高水平應力礦巖接觸帶巷道穩定性分析

臧冀川

(中國華冶科工集團有限公司)

引 言

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

近年來,越來越多的學者開始圍繞礦巖接觸帶巷道的變形失穩規律和高水平應力條件下圍巖破壞方式展開研究。劉曉云等[2]通過相似模擬試驗分析了尖山林礦區礦巖接觸帶巷道頂板沉降變形規律,證明了鄰近巷道的開挖擾動會增大接觸帶兩側巖體的變形程度。褚衍玉等[3]通過數值模擬的方法,探究了礦巖接觸帶巷道在不同支護方案下的變形破壞程度,提出了一種礦巖接觸帶巷道分區域支護的方法。魯方[4]從礦巖接觸帶巷道破壞特征入手,對比多種以錨桿支護為主支護方案,并通過現場監測驗證了非對稱支護方案的安全可靠性。胡盛棟等[5]利用光彈試驗,驗證了剪應力分布存在接觸角效應,并提出了一種穩定接觸帶巷道圍巖的新思路。唐禮忠等[6]在冬瓜山銅礦就動力擾動下的頂板和側幫2種礦巖接觸帶對巷道圍巖的應力、位移場展開了研究,發現礦巖接觸帶位于側幫時應力波傳播衰減明顯比位于頂板時大。王其虎[7]從礦巖接觸帶發生的非協調變形入手,揭示了礦巖接觸帶失穩的主要原因,提出了“X”抗剪支護方案,取得了良好的應用效果。李學華等[8]認為高應力條件下的巷道肩角處容易首先發生破壞,并對此部位開展了非均勻支護的現場試驗,取得了良好的技術經濟效益。李光等[9]以金川二礦為背景,對高地應力破碎圍巖巷道的破壞特征進行了研究,總結出巷道的變形破壞具有最大主應力主導性、大變形和顯著的時間效應特征。李鵬等[10]通過現場調研試驗和數值模擬的方法對高水平應力下塑性區演化規律進行了分析,提出了高強預應力“錨桿-錨索”聯合錨注支護技術。何富連等[11]認為礦井深部高偏應力的存在會使常規錨索支護難以穩定,通過數值分析總結得出高水平應力巷道的失穩機制,最后提出了針對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,目前針對高水平應力狀態下礦巖接觸帶巷道變形規律研究較少。本文以杜達鉛鋅礦100 m中段為研究對象,利用數值模擬和現場變形監測的方法對高水平應力狀態下礦巖接觸帶巷道的穩定性和變形破壞方式進行分析,得到巷道的變形破壞規律,為井下支護工作的開展提供理論基礎。

1 工程概況

杜達鉛鋅礦礦體埋深75～1 000 m,南北長約1 100 m,東西寬約200 m。杜達鉛鋅礦100 m中段層狀礦體蘊含著豐富的鉛鋅資源,也是目前礦山的主采中段,現采用上向水平分層進路充填采礦法[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,地質條件較為復雜。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泥巖。通過采用RQD法和Q系統法對杜達鉛鋅礦主要巖組鉆孔巖芯進行統計分析,可知Zn礦體及其與上下盤圍巖接觸的碳質泥巖穩定性較差[13]。根據現場測得的原巖應力測試報告,礦區的應力水平隨開采深度的增加而增加,礦區存在很高的近東西向水平構造應力,在此條件下,當巷道掘進到礦巖接觸帶時容易發生冒頂片幫等采動地質災害?，F場部分礦巖接觸帶巷道失穩破壞情況如圖1所示。

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

2 數值模擬

2.1 模型建立

通過Rhino建立礦巖接觸帶模型,利用系統自帶griddle插件劃分網格,經簡單處理后生成有Flac3D軟件對應接口的地質模型,最后將模型導入模擬軟件中進行數據分析。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力和位移變化,總結高水平應力下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞規律。

依據圣維南原理,創建模型尺寸長、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個側面受水平位移限制,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。根據現場的地應力測量結果,結合所建立的模型尺寸,地應力取值分別為σx=32.17 MPa、σy=10.7 MPa、σz=13.5 MPa。礦(巖)體的本構模型為彈塑性模型,同時把摩爾-庫侖強度準則作為巖石破壞判據,將礦體和巖體分別視為均質分布的各向同性體,忽略巖體內結構面和裂隙的影響。

