高水平應(yīng)力礦巖接觸帶巷道穩(wěn)定性分析

臧冀川

(中國華冶科工集團(tuán)有限公司)

引 言

巷道的穩(wěn)定性是地下礦山安全高效開采的關(guān)鍵。地下礦床賦存條件復(fù)雜多變,巖石和礦層在地下相互交錯(cuò),形成了諸多的礦巖接觸帶。實(shí)踐和研究表明:礦巖接觸帶巷道由于其獨(dú)特的受力方式和破壞特點(diǎn),逐漸成為了制約井下安全掘進(jìn)的熱點(diǎn)問題,同時(shí)也是井下支護(hù)的難點(diǎn)問題[1]。摸清高水平應(yīng)力下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞規(guī)律就顯得尤為重要,這也是開展針對(duì)性支護(hù)工作的前提條件。

近年來,越來越多的學(xué)者開始圍繞礦巖接觸帶巷道的變形失穩(wěn)規(guī)律和高水平應(yīng)力條件下圍巖破壞方式展開研究。劉曉云等[2]通過相似模擬試驗(yàn)分析了尖山林礦區(qū)礦巖接觸帶巷道頂板沉降變形規(guī)律,證明了鄰近巷道的開挖擾動(dòng)會(huì)增大接觸帶兩側(cè)巖體的變形程度。褚衍玉等[3]通過數(shù)值模擬的方法,探究了礦巖接觸帶巷道在不同支護(hù)方案下的變形破壞程度,提出了一種礦巖接觸帶巷道分區(qū)域支護(hù)的方法。魯方[4]從礦巖接觸帶巷道破壞特征入手,對(duì)比多種以錨桿支護(hù)為主支護(hù)方案,并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證了非對(duì)稱支護(hù)方案的安全可靠性。胡盛棟等[5]利用光彈試驗(yàn),驗(yàn)證了剪應(yīng)力分布存在接觸角效應(yīng),并提出了一種穩(wěn)定接觸帶巷道圍巖的新思路。唐禮忠等[6]在冬瓜山銅礦就動(dòng)力擾動(dòng)下的頂板和側(cè)幫2種礦巖接觸帶對(duì)巷道圍巖的應(yīng)力、位移場展開了研究,發(fā)現(xiàn)礦巖接觸帶位于側(cè)幫時(shí)應(yīng)力波傳播衰減明顯比位于頂板時(shí)大。王其虎[7]從礦巖接觸帶發(fā)生的非協(xié)調(diào)變形入手,揭示了礦巖接觸帶失穩(wěn)的主要原因,提出了“X”抗剪支護(hù)方案,取得了良好的應(yīng)用效果。李學(xué)華等[8]認(rèn)為高應(yīng)力條件下的巷道肩角處容易首先發(fā)生破壞,并對(duì)此部位開展了非均勻支護(hù)的現(xiàn)場試驗(yàn),取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。李光等[9]以金川二礦為背景,對(duì)高地應(yīng)力破碎圍巖巷道的破壞特征進(jìn)行了研究,總結(jié)出巷道的變形破壞具有最大主應(yīng)力主導(dǎo)性、大變形和顯著的時(shí)間效應(yīng)特征。李鵬等[10]通過現(xiàn)場調(diào)研試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)高水平應(yīng)力下塑性區(qū)演化規(guī)律進(jìn)行了分析,提出了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力“錨桿-錨索”聯(lián)合錨注支護(hù)技術(shù)。何富連等[11]認(rèn)為礦井深部高偏應(yīng)力的存在會(huì)使常規(guī)錨索支護(hù)難以穩(wěn)定,通過數(shù)值分析總結(jié)得出高水平應(yīng)力巷道的失穩(wěn)機(jī)制,最后提出了針對(duì)性的錨桿錨索和壁后注漿的綜合控制方案。

礦巖接觸帶巷道的變形破壞問題較為突出,目前針對(duì)高水平應(yīng)力狀態(tài)下礦巖接觸帶巷道變形規(guī)律研究較少。本文以杜達(dá)鉛鋅礦100 m中段為研究對(duì)象,利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場變形監(jiān)測的方法對(duì)高水平應(yīng)力狀態(tài)下礦巖接觸帶巷道的穩(wěn)定性和變形破壞方式進(jìn)行分析,得到巷道的變形破壞規(guī)律,為井下支護(hù)工作的開展提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

