袁海濤 袁錦鋒 劉 康 魏福海

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

采動巖體片幫、冒頂、垮塌等地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，其變形破壞演化過程是巖體破裂面不斷擴(kuò)展演化漸進(jìn)破壞的復(fù)雜動態(tài)過程，該過程通常歷經(jīng)既有破壞、局部再破壞、貫穿性破壞、碎裂性破壞和運(yùn)動性破壞等幾個階段［1-2］。因研究對象復(fù)雜、學(xué)科交叉多、技術(shù)難度大，巖體破壞原因一直難以界定，主要原因包括爆破震動、地壓過大、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、巖體蝕變、采場參數(shù)不合理等［2-3］。

1 模型建立

以羅河鐵礦地下采場為研究背景，本次數(shù)值模擬計(jì)算-455 m水平硐室爆破開采對周邊圍巖和礦體的影響，模擬研究采場爆破對于巖體質(zhì)量等級的弱化效應(yīng)，在高頻率爆破擾動作用下，分析硐室預(yù)留條柱的次生應(yīng)力場、變形與位移、破壞接近區(qū)和塑性區(qū)等力學(xué)特征，掌握在高頻爆破情況下，巖體應(yīng)力、變形和位移等力學(xué)規(guī)律，為后續(xù)安全開采提供依據(jù)。

根據(jù)羅河鐵礦鑿巖硐室的工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)場踏勘情況，對所建立的模型進(jìn)行了簡化，提高計(jì)算精度，以便得到更準(zhǔn)確的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)等數(shù)據(jù)，為后期安全穩(wěn)定回采提供依據(jù)。考慮邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型取如圖1（a）所示110 m×55 m×50 m（長×寬×高）的立方體輪廓。圖1（b）所示為內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。

在計(jì)算模型中，上邊界考慮上覆巖體自重力作用，施加9.9 MPa壓應(yīng)力外荷載，模型垂直方向應(yīng)力分布如圖2所示。

2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

在硐室圍巖穩(wěn)定性影響效應(yīng)模擬中，依次開采左硐室和右硐室及南北走向巷道，表1為-455 m水平巷道爆破開采工況設(shè)置，每個工況采取先開挖后靜力平衡，再施加爆破動荷載，每次爆破的爆破荷載時程曲線施加到該次爆破區(qū)域周圍的硐壁及掌子面上。

本研究采用比較經(jīng)典的Mohr-Coulomb巖石屈服準(zhǔn)則，巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示，爆破荷載時程曲線如圖3所示。通過對開采方案的模擬計(jì)算，重點(diǎn)分析現(xiàn)場鑿巖硐室預(yù)留條柱大面積破壞現(xiàn)象，根據(jù)礦床賦存特征及采礦方法，選取了16個關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)，分別對開采方案1～16工況過程進(jìn)行模擬監(jiān)控，監(jiān)控點(diǎn)布置參數(shù)如表3所示。模擬結(jié)果視圖參數(shù)設(shè)置如表4。

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3 水平硐室爆破開采擾動效應(yīng)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，針對鑿巖硐室預(yù)留條柱大面積破壞現(xiàn)象，分析開采過程中爆破所產(chǎn)生的沖擊荷載［4］對采場頂板、底板、側(cè)幫的影響，分析條柱巖體鱗片狀脫落的原因，并且針對出現(xiàn)的問題提出相應(yīng)的解決措施和建議。

3.1 次生應(yīng)力場分布特征

由圖4可知，在動載荷條件下，圍巖的拉應(yīng)力達(dá)到了1.69 MPa，對比靜載條件，增幅達(dá)到了39.7%。總體上，在采空區(qū)頂板中部出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且產(chǎn)生拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力位于采空區(qū)頂板和中間條柱處，壓應(yīng)力主要位于兩側(cè)幫礦體處。

由圖5可知，中間條柱及采空區(qū)兩幫礦體上存在著較大的剪應(yīng)力，其最大剪應(yīng)力達(dá)到了12.9 MPa，兩側(cè)幫圍巖和中間條柱可能存在剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)，爆破動荷載對圍巖穩(wěn)定性影響很大，因此必須在這些區(qū)域加強(qiáng)觀測，設(shè)立應(yīng)力位移監(jiān)測點(diǎn)，做好統(tǒng)計(jì)分析準(zhǔn)備，若有必要可以噴漿支護(hù)，以保證后續(xù)生產(chǎn)活動的安全進(jìn)行。

