嚴(yán)重，在同年7月份對(duì)出礦穿脈進(jìn)行加固支護(hù)，恢復(fù)出礦，在8月份拉底推進(jìn)線前移后，510出礦穿脈8～10號(hào)聚礦溝之間的出礦穿脈段再次發(fā)生破壞；3)隨著拉底爆破推進(jìn)范圍的增大，地壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)加重趨勢(shì).

2 模型構(gòu)建與計(jì)算方法

研究采用三維有限差分軟件FLAC3D構(gòu)建數(shù)值模型，模型范圍取自于自然崩落法礦山實(shí)際開(kāi)采范圍，根據(jù)后退式拉底實(shí)際開(kāi)采順序進(jìn)行開(kāi)挖模擬，然后分析底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際災(zāi)變過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，從而分析底部結(jié)構(gòu)災(zāi)變機(jī)理.

2.1 模型大小

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程布置，建立FLAC3D數(shù)值模型，模型整體如圖3所示，模型內(nèi)部如圖4所示，采場(chǎng)巷道名稱(chēng)如圖5所示，模型走向長(zhǎng)510 m，垂直走向長(zhǎng)310 m，高度310 m，共計(jì)2 773 845個(gè)單元.根據(jù)研究?jī)?nèi)容及建模單元數(shù)量計(jì)算難度限制，出礦水平共布設(shè)8條出礦穿脈，59條出礦進(jìn)路和聚礦溝，出礦水平埋深550 m.聚礦溝長(zhǎng)13 m，高10 m，下寬6.4 m，上寬11 m，出礦穿脈和裝礦進(jìn)路凈斷面為3.8 m×3.2 m(寬×高).

圖3 模型整體結(jié)構(gòu)圖

圖4 模型內(nèi)部拉底和底部結(jié)構(gòu)圖

圖5 采場(chǎng)巷道名稱(chēng)

2.2 強(qiáng)度準(zhǔn)則

本次計(jì)算采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，但其不能有效描述巖體中節(jié)理、裂隙及結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，而Hoek-Brown準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確表征含有大量節(jié)理、裂隙的巖體材料的破壞，故通過(guò)Hoek-Brown準(zhǔn)則換算出與其等效的Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則中的黏聚力和內(nèi)摩擦角，從而使Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則更好地適用于數(shù)值模型中的工程巖體.

最大主應(yīng)力σ1為負(fù)數(shù)時(shí)，σ1的值越小表示壓應(yīng)力越大，最小主應(yīng)力σ3的值為正值時(shí)，σ3越大表示拉應(yīng)力越大.由上述公式可知，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力越大，巖體越易達(dá)到fs<0 的條件，即發(fā)生剪切屈服；最小主應(yīng)力σ3的值越大即拉應(yīng)力越大，巖體越易達(dá)到ft>0的條件，即發(fā)生拉伸屈服.

2.3 力學(xué)參數(shù)、邊界條件與地應(yīng)力施加

在銅礦峪礦進(jìn)行礦巖現(xiàn)場(chǎng)取芯，然后制作成標(biāo)準(zhǔn)巖石試件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試.將測(cè)定的巖石參數(shù)進(jìn)行一定程度的折減弱化，從而得到能用于數(shù)值模擬的工程巖體的參數(shù).模擬需要的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 FLAC3D模擬巖體的物理參數(shù)

數(shù)值模型內(nèi)的垂直應(yīng)力隨深度線性變化，根據(jù)礦體埋藏深度和平均巖體密度(ρ=2 740 kg/m3)，模型上部施加垂直方向應(yīng)力，內(nèi)部施加實(shí)測(cè)地應(yīng)力，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底面限制垂直移動(dòng).模型內(nèi)部施加的實(shí)測(cè)地應(yīng)力是通過(guò)應(yīng)力解除法在測(cè)量區(qū)域未受采礦影響前獲取的，先根據(jù)礦山地質(zhì)條件、開(kāi)采現(xiàn)狀和施工條件選取測(cè)點(diǎn)，然后利用應(yīng)力解除法測(cè)得各個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔壁彈性應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和實(shí)測(cè)的巖石彈性常數(shù)求解巖體應(yīng)力.采用最小二乘法對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值進(jìn)行線性回歸，得出了各個(gè)主應(yīng)力值隨埋深的變化規(guī)律.將礦山實(shí)際所得的地應(yīng)力擬合方程進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，成為本文數(shù)值模型內(nèi)部可以施加的地應(yīng)力方程如下：

σx=22.895 4-0.039 9Z,

σy=11.648 4-0.020 4Z,

σz=14.660 0-0.026 9Z.