杜達(dá)鉛鋅礦礦體埋深75～1 000 m,南北長約1 100 m,東西寬約200 m。杜達(dá)鉛鋅礦100 m中段層狀礦體蘊(yùn)含著豐富的鉛鋅資源,也是目前礦山的主采中段,現(xiàn)采用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法[12]開采。礦體受褶皺和斷層影響,巖層礦化在不同層位有明顯差異,地質(zhì)條件較為復(fù)雜。礦體平均傾角50°～80°,其中,位于礦巖接觸帶附近的Zn礦體平均厚度11 m,與其相鄰的巖體為碳質(zhì)泥巖。通過采用RQD法和Q系統(tǒng)法對(duì)杜達(dá)鉛鋅礦主要巖組鉆孔巖芯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可知Zn礦體及其與上下盤圍巖接觸的碳質(zhì)泥巖穩(wěn)定性較差[13]。根據(jù)現(xiàn)場測得的原巖應(yīng)力測試報(bào)告,礦區(qū)的應(yīng)力水平隨開采深度的增加而增加,礦區(qū)存在很高的近東西向水平構(gòu)造應(yīng)力,在此條件下,當(dāng)巷道掘進(jìn)到礦巖接觸帶時(shí)容易發(fā)生冒頂片幫等采動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害?，F(xiàn)場部分礦巖接觸帶巷道失穩(wěn)破壞情況如圖1所示。

圖1 部分礦巖接觸帶巷道失穩(wěn)破壞Fig.1 Failure of some roadways on the ore rock contact zone

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

通過Rhino建立礦巖接觸帶模型,利用系統(tǒng)自帶griddle插件劃分網(wǎng)格,經(jīng)簡單處理后生成有Flac3D軟件對(duì)應(yīng)接口的地質(zhì)模型,最后將模型導(dǎo)入模擬軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過分析礦巖接觸帶巷道形成后礦體、巖體和接觸帶部位的應(yīng)力和位移變化,總結(jié)高水平應(yīng)力下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞規(guī)律。

依據(jù)圣維南原理,創(chuàng)建模型尺寸長、寬、高均為30 m的立方體,礦巖接觸帶傾角為60°,礦巖接觸帶位于模型中央。模型的4個(gè)側(cè)面受水平位移限制,底面受水平位移和豎直位移共同限制,模型頂部荷載視為上覆巖層荷載,容重取27 kN/m3。根據(jù)現(xiàn)場的地應(yīng)力測量結(jié)果,結(jié)合所建立的模型尺寸,地應(yīng)力取值分別為σx=32.17 MPa、σy=10.7 MPa、σz=13.5 MPa。礦(巖)體的本構(gòu)模型為彈塑性模型,同時(shí)把摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則作為巖石破壞判據(jù),將礦體和巖體分別視為均質(zhì)分布的各向同性體,忽略巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面和裂隙的影響。

模擬選取杜達(dá)鉛鋅礦100 m中段41106#采場部分聯(lián)絡(luò)道為試驗(yàn)巷道,巷道斷面呈三心拱,其中巷道高3.1 m,寬3.4 m。巷道與礦體走向垂直,礦巖接觸帶兩端分別為Zn礦體和碳質(zhì)泥巖,均屬Ⅳ級(jí)圍巖,穩(wěn)定性差。礦巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,100 m中段地應(yīng)力測量結(jié)果如表2所示,建立的數(shù)值模型如圖2所示。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters of ore rocks

表2 100 m中段地應(yīng)力測量結(jié)果Table 2 Ground stress measurement results of Level 100 m

圖2 接觸帶巷道數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of roadways on the contact zone

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

利用巷道形成后的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)變化情況可以對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估[14]。本次模擬礦巖接觸帶巷道開挖后并未進(jìn)行任何支護(hù)工作,通過模擬軟件輸出礦巖接觸帶巷道開挖后的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布情況,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析后得出高水平應(yīng)力條件下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞規(guī)律。

沿著巷道軸線方向選取第5 m(礦體側(cè))、15 m(礦巖接觸帶所在位置)、25 m(巖體側(cè))處的巷道作應(yīng)力和位移分布的切片云圖和第15 m處礦巖接觸帶的應(yīng)力和位移分布等值線圖,同時(shí)通過獲取礦巖接觸帶巷道形成后的塑性區(qū)情況來綜合分析巷道形成后礦巖接觸帶巷道的應(yīng)力變化及破壞的范圍和形式。