由圖4、圖5比較分析可得，最大拉應(yīng)力增幅較大，這說明爆破所產(chǎn)生的沖擊荷載對于硐室的應(yīng)力分布有很大的影響，增大了硐室圍巖的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中程度，特別是對圍巖的最大拉應(yīng)力有著很大影響，在頂板及條柱位置有著更明顯的體現(xiàn)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致條柱的拉應(yīng)力集中系數(shù)增大。

中間條柱的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力值均在極限范圍以內(nèi)，巖體總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是經(jīng)過反復(fù)沖擊荷載的影響下，在動載條件下中間條柱的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力已經(jīng)比較接近極限破壞值，存在著發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性。

3.2 變形與位移分布特征

在動載作用下，礦體開采后采場周邊礦體及巖體的應(yīng)力釋放、次生應(yīng)力場重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，勢必使得圍巖產(chǎn)生位移。從動載下工況8不同剖面水平位移云圖（圖6～圖7）可知，總體上看，礦體的最大水平位移達(dá)到了43.1 mm（表5），有很大的增長，該條柱的水平位移值已處于極值臨界狀態(tài)，可能出現(xiàn)條柱巖體的破壞，考慮后續(xù)安全生產(chǎn)，必須采取相應(yīng)措施。

在動載荷作用下，硐室頂板圍巖的豎直位移已達(dá)到了19.09 mm，可以看出豎直位移較靜載作用下也有了較大的增長，存在著較大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

就產(chǎn)生的位移來說，可以看出，在條柱中間位置，水平位移和圍巖頂板的最大豎直位移均有著很大程度的增長，所以爆破開采所產(chǎn)生的沖擊荷載對于硐室圍巖的穩(wěn)定性有著很大影響，在沖擊荷載的反復(fù)擾動下，硐室圍巖的位移進(jìn)一步加大。在礦體不斷爆破開采過程中，硐室圍巖特別是條柱位置受到較大的沖擊荷載影響，處在一種比較危險(xiǎn)的狀態(tài)，必須引起重視，并采取相關(guān)措施以保證安全。

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3.3 破壞接近區(qū)分布特征

FAI（破壞接近度）可以用來描述巖土體從進(jìn)入塑性狀態(tài)到最終破壞這一過程中的損傷程度，其值與巖土體的損傷度呈現(xiàn)正相關(guān)，對于了解巖體破壞情況和加固設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)作用［5-6］。

圖8為工況10不同剖面應(yīng)力分布云圖，破壞接近區(qū)主要分布在硐室兩幫礦體、中間條柱、各工況頂板和底板等應(yīng)力集中區(qū)。圖8中4個剖面的破壞區(qū)分布圖均顯示硐室兩幫礦體及中間條柱處的破壞接近度都達(dá)到了1.8以上，快接近巖土體破壞。特別是x=45 m剖面，最大破壞接近度已達(dá)到的1.9 MPa，中間條柱等部位有著非常大的破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 塑性區(qū)分布特征

由圖9所示的塑性區(qū)分布云圖可知，礦體的開采必然引起周邊巖體擾動與破壞，開采過程中巖體受力比較復(fù)雜，其破壞形式有拉伸破壞、剪切破壞和拉伸剪切混合破壞。在后續(xù)不斷的爆破開采中，在硐室兩幫礦體和中間條柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，硐室的頂?shù)装宓乃苄宰冃屋^小，不易發(fā)生冒頂事故，主要在硐室兩幫礦體和中間條柱處塑性變形較大，因此，在開采時中間條柱存在著較大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)場硐室預(yù)留條柱大面積破壞的現(xiàn)象，對-455 m鑿巖硐室條柱爆破影響效應(yīng)進(jìn)行了爆破動力響應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算，分析了爆破所產(chǎn)生的沖擊荷載對采場頂板、底板、側(cè)幫的影響，探討了鑿巖硐室條柱破壞原因。結(jié)果表明：

（1）硐室形成后，硐側(cè)及頂?shù)装寰胁煌潭茸冃?，頂?shù)字醒敕植加猩倭坷瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力1.21 MPa，約為極限承載能力的67%；角隅處為壓剪應(yīng)力分布，并伴有少量塑性區(qū)分布，硐壁巖體穩(wěn)定。

（2）在靜載和動載分別作用下，動載最大拉應(yīng)力相比靜載增幅達(dá)到39.7%。

（3）爆破沖擊荷載反復(fù)擾動，使得中間條柱的巖體不斷損傷弱化，接近發(fā)生破壞的極限狀態(tài)，通過鑿巖硐室條柱在動載荷條件下的次生應(yīng)力、變形、位移、破壞接近區(qū)和塑性區(qū)等特征分析，得到條柱大面積片幫破壞主要是反復(fù)爆破擾動引起的。