2.4 模擬過(guò)程

本文建立的數(shù)值模型的模擬過(guò)程如下：

1)導(dǎo)入模型，施加初始應(yīng)力和邊界條件，形成初始平衡，此時(shí)為礦巖處于原巖應(yīng)力狀態(tài)；

2)底部結(jié)構(gòu)開(kāi)挖，分析底部結(jié)構(gòu)和出礦水平的應(yīng)力狀態(tài)；

3)拉底分3步階梯式推進(jìn)(如圖4所示)，礦山為了便于出礦和拉底的管理，拉底呈階梯型沿礦體對(duì)角線方向水平推進(jìn)，為了便于數(shù)值模擬，將礦山已有拉底空間根據(jù)年推進(jìn)線近似劃分了4個(gè)單元，圖4中每個(gè)顏色代表1個(gè)單元，從右向左依次推進(jìn)，只推進(jìn)3個(gè)單元，第1個(gè)單元近似等于3年的拉底面積，第2、3個(gè)單元分別近似等于1年的拉底面積.分別分析拉底后底部結(jié)構(gòu)和出礦水平的應(yīng)力狀態(tài).

3 結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 底部結(jié)構(gòu)開(kāi)挖后應(yīng)力狀態(tài)

出礦穿脈、聚礦溝和裝礦進(jìn)路開(kāi)挖后，即形成底部結(jié)構(gòu)，此時(shí)出礦水平周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖6(a)、圖6(b)所示，聚礦溝周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖6(c)、圖6(d)所示，所有云圖中紅色表示高應(yīng)力區(qū).

圖6 底部結(jié)構(gòu)開(kāi)挖后模型應(yīng)力云圖

Fig.6 Stress contour of the model after extraction level excavations formation

出礦水平和聚礦溝周?chē)钚≈鲬?yīng)力云圖中最大值為正值，所以以拉應(yīng)力為主，主要集中出礦穿脈和裝礦進(jìn)路的交叉口位置，最大應(yīng)力值大小為1.58 MPa，由于礦區(qū)內(nèi)的凝灰?guī)r脆性很高延展性很差，而且含有節(jié)理的巖體的抗拉強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)小于巖石試件的抗拉強(qiáng)度，由于巷道開(kāi)挖后，其周?chē)膸r體完整性降低，所以抗拉強(qiáng)度會(huì)降低很多.由Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則可知，ft=σ3-σt>0時(shí)，巖體會(huì)發(fā)生拉伸屈服，因此隨著拉應(yīng)力升高會(huì)逐漸達(dá)到拉伸破壞條件，故交叉口位置也易發(fā)生拉破壞.

綜上所述，在底部結(jié)構(gòu)形成后，應(yīng)力集中位置主要在出礦穿脈和裝礦進(jìn)路交叉口位置，應(yīng)加強(qiáng)交叉口位置的巷道支護(hù)，但對(duì)于底部結(jié)構(gòu)整體而言并沒(méi)有大范圍處于應(yīng)力集中區(qū)，所以底部結(jié)構(gòu)初步形成后整體穩(wěn)定性不受影響.

3.1.2 第1步拉底推進(jìn)后應(yīng)力狀態(tài)

底部結(jié)構(gòu)上方拉底層進(jìn)行第1步推進(jìn)后，推進(jìn)面積為18 000 m2，形成桃型礦柱，此時(shí)出礦水平周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖7(a)、圖7(b)所示，桃型礦柱周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖7(c)、圖7 (d)所示.

圖7 第1步拉底后模型應(yīng)力云圖

第1步拉底推進(jìn)后，底部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)為壓應(yīng)力，主要集中在拉底推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力大小為52.8 MPa，尤其是推進(jìn)線前方的裝礦進(jìn)路和出礦穿脈的周?chē)鷳?yīng)力值較高.由壓力拱理論可知，這是由于壓力拱在推進(jìn)線前方的應(yīng)力集中造成的.拉底推進(jìn)后，位于拉底層下方的底部結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力比最初底部結(jié)構(gòu)形成時(shí)明顯減小，也驗(yàn)證了壓力拱理論，開(kāi)挖后巖體壓力會(huì)向空間四周轉(zhuǎn)移.初次拉底后底部結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力相比最初底部結(jié)構(gòu)形成時(shí)增大37.5%，由Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則可知，隨著壓應(yīng)力的增加推進(jìn)線前方的底部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生剪切破壞.