2.2.1 應(yīng)力場

巷道應(yīng)力分布切片云圖如圖3所示,礦巖接觸帶應(yīng)力分布等值線立面圖如圖4所示,巷道應(yīng)力分布等值線剖面圖如圖5所示。

圖3 巷道應(yīng)力分布切片云圖Fig.3 Slices of roadway stress distribution

圖4 礦巖接觸帶應(yīng)力分布等值線立面圖Fig.4 Elevation of ore rock contract zone stress distribution contours

圖5 巷道應(yīng)力分布等值線剖面圖Fig.5 Section of roadway stress distribution contours

由圖3～5可知:以礦巖接觸帶為界,圍巖應(yīng)力在兩側(cè)呈不對(duì)稱分布。礦巖接觸帶附近應(yīng)力變化較快,存在突變。由于礦巖接觸帶兩側(cè)的巖性差異,應(yīng)力在礦體側(cè)分布明顯大于在巖體側(cè)的分布。

巷道形成后,受圍巖應(yīng)力重新分布的影響,應(yīng)力集中在礦巖接觸帶和礦體側(cè)的頂?shù)装搴蛢蓭吞嶽15]。巷道形成后的最大主應(yīng)力來自水平方向,以壓應(yīng)力為主。巷道在頂?shù)装逄幍膲簯?yīng)力較兩幫處大。礦巖接觸帶巷道頂板最大主應(yīng)力可達(dá)50 MPa,此時(shí)壓應(yīng)力大于頂板處的抗壓強(qiáng)度,礦巖接觸帶的頂板已經(jīng)發(fā)生破壞,隨時(shí)可能發(fā)生失穩(wěn),如不采取得當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施將給采礦生產(chǎn)活動(dòng)帶來極大的安全隱患。失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)不僅分布在礦巖接觸帶上,在礦體側(cè)的巷道受到開采擾動(dòng)和應(yīng)力重新分布的影響,頂板局部荷載將達(dá)到60 MPa,遠(yuǎn)超頂板的自承能力,有可能發(fā)生冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害。同時(shí),巖體側(cè)雖然頂?shù)装遄畲笾鲬?yīng)力約為25 MPa,整體較小,但也會(huì)對(duì)頂?shù)装逶斐梢欢ǖ钠茐摹?/p>

礦巖接觸帶剪切應(yīng)力分布立面圖如圖6所示,巷道剪切應(yīng)力分布立面圖如圖7所示,巷道剪切應(yīng)力分布剖面圖如圖8所示。

圖6 礦巖接觸帶剪切應(yīng)力分布立面圖Fig.6 Elevation of ore rock contact zone shear stress distribution

圖7 巷道剪切應(yīng)力分布立面圖Fig.7 Elevation of roadway shear stress distribution

圖8 巷道剪切應(yīng)力分布剖面圖Fig.8 Section of roadway shear stress distribution

由圖6～8可知:高水平應(yīng)力下巷道形成后在礦巖接觸帶巷道的拱肩和兩幫底角處有剪切應(yīng)力集中。研究表明,礦巖接觸帶附近的剪切應(yīng)力集中分布是巷道失穩(wěn)的主要影響因素[16]。剪切應(yīng)力在巷道中的分布特征如下:

1)剪切應(yīng)力分布存在突變。以礦巖接觸帶為界,剪切應(yīng)力在礦體側(cè)分布較巖體側(cè)大,最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在礦巖接觸帶和礦體交界附近,其值已達(dá)17 MPa,超過了礦體的抗剪強(qiáng)度,礦體側(cè)受剪切破壞。

2)拱肩和兩幫底角處的剪切應(yīng)力較頂?shù)装搴蛢蓭痛蟆?/p>

3)礦巖接觸帶和兩側(cè)礦巖體的剪切應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“X”形對(duì)稱分布。

巷道塑性區(qū)分布如圖9所示。由圖9可知,巷道開挖后塑性區(qū)主要分布在礦巖接觸帶及巖體側(cè)的頂?shù)装寮皟蓭吞?礦巖接觸帶巷道圍巖受剪切破壞。

圖9 巷道塑性區(qū)分布云圖Fig.9 Distribution of plastic zones in the roadways

2.2.2 位移場

巷道豎直位移分布云圖如圖10所示,巷道水平位移分布云圖如圖11所示。

圖10 巷道豎直位移分布云圖Fig.10 Distribution of vertical displacement of roadways

圖11 巷道水平位移分布云圖Fig.11 Distribution of horizontal displacement of roadways

由圖10、圖11可知,高水平應(yīng)力下礦巖接觸帶巷道在形成后的主要變形來源于頂?shù)装濉Ｏ锏绹鷰r在未支護(hù)的條件下,圍巖變形量在礦巖接觸帶兩側(cè)分布并不均勻,圍巖變形規(guī)律如下:

1)圍巖豎直方向的位移在礦巖接觸帶附近發(fā)生突變,而水平方向的位移則在兩幫處呈由小及大的連續(xù)變化,巷道的豎直位移比水平位移變化范圍更大。

2)礦巖接觸帶附近的最大變形來源于底板,最大水平變形位于兩幫的中間處。就整個(gè)巷道而言,頂?shù)装遄冃我笥趦蓭妥冃巍?/p>

3)巷道在巖體側(cè)的變形要大于礦體側(cè)變形,具體表現(xiàn)為在巖體中頂?shù)装宓淖畲笪灰瓶蛇_(dá)12 cm,兩幫最大水平位移在8 cm以上,而在礦體側(cè)頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟课⒑跗湮?。由容許極限位移量判據(jù)可以看出,巖體巷道在頂板存在破壞現(xiàn)象,可能會(huì)發(fā)生大規(guī)?？逅r體巷道的兩幫處存在潛在的穩(wěn)定性問題。

綜上分析,高水平應(yīng)力作用下礦巖接觸帶巷道形成后發(fā)生的破壞以剪切破壞為主,剪切破壞多發(fā)生在拱肩和兩幫底角處。礦巖接觸帶兩側(cè)巷道變形呈現(xiàn)出不對(duì)稱的非協(xié)調(diào)變形,且頂?shù)装遄冃我笥趦蓭妥冃?。剪切破壞在礦巖接觸帶及巖體側(cè)分布較為明顯。

因此,在高水平應(yīng)力的作用下,礦巖接觸帶巷道受力的破壞規(guī)律為:開挖活動(dòng)造成了圍巖應(yīng)力的二次分配,從而使剪切應(yīng)力集中于礦巖接觸帶上,進(jìn)而引起礦巖接觸帶兩側(cè)發(fā)生不對(duì)稱的非協(xié)調(diào)變形,最后造成巖體變形向巷道中部自由面擠壓,巷道產(chǎn)生變形直至破壞。此時(shí)如果不能及時(shí)進(jìn)行支護(hù),將造成頂板塌落、底板底鼓、局部片幫等地質(zhì)災(zāi)害。

3 巷道收斂變形監(jiān)測分析

巷道收斂變形監(jiān)測能夠很好地反映出巷道斷面的整體變化特征。根據(jù)現(xiàn)場觀測資料,可以判定巷道的變形量是否因?yàn)槌鲈试S的安全距離,而對(duì)巷道的正常使用產(chǎn)生一定的干擾。因此,在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上,在現(xiàn)場展開巷道收斂變形監(jiān)測試驗(yàn)。

3.1 監(jiān)測巷道情況

選取Zn礦帶100 m中段41105#、41106#2個(gè)采場聯(lián)絡(luò)道作為試驗(yàn)巷道。兩巷道平行分布,相距50 m,長度為30 m,斷面呈三心拱,拱高3.1 m,巷寬3.4 m。巷道為碳質(zhì)泥巖和礦體相接處巷道,圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)。

3.2 監(jiān)測方法和儀器

采用JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)來確定巷道兩幫的收斂變形和頂?shù)装逡平?。測點(diǎn)分別布設(shè)在2條礦巖接觸帶巷道的接觸帶和距離礦巖接觸帶兩側(cè)各10 m的礦體和巖體中。分別在頂?shù)装搴蛢蓭秃线m位置取點(diǎn)安設(shè)收斂計(jì),以監(jiān)測頂?shù)装搴蛢蓭偷氖諗孔兓＞唧w測點(diǎn)布設(shè)位置如圖12所示。

圖12 巷道收斂變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置Fig.12 Locations of roadway convergence deformation monitoring spots

3.3 監(jiān)測結(jié)果及分析

根據(jù)監(jiān)測方案,累計(jì)進(jìn)行98 d的變形監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 礦巖接觸帶巷道圍巖變化曲線Fig.13 Wall rock variation curves of roadways on the contact zone

圖14 礦巖接觸帶巷道圍巖收斂速率Fig.14 Wall rock variation rate charts of roadways on the contact zone

