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        龍陵縣勐糯鉛鋅礦深部巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

        2022-02-12 13:34:00謝恩彩楊世成李永生
        云南地質(zhì) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)力場(chǎng)中段主應(yīng)力

        謝恩彩 ,楊世成,李永生,張 權(quán)

        (云南永昌鉛鋅股份有限公司,云南 龍陵 678307)

        目前,國(guó)內(nèi)大部分礦山已由淺部、露天開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)到深部開(kāi)采,礦山巷道圍巖的變形破壞也越來(lái)越嚴(yán)重,巷道穩(wěn)定性問(wèn)題以及支護(hù)困難亟待解決。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究[1-9]。針對(duì)單一巖性進(jìn)行相關(guān)巷道圍巖穩(wěn)定性研究較多,對(duì)于深部相同地應(yīng)力環(huán)境下硬巖及軟巖巷道穩(wěn)定性對(duì)比分析較少。本文采用phase2有限元軟件對(duì)龍陵縣勐糯鉛鋅礦山200m中段巷道進(jìn)行數(shù)值模擬,依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,對(duì)比分析結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖巷道無(wú)支護(hù)情況下應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性變形區(qū)等情況,綜合對(duì)比研究該中段巷道穩(wěn)定性及可能出現(xiàn)的破壞模式,為巷道支護(hù)方法優(yōu)化提供參考。

        1 數(shù)值計(jì)算模型

        據(jù)礦山地質(zhì)資料、設(shè)計(jì)資料構(gòu)建礦山200m中段(埋深約800m)主要沿脈巷道數(shù)值計(jì)算模型,巷道尺寸如圖1。采用phase2有限元軟件對(duì)礦山200m中段巷道進(jìn)行數(shù)值模擬。

        根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可知,礦山200m中段三個(gè)主應(yīng)力方向分別為近東西方向、南北方向和垂直方向,礦山主要巷道布設(shè)方向?yàn)榻鼥|西、南北走向,因此對(duì)于礦山巷道的分析滿足平面應(yīng)變假設(shè)前提條件,在模型建立和邊界施加過(guò)程中可按平面應(yīng)變條件處理。依據(jù)圖1建立有限元計(jì)算模型,根據(jù)巷道實(shí)際尺寸取值,圍巖范圍按4倍巷道斷面尺寸圈定,計(jì)算模型如圖2所示。

        本次建立的巷道數(shù)值計(jì)算模型范圍:x方向長(zhǎng)18.9m,y方向長(zhǎng)19.2m,為平面應(yīng)變模型。依據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和巷道埋深,模型兩側(cè)邊界分別施加一定的水平應(yīng)力,上部施加所對(duì)應(yīng)的垂向應(yīng)力,軸向施加相應(yīng)水平應(yīng)力,底部施加固定鉸支約束,使計(jì)算區(qū)域的數(shù)值模擬地應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)測(cè)值吻合。

        2 計(jì)算參數(shù)選取

        本次計(jì)算選用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型,采用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算 。根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則,采用rocklab軟件,輸入巖石基本強(qiáng)度指標(biāo)、巖石類(lèi)型、GSI指標(biāo)(依相關(guān)理論在RMR巖體質(zhì)量分類(lèi)法基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到)等參數(shù),得到結(jié)晶灰?guī)r(硬巖)、千枚巖(軟巖)巖體參數(shù),表1。兩類(lèi)巖體強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算過(guò)程曲線見(jiàn)圖3。

        表1 依據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則法得到的巖體力學(xué)參數(shù)

        圖3 兩類(lèi)巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算過(guò)程曲線

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        3.1 地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

        在地下工程數(shù)值分析時(shí),計(jì)算成功的關(guān)鍵不僅需要準(zhǔn)確的計(jì)算模型,初始地應(yīng)力場(chǎng)也十分關(guān)鍵。數(shù)值模擬的初始地應(yīng)力場(chǎng)是否與實(shí)際地應(yīng)力場(chǎng)吻合,是決定地下工程數(shù)值模擬是否成功的基本條件。一般情況下,隨著埋深的增大,原巖應(yīng)力值的大小也隨之增大。本次基于地應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力隨深度的分布規(guī)律及擬合公式。

        依據(jù)該礦山地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告可知:該礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,東西向?yàn)橹鳂?gòu)造應(yīng)力方向。其中200-24-ZK1鉆孔空間三個(gè)主應(yīng)力大小依次為26.26MPa、21.70MPa和6.28MPa,最大主應(yīng)力σ1方位角為96.48°,近東西向,傾角9.42°,近似水平方向;最小主應(yīng)力σ3方位角為180.36°,近南北向,傾角12.73°,也近似為水平方向;中間主應(yīng)力σ2傾角74.11°,近似為豎直方向,而且σ2基本等于上覆巖土自重應(yīng)力。200-18-ZK1鉆孔空間三個(gè)主應(yīng)力大小依次為30.64MPa、22.44MPa和7.97MPa,最大主應(yīng)力σ1方位角為83.32°,近東西向,傾角17.44°,近似為水平方向;最小主應(yīng)力σ3方位角176.25°,近南北向,傾角9.12°,也近似為水平方向;中間主應(yīng)力σ2傾角為70.23°,近似為豎直方向,而且σ2基本等于上覆巖土自重應(yīng)力。原巖應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 原巖應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