拉底推進(jìn)后，底部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)為拉應(yīng)力，主要集中部位為拉底層下方出礦穿脈和桃型礦柱周?chē)?，最大值達(dá)到4.94 MPa，位于拉底層下方高應(yīng)力集中區(qū)域范圍也有明顯擴(kuò)大，未拉底前拉應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)主要集中在出礦穿脈和裝礦進(jìn)路交叉口位置，拉底推進(jìn)后，位于拉底層下方的桃型礦柱和出礦穿脈兩幫都處于拉應(yīng)力的高應(yīng)力集中區(qū)，底部結(jié)構(gòu)大范圍處于受拉的狀態(tài).第1步拉底推進(jìn)后拉應(yīng)力值比最初底部結(jié)構(gòu)施工后明顯增大，增加了2倍，由Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則可知，隨著拉應(yīng)力的增加拉底空間下方的底部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生拉伸破壞.這主要是礦區(qū)水平主應(yīng)力較高造成的，開(kāi)挖空間受到高水平主應(yīng)力的擠壓，從而產(chǎn)生較高的拉應(yīng)力.

3.1.3 第2步拉底推進(jìn)后應(yīng)力狀態(tài)

底部結(jié)構(gòu)上方拉底層第2步推進(jìn)面積為7 650 m2，兩步推進(jìn)面積達(dá)到25 650 m2，此時(shí)出礦水平周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖8(a)、圖8(b)所示，桃型礦柱周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖8(c)、圖8(d)所示.

第2步拉底推進(jìn)后，底部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)依然為壓應(yīng)力，拉底推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力大小增加到57.3 MPa，比初次拉底推進(jìn)時(shí)增加8.5%.由壓力拱理論可知，隨著壓力拱跨度的增大，壓力拱需要承擔(dān)的上覆巖層的質(zhì)量增加，所以壓力拱范圍內(nèi)應(yīng)力增加.第2步拉底推進(jìn)后，原來(lái)處于推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)壓應(yīng)力得到釋放，變?yōu)? MPa，也驗(yàn)證了壓力拱理論，開(kāi)挖后巖體壓力會(huì)向空間四周轉(zhuǎn)移.

第2步拉底推進(jìn)后，底部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)依然為拉應(yīng)力，高應(yīng)力區(qū)依然在拉底層下方出礦穿脈和桃型礦柱周?chē)?，最大拉?yīng)力值達(dá)到5.6 MPa，比第1步拉底后的拉應(yīng)力值增加20%.原來(lái)在推進(jìn)線前方處于壓應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)的底部結(jié)構(gòu)在拉底推進(jìn)后位于拉應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)范圍，此時(shí)底部結(jié)構(gòu)由受壓的狀態(tài)變?yōu)槭芾臓顟B(tài).由Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則可知，在拉底推進(jìn)線前方的底部結(jié)構(gòu)易發(fā)生剪切破壞，隨著拉底的推進(jìn)，此處底部結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了壓應(yīng)力釋放到拉應(yīng)力集中的階段，逐漸轉(zhuǎn)為拉伸破壞，這就是高水平應(yīng)力下自然崩落法底部結(jié)構(gòu)在同一位置反復(fù)來(lái)壓的原因.

圖8 第2步拉底后模型應(yīng)力云圖

Fig.8 Stress contour of the model after the second step undercutting

3.1.4 第3步拉底推進(jìn)后應(yīng)力狀態(tài)

底部結(jié)構(gòu)上方拉底層第3步推進(jìn)面積為4 500 m2，3步推進(jìn)面積達(dá)到30 150 m2，此時(shí)出礦水平周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖9(a)、圖9(b)所示，桃型礦柱周?chē)畲笾鲬?yīng)力和最小主應(yīng)力云圖分別如圖9(c)、圖9(d)所示.

第3步拉底推進(jìn)后，底部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)最大主應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)依然為壓應(yīng)力，拉底推進(jìn)線前方底部拉底推進(jìn)時(shí)增加5.4%.第3步拉底推進(jìn)后，原來(lái)處于第2步推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)壓應(yīng)力得到釋放，變?yōu)? MPa.

第3步拉底推進(jìn)后，底部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)最小主應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)依然為拉應(yīng)力，高應(yīng)力區(qū)依然在拉底層下方出礦穿脈和桃型礦柱周?chē)畲罄瓚?yīng)力值達(dá)到5.74 MPa，比第2步拉底后的拉應(yīng)力值增加2.5%，拉應(yīng)力增加幅度變小.原來(lái)在第2步推進(jìn)線前方處

圖9 第3步拉底后模型應(yīng)力云圖

于壓應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)范圍內(nèi)的底部結(jié)構(gòu)在拉底推進(jìn)后位于拉應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)范圍，底部結(jié)構(gòu)由受壓的狀態(tài)變?yōu)槭芾臓顟B(tài).