由圖13可知:隨著監(jiān)測時(shí)間的推移,兩幫收斂值逐步增大,且有放緩趨勢,變化量從大到小依次是巖體、礦巖接觸帶、礦體。41106#采場巖體側(cè)兩幫收斂值最大,為201.44 mm,而41105#采場礦體側(cè)的兩幫收斂最大值僅為巖體側(cè)的17.5 %。41105#采場礦體側(cè)兩幫收斂值最小,為30.56 mm。

從頂?shù)装迨諗恐瞪蟻砜?頂?shù)装遄冃瘟侩S著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,但增長變緩,而且變形在巖體側(cè)表現(xiàn)得更加明顯,礦巖接觸帶變化居中,礦體側(cè)最小。41106#采場巖體側(cè)的頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?13.47 mm。41105#采場礦體側(cè)頂?shù)装遄冃瘟績H為巖體側(cè)的7.17 %。

就同一巷道而言,頂?shù)装遄冃瘟勘葍蓭痛?這也從側(cè)面驗(yàn)證了高水平應(yīng)力下礦巖接觸帶巷道變形主要表現(xiàn)為頂?shù)装宓氖諗孔兓?1106#采場巷道由于受附近采場的采動(dòng)和爆破沖擊波的影響收斂變化要強(qiáng)于41105#采場巷道。在巷道掘進(jìn)完成的前中期,礦巖接觸帶巷道呈現(xiàn)出變形量大且變形速率快的特點(diǎn),后期則變化相對(duì)較為緩慢。

由圖14可知:礦巖接觸帶巷道巖體兩幫收斂速率的最大值均出現(xiàn)在第30天,最大值為3.65 mm/d。礦巖接觸帶和礦體兩幫收斂速率最大值均為第41天,最大值分別為2.05 mm/d、0.55 mm/d。礦巖接觸帶巷道的兩幫收斂速率基本上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,不同地方收斂速率的最大值出現(xiàn)時(shí)間并不相同。兩幫收斂速率由大到小分別是巖體、礦巖接觸帶、礦體。

礦巖接觸帶巷道巖體頂?shù)装迨諗克俾首畲笾稻霈F(xiàn)在第30天,最大值為5.73 mm/d。礦巖接觸帶和礦體頂?shù)装迨諗克俾首畲笾稻鶠榈?1天,最大值分別為1.97 mm/d、0.48 mm/d。礦巖接觸帶巷道的頂?shù)装迨諗克俾驶旧铣尸F(xiàn)出先增大后減小的趨勢,不同地方收斂速率的最大值出現(xiàn)時(shí)間并不相同。頂?shù)装迨諗克俾视纱蟮叫》謩e是巖體、礦巖接觸帶、礦體。

綜上所述,礦巖接觸帶巷道在巖體側(cè)無論在變形量還是變形速率上均比礦巖接觸帶和礦體中大。礦體和礦巖接觸帶發(fā)生最大變形速率的時(shí)間要晚于巖體側(cè)。在不支護(hù)的情況下巷道變形量呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢,巷道有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。巷道的變形速率呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。變形量和變形速率也因?yàn)榈V巖體自身性質(zhì)差異,展現(xiàn)出不同的分布特征。

4 結(jié) 論

1)高水平應(yīng)力下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱非協(xié)調(diào)分布,應(yīng)力和位移以礦巖接觸帶為界會(huì)有明顯的突變現(xiàn)象。巷道在礦巖接觸帶和巖體側(cè)的變形破壞較為嚴(yán)重,且頂?shù)装遄冃纹茐谋葍蓭蛧?yán)重。

2)礦巖接觸帶巷道的破壞形式以剪切破壞為主,剪切破壞主要表現(xiàn)在拱肩和兩幫底角處,因此在支護(hù)方式的選擇上應(yīng)著重考慮這2個(gè)部位的支護(hù)。

3)通過對(duì)礦巖接觸帶巷道的頂?shù)装暹M(jìn)行收斂變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn),礦巖接觸帶巷道在巖體側(cè)的頂?shù)装遄畲笞冃沃悼蛇_(dá)313.47 mm,巖體側(cè)巷道在變形速率上要快于礦巖接觸帶和礦體。巷道兩幫和頂?shù)装宓淖冃坞S著監(jiān)測時(shí)間的推進(jìn)呈現(xiàn)出變形量逐漸增大但變形速率先增后減的趨勢,且?guī)r體側(cè)的變形量和變形速率均大于礦體側(cè)。