        基于原巖應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,得到地應(yīng)力隨標(biāo)高變化的擬合公式為:

        最大主應(yīng)力擬合公式:σ1=-0.038x+33.32

        (1)

        中間主應(yīng)力擬合公式:σ2=-0.0265x+25.39

        (2)

        最小主應(yīng)力擬合公式:σ3=-0.015x+8.99

        (3)

        式中,x為標(biāo)高值,單位m。

        依據(jù)(1)~(3)式,200m中段巷道模型范圍內(nèi)最大主應(yīng)力σ1為25.38MPa~25.58MPa、最小主應(yīng)力σ3為5.89MPa~6.10MPa、中間主應(yīng)力σ2為19.98MPa~20.18MPa,隨深度增加主應(yīng)力增大,(圖4)。三個(gè)主應(yīng)力方向分別為東西向、南北向和垂直向,如圖5。

        圖4 200m中段巷道圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)

        圖5 初始地應(yīng)力場(chǎng)方向矢量圖Fig 5.Vector of Initial Crustal Stress Field Direction

        數(shù)值模擬結(jié)果及實(shí)測(cè)地應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3??梢?jiàn),數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與應(yīng)力實(shí)測(cè)值吻合較好。

        表3 實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        3.2 巷道穩(wěn)定性分析

        (1)圍巖為結(jié)晶灰?guī)r情況

        巷道開(kāi)挖后,圍巖應(yīng)力見(jiàn)圖6。主要應(yīng)力集中區(qū)位于巷道上部和底部2.8m深處圍巖體,巷道底部邊角及拱頂兩側(cè)出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力43.5MPa。巷道底部、拱頂圍巖及側(cè)幫均有明顯的應(yīng)力釋放,出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),主要分布在拱頂0.6m、側(cè)幫中部0.8m及底部0.75m范圍以?xún)?nèi)。

        圖6 巷道圍巖應(yīng)力

        巷道圍巖變形總體較小,如圖7。最大位移點(diǎn)位于巷道拱頂處,拱頂下沉1.32cm,巷道底鼓不明顯,僅為1.05cm,側(cè)幫中間部位收斂變形1.21cm。巷道圍巖塑性區(qū)在巷道周邊均有分布(見(jiàn)圖8),側(cè)幫圍巖塑性變形范圍在1.0m以?xún)?nèi),底部圍巖塑性變形影響范圍最遠(yuǎn)處為1.4m,拱頂圍巖在拱頂兩側(cè)分布近1.1m范圍的塑性變形區(qū)。

        圖7 巷道圍巖變形

        圖8 巷道圍巖塑性變形區(qū)

        巷道圍巖為結(jié)晶灰?guī)r時(shí),巷道穩(wěn)定性總體良好。礦山200m中段巷道無(wú)支護(hù)時(shí),將在巷道側(cè)幫圍巖1m~2m處產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中,同時(shí)巷道周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力釋放,均不會(huì)發(fā)生大面積垮塌或嚴(yán)重的巷道變形,但要做到及時(shí)的敲幫問(wèn)頂處理浮石。在無(wú)支護(hù)或簡(jiǎn)單支護(hù)條件下即可保障安全,但在巖體裂隙局部發(fā)育地段或斷層揭露處應(yīng)采取及時(shí)的有效支護(hù)措施。

        (2)圍巖為千枚巖情況

        巷道開(kāi)挖后,應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖9,主要應(yīng)力集中區(qū)位于巷道側(cè)幫5m以外深處圍巖體,最大主應(yīng)力48MPa。巷道周邊巖體出現(xiàn)明顯應(yīng)力釋放區(qū),并且應(yīng)力釋放區(qū)影響較遠(yuǎn),巷道圍巖體內(nèi)部4m范圍以?xún)?nèi)分布受拉區(qū)。

        圖9 巷道圍巖應(yīng)力

        巷道圍巖變形總體較大,如圖10所示,最大位移點(diǎn)位于巷道拱頂處,拱頂下沉1.08m,巷道發(fā)生明顯底鼓,達(dá)0.81m,側(cè)幫中間部位收斂變形也較大為1.04m。