3.2 應(yīng)力演化規(guī)律分析

在數(shù)值仿真模擬過(guò)程中布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)每一步開(kāi)挖后的應(yīng)力狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)同一位置(第1步拉底推進(jìn)線前方出礦穿脈和裝礦進(jìn)路交叉口位置，X=179，Y=103.1，Z=1)在拉底前后的應(yīng)力變化規(guī)律如圖10所示，圖中第0步為形成底部結(jié)構(gòu)未拉底時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，第1步為初次拉底推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于拉底推進(jìn)線前方，經(jīng)過(guò)第2、3步拉底后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于拉底層下方的底部結(jié)構(gòu).

從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，在第1步拉底推進(jìn)后，推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力值由拉底前的33.4 MPa迅速增加到51.1 MPa，符號(hào)為負(fù)，此時(shí)推進(jìn)線前方的底部結(jié)構(gòu)處于壓應(yīng)力集中的區(qū)域，經(jīng)過(guò)第2步拉底后，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置底部結(jié)構(gòu)位于拉底層下方，此時(shí)壓應(yīng)力迅速降低到7.6 MPa，而最小主應(yīng)力變成正值，增加到5.34 MPa，處于受拉的狀態(tài)，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置底部結(jié)構(gòu)處于拉應(yīng)力集中區(qū)域.

圖10 拉底前后底部結(jié)構(gòu)同一位置應(yīng)力變化規(guī)律

Fig.10 Stress variation law of extraction level excavations at the same position before and after undercutting

推進(jìn)線前方底部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力最大值隨拉底面積的增加的變化規(guī)律如圖11所示.拉底面積為0時(shí)，表示形成底部結(jié)構(gòu)未拉底時(shí)應(yīng)力狀態(tài).從圖11中可發(fā)現(xiàn)隨拉底面積的不斷增加，推進(jìn)線前方的最大主應(yīng)力值不斷增加，壓應(yīng)力集中程度逐漸明顯.

底部結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力最大值隨拉底面積的增加的變化規(guī)律如圖12所示.拉底面積為0時(shí)，表示形成底部結(jié)構(gòu)未拉底時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力集中的高應(yīng)力區(qū)位于拉底層下方的底部結(jié)構(gòu).從圖12中可以發(fā)現(xiàn)隨著拉底面積的不斷增加，推進(jìn)線后方的最小主應(yīng)力值不斷增加，拉應(yīng)力集中程度逐漸明顯.

圖11 最大主應(yīng)力隨拉底面積的增加的變化規(guī)律

Fig.11 Variation law of maximum principal stress with the increase of undercut area

圖12 最小主應(yīng)力隨拉底面積的增加的變化規(guī)律

Fig.12 Variation law of minimum principal stress with the increase of undercut area

4 地壓災(zāi)害演化機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)歷史地壓顯現(xiàn)次數(shù)和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)530中段底部結(jié)構(gòu)地壓顯現(xiàn)發(fā)生在拉底推進(jìn)線附近的次數(shù)有5次，影響面積達(dá)4 300 m2，發(fā)生在拉底推進(jìn)線后方的重復(fù)地壓顯現(xiàn)有3次，影響面積達(dá)2 500 m2.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的地壓顯現(xiàn)規(guī)律與數(shù)值模擬研究得出的地壓演化規(guī)律一致.

5 結(jié) 論

1)隨著拉底爆破的推進(jìn)，推進(jìn)線前方的底部結(jié)構(gòu)逐漸產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，而且隨著拉底面積增加，壓應(yīng)力集中程度更加明顯，當(dāng)推進(jìn)線前方的底部結(jié)構(gòu)所受的壓應(yīng)力逐漸增大達(dá)到巖體剪切破壞條件時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)地壓破壞現(xiàn)象.拉底推進(jìn)過(guò)后，拉底空間下方的底部結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)力集中得到釋放.

2)位于拉底層下方的底部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)拉應(yīng)力集中，隨著拉底面積增加，拉應(yīng)力集中程度更加明顯，當(dāng)?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)力不斷增加達(dá)到巖體拉伸破壞條件時(shí)，就會(huì)再次出現(xiàn)地壓破壞現(xiàn)象.

3)在高水平應(yīng)力下，自然崩落法底部結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)“先受壓，后受拉”應(yīng)力規(guī)律，隨著拉底面積的增加，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力集中程度越來(lái)越明顯，在實(shí)際生產(chǎn)中呈現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)反復(fù)來(lái)壓的現(xiàn)象.