宋多權(quán)陳立達(dá)李學(xué)文簡相洋陳 凱王揮云劉海卿

（1.中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院；3.晉能控股煤業(yè)集團朔州煤電公司）

富蘊蒙庫鐵礦是新疆八鋼可持續(xù)發(fā)展的主要鐵礦石原料基地之一，它的安全穩(wěn)定開采關(guān)系到八鋼鋼鐵生產(chǎn)的穩(wěn)定。該井下開采運用豎井—平硐—斜坡道聯(lián)合開拓，由于礦山井下的地應(yīng)力比較高，在井下斜坡道延伸902～884 m段進(jìn)行開挖的工程中出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，浪費大量人力和成本［1-3］。對巖爆段巷道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值分析，對可能出現(xiàn)的巖爆等工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，保證井下斜坡道延伸段施工的安全性和礦井生產(chǎn)期間的長久穩(wěn)定性。

1 工程概況

本工程為蒙庫鐵礦井下開采生產(chǎn)接續(xù)工程項目，在斜坡道延伸至下一工作面的掘進(jìn)中，出現(xiàn)輕微巖爆、表層巖體剝離脫落現(xiàn)象。目前開挖和支護(hù)同時進(jìn)行，已經(jīng)掘進(jìn)75 m左右，掌子面附近巖爆更為突出，需采取超前防護(hù)措施進(jìn)行控制，預(yù)防突發(fā)異常事件出現(xiàn)。

該區(qū)域圍巖為硬巖，較脆，整體為中—薄層狀結(jié)構(gòu)，巖層傾角近乎直立，層間結(jié)合較差，巖層走向與巷道前進(jìn)方向一致。巖爆段中比較明顯的位置在井下斜坡道延伸902～884 m段X17～X18+34 m處，巖爆維持時間較短，伴隨輕微響聲（吱、吱聲），拱頂表層有離散巖體脫落母巖掉落，無彈射，臺車清撬時可清撬大量散巖，肉眼辨識度差，圍巖結(jié)構(gòu)整體性較差。在X18+34 m～X20處，巖爆特征較為突出，掘進(jìn)爆破后出渣過程輕微顯現(xiàn)，第二天表現(xiàn)突出，主要表現(xiàn)在頂板有連續(xù)間斷聲響，過后伴隨微小巖體輕微彈落及不間斷的小片巖體剝落脫離母巖。掉落巖體多為片狀，厚度為10～20 cm，面積為0.1～1.0 m2。

2 有限元模型的建立

依據(jù)現(xiàn)場巖爆段施工巷道的斷面形狀建立二維數(shù)值模型，通過數(shù)值模型分析巷道圍巖開挖過程中的應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化規(guī)律，最后依據(jù)災(zāi)害段的現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探對巷道穩(wěn)定性做出評價，并對巷道開挖施工中發(fā)生巖爆做出相應(yīng)的補救措施。

2.1 巷道圍巖彈—脆—塑性本構(gòu)模型

在圍巖的巖爆破壞過程中，圍巖的脆性破壞和塑性破壞都屬于巖石材料應(yīng)變軟化行為的一種特殊表現(xiàn)形式。巷道圍巖屈服準(zhǔn)則與塑性勢能方程不僅由應(yīng)力張量σij表達(dá)，其中還包括軟化參數(shù)η，其表達(dá)式為［4-5］

式中，σθ為最大主應(yīng)力，Pa；σr為最小主應(yīng)力，Pa。

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則可表示為

式中，σc為巖石單軸抗壓強度，Pa。

若假設(shè)Mohr-Coulomb常數(shù)中的C、?隨η值線性衰減，則可得到Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化關(guān)系式為

式中，ωp為峰值參數(shù)；ωr為殘余參數(shù)；η*為巖石由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變到殘余階段的臨界軟化參數(shù)值；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的黏聚力C及摩擦角?。即當(dāng)η=0時，巖體處于彈性變形階段，0＜η＜η*時為應(yīng)變軟化階段，η＞η*為殘余階段，其中，巖石的軟化過程則由巖石峰后應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率決定，即巖石的軟化模量M。

塑性參數(shù)η*可由內(nèi)在變量的形式表示，即將塑性參數(shù)η*定義為塑性剪切應(yīng)變，通過最大主塑性應(yīng)變和最小主塑性應(yīng)變的差值獲得，即

式中，γp為塑性剪切應(yīng)變分別為最大、最小塑性應(yīng)變。

本次數(shù)值計算中，圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

?