        圖10 巷道圍巖變形

        塑性區(qū)變形區(qū)如圖11,該類(lèi)巷道開(kāi)挖后塑性變形影響較遠(yuǎn)。巷道圍巖塑性變形廣泛分布在巷道周邊巖體內(nèi),拉應(yīng)力破壞區(qū)最遠(yuǎn)處可達(dá)8m。

        圖11 巷道圍巖塑性變形區(qū)Fig 11 Plastic Deformation Zone of Tunnel WallRock

        礦山200m中段巷道圍巖為千枚巖時(shí),主要應(yīng)力集中區(qū)廣泛分布于巷道圍巖內(nèi)部約5m以外深處圍巖體,在巷道周邊約4m范圍以?xún)?nèi)出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū),拉應(yīng)力區(qū)主要集中分布在巷道周邊圍巖,遠(yuǎn)端也有分布。巷道產(chǎn)生明顯收斂變形,巷道收斂變形最大處位于拱頂,達(dá)到0.9m~1.4m,底鼓分別達(dá)0.8m左右,側(cè)幫發(fā)生0.8m~1.0m收斂變形。

        塑性變形區(qū)廣泛分布在巷道周邊巖體內(nèi),拉應(yīng)力破壞區(qū)普遍分布在圍巖體4.5m以?xún)?nèi)。因此,該類(lèi)巷道無(wú)支護(hù)時(shí),將發(fā)生大面積垮塌和較嚴(yán)重的巷道收斂變形,若及時(shí)采取支護(hù)措施后可在一定程度上控制巷道變形,由于錨桿無(wú)法貫穿整個(gè)塑性變形區(qū),無(wú)法完全阻止巷道持續(xù)變形,但可控制巷道圍巖體的垮落,后期需要多次對(duì)斷面進(jìn)行修整并重新支護(hù)來(lái)減少?lài)鷰r變形的危害。

        4 結(jié) 論

        本文采用phase2有限元軟件構(gòu)建礦山200m中段巷道數(shù)值計(jì)算模型,采用Hoek-Brown準(zhǔn)則得到巖體力學(xué)參數(shù),對(duì)礦山深部200m巷道進(jìn)行模擬,分析了礦山200m中段不同巖性巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性變形區(qū)等情況。主要結(jié)論如下:

        (1)200m中段巷道圍巖均處于高應(yīng)力地區(qū),巷道開(kāi)挖之后,一方面應(yīng)力重新分布,向臨空面轉(zhuǎn)移,能量得到釋放,造成硐壁圍巖應(yīng)力降低,另一方面應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移,從而形成巷道圍巖深處局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著巷道開(kāi)挖的進(jìn)行,應(yīng)力釋放區(qū)域遍布巷道周邊圍巖,變形破壞集中于應(yīng)力下降明顯的巷道拱頂、側(cè)壁和底板,易產(chǎn)生冒頂、片幫和底鼓破壞。巷道產(chǎn)生指向硐室的彈塑性變形,頂拱位移以垂向向下為主,底板位移以垂向向上為主,側(cè)幫的位移主要為水平或斜向下方的位移。

        (2)礦山巷道走向普遍為南北沿脈方向,與原巖應(yīng)力場(chǎng)中最大主應(yīng)力σ1為近似垂直關(guān)系,對(duì)于巷道穩(wěn)定性是最為不利的情況。若條件允許可盡可能改變巷道走向,可改善巷道圍巖應(yīng)力條件,使巷道更趨于穩(wěn)定,從而節(jié)約支護(hù)成本。

        (3)巷道圍巖為結(jié)晶灰?guī)r,礦山200m中段巷道無(wú)支護(hù)時(shí),不會(huì)發(fā)生大面積垮塌或嚴(yán)重的巷道變形,但要做到及時(shí)的敲幫問(wèn)頂處理浮石。若遇到巖體裂隙局部發(fā)育地段或斷層揭露處可能產(chǎn)生冒頂、片幫等危害,應(yīng)采取及時(shí)的支護(hù)措施。

        (4)巷道圍巖為千枚巖,礦山200m中段巷道無(wú)支護(hù)時(shí),巷道將發(fā)生大面積垮塌和較嚴(yán)重的巷道收斂變形,若及時(shí)采取支護(hù)措施后,可在一定程度上暫時(shí)控制巷道變形,但后期需要多次對(duì)斷面進(jìn)行修整并重新支護(hù)來(lái)減少?lài)鷰r變形的影響。鋼拱架及噴錨支護(hù)可暫時(shí)起到限制巷道變形的作用,但由于巖體流變特性的影響,隨著圍巖的持續(xù)變形支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力積累到一定程度時(shí),將造成現(xiàn)有支護(hù)損壞,巷道會(huì)繼續(xù)發(fā)生一定程度的收斂變形,需要對(duì)斷面進(jìn)行修整及重新支護(hù)。

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