2.2 建立模型

根據(jù)工程巖爆段巷道圍巖開挖的斷面形狀建立數(shù)值模型，通過有限元模型分析巷道圍巖開挖過程中的應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化規(guī)律，最后依據(jù)災(zāi)害段的現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探對巷道穩(wěn)定性做出評價，并對巷道開挖施工中發(fā)生巖爆做出相應(yīng)的補救措施。

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立數(shù)值模型是對稱結(jié)構(gòu)，取其一半，巖土的彈性模量為200 MPa，泊松比為0.2，巖石的容重為20 kN/m3，巷道上邊界的埋深為16 m，模型尺寸為60 m×60 m，如圖1所示，其中巷道圍巖的斷面尺寸為4.8 m×4.3 m，拱頂半徑為3.32 m。

邊界條件是限定模型兩側(cè)的水平位移和模型底部2個方向的位移，在模型兩側(cè)限定X方向的位移，在模型底部邊界限定X軸和Y軸方向的位移。這些邊界條件從初始分析步中就已經(jīng)激活生效，邊界條件的設(shè)定如圖1所示。

模型建立之后，輸入相對應(yīng)圍巖的材料數(shù)據(jù)，單元形狀選擇四邊形，單元類型選擇CPE4，全局布種，挖去的部分和洞口附近設(shè)置合適的網(wǎng)格密度，總劃分953個網(wǎng)格。

3 有限元模型分析

3.1 圍巖應(yīng)力場分析

通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計算分析，模型的應(yīng)力場結(jié)果如圖2所示。從圖2（a）所示，當(dāng)給井下初始高地應(yīng)力的巖體一個破壞或者擾動，巷道圍巖周圍的應(yīng)力場開始有變化，在開挖工作面出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中。從圖2（b）所示，在整個巷道圍巖工作面開挖剛剛結(jié)束，巷道圍巖的拱頂和側(cè)面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖2（c）所示，隨著巷道圍巖開挖結(jié)束一段時間以后，巷道圍巖周圍主應(yīng)力場也發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)變化，在巷道圍巖周圍3～4 m以內(nèi)再次重新產(chǎn)生應(yīng)力集中。從云圖中可知，新的巷道圍巖周圍主應(yīng)力值已經(jīng)發(fā)生顯著的變化，且其最大主應(yīng)力的方向基本上與巷道圍巖的拱頂和側(cè)面平行或相切。

綜上所述，在井下整個巷道圍巖工作面開挖過程中，巷道圍巖的拱頂和側(cè)面出現(xiàn)應(yīng)力集中，巖石受到擠壓破碎較嚴(yán)重，依據(jù)本工程的地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)做好前期開挖支架支護(hù)和后期掛網(wǎng)+錨固法支護(hù)。

3.2 開挖過程中圍巖應(yīng)變場分析

在蒙庫鐵礦井下巷道圍巖開挖的過程中，應(yīng)力場是相互疊加影響的，為了更好地對巷道圍巖開挖過程中圍巖穩(wěn)定的探討和分析，現(xiàn)在對其開挖過程中動態(tài)變化展開相關(guān)的應(yīng)變場分析。如圖3（a）所示，可以得到所有測點（圖1）位移變形值均為負(fù)數(shù)，說明在開挖的過程中，巷道圍巖上部均處于受壓狀態(tài)，地面各個測點應(yīng)變量從巷道圍巖洞口正上方向兩邊由大到小，在整個模型分析步中，地面各個測點應(yīng)變場呈現(xiàn)規(guī)律性的變動，巷道圍巖正頂?shù)孛嫔系臏y點應(yīng)變值最大，數(shù)值的變化由小到大再變小。如圖3（b）所示，變形最大時刻巷道圍巖上部的路徑-0和路徑-10應(yīng)變值為負(fù)，說明是巷道圍巖洞口正上方處于受拉狀態(tài)，它們的值比較接近，巷道圍巖應(yīng)力場出現(xiàn)重分布。從圖3（c）所示，變形最大時刻巷道圍巖下部的路徑-30和路徑-40應(yīng)變值從巷道圍巖洞口正下方測點向兩邊由正到負(fù)，是巷道圍巖洞口正下方處于受拉狀態(tài)，而兩側(cè)處于受壓狀態(tài)，它們的值比較接近，說明巷道圍巖應(yīng)力場出現(xiàn)重分布，巷道下部的路徑-60應(yīng)變值為零，說明沒有受到影響。

由圖4所示，在巷道圍巖施工過程中，在巷道頂點和右肩分別設(shè)置A、B測點（圖1）。從施工過程中，A、B測點應(yīng)力值均有拐點，頂點A測點應(yīng)力值在352.9 kPa時遠(yuǎn)小于集中應(yīng)力值，拱上巖石擠壓破碎脫落發(fā)生巖爆現(xiàn)象，右肩B測點受到應(yīng)力大于抵抗應(yīng)力，巖石也受到擠壓破碎脫落發(fā)生巖爆現(xiàn)象。從巷道圍巖開挖工程中，A、B測點應(yīng)變值一直增大，A、B測點受到應(yīng)變大于抵抗應(yīng)變，巖石擠壓破碎脫落發(fā)生巖爆現(xiàn)象，A測點應(yīng)變斜率比B測點應(yīng)變斜率大，A測點處的巖石先破碎脫落。

4 結(jié)語

在井下整個巷道開挖過程中，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值大于抵抗應(yīng)力，巖石受到擠壓破碎比較嚴(yán)重，依據(jù)本工程特殊的地質(zhì)構(gòu)造因素，應(yīng)做好前期開挖支架支護(hù)和后期掛網(wǎng)+錨固法支護(hù)。