模擬選取杜達鉛鋅礦100 m中段41106#采場部分聯絡道為試驗巷道,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礦體和碳質泥巖,均屬Ⅳ級圍巖,穩定性差。礦巖物理力學參數如表1所示,100 m中段地應力測量結果如表2所示,建立的數值模型如圖2所示。

表1 礦巖物理力學參數Table 1 Physical mechanics parameters of ore rocks

表2 100 m中段地應力測量結果Table 2 Ground stress measurement results of Level 100 m

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

2.2 計算結果及分析

利用巷道形成后的應力、位移和塑性區變化情況可以對巷道圍巖穩定性進行評估[14]。本次模擬礦巖接觸帶巷道開挖后并未進行任何支護工作,通過模擬軟件輸出礦巖接觸帶巷道開挖后的應力、位移、塑性區分布情況,對數據進行總結分析后得出高水平應力條件下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞規律。

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

2.2.1 應力場

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

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

圖4 礦巖接觸帶應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,圍巖應力在兩側呈不對稱分布。礦巖接觸帶附近應力變化較快,存在突變。由于礦巖接觸帶兩側的巖性差異,應力在礦體側分布明顯大于在巖體側的分布。

巷道形成后,受圍巖應力重新分布的影響,應力集中在礦巖接觸帶和礦體側的頂底板和兩幫處[15]。巷道形成后的最大主應力來自水平方向,以壓應力為主。巷道在頂底板處的壓應力較兩幫處大。礦巖接觸帶巷道頂板最大主應力可達50 MPa,此時壓應力大于頂板處的抗壓強度,礦巖接觸帶的頂板已經發生破壞,隨時可能發生失穩,如不采取得當的支護措施將給采礦生產活動帶來極大的安全隱患。失穩風險不僅分布在礦巖接觸帶上,在礦體側的巷道受到開采擾動和應力重新分布的影響,頂板局部荷載將達到60 MPa,遠超頂板的自承能力,有可能發生冒頂等地質災害。同時,巖體側雖然頂底板最大主應力約為25 MPa,整體較小,但也會對頂底板造成一定的破壞。

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

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

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

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

由圖6～8可知:高水平應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力集中。研究表明,礦巖接觸帶附近的剪切應力集中分布是巷道失穩的主要影響因素[16]。剪切應力在巷道中的分布特征如下:

1)剪切應力分布存在突變。以礦巖接觸帶為界,剪切應力在礦體側分布較巖體側大,最大剪切應力出現在礦巖接觸帶和礦體交界附近,其值已達17 MPa,超過了礦體的抗剪強度,礦體側受剪切破壞。

2)拱肩和兩幫底角處的剪切應力較頂底板和兩幫大。

3)礦巖接觸帶和兩側礦巖體的剪切應力分布呈現出“X”形對稱分布。

巷道塑性區分布如圖9所示。由圖9可知,巷道開挖后塑性區主要分布在礦巖接觸帶及巖體側的頂底板及兩幫處,礦巖接觸帶巷道圍巖受剪切破壞。

圖9 巷道塑性區分布云圖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,高水平應力下礦巖接觸帶巷道在形成后的主要變形來源于頂底板。巷道圍巖在未支護的條件下,圍巖變形量在礦巖接觸帶兩側分布并不均勻,圍巖變形規律如下:

1)圍巖豎直方向的位移在礦巖接觸帶附近發生突變,而水平方向的位移則在兩幫處呈由小及大的連續變化,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。就整個巷道而言,頂底板變形要大于兩幫變形。

3)巷道在巖體側的變形要大于礦體側變形,具體表現為在巖體中頂底板的最大位移可達12 cm,兩幫最大水平位移在8 cm以上,而在礦體側頂底板和兩幫變形量微乎其微。由容許極限位移量判據可以看出,巖體巷道在頂板存在破壞現象,可能會發生大規?？逅?。巖體巷道的兩幫處存在潛在的穩定性問題。

綜上分析,高水平應力作用下礦巖接觸帶巷道形成后發生的破壞以剪切破壞為主,剪切破壞多發生在拱肩和兩幫底角處。礦巖接觸帶兩側巷道變形呈現出不對稱的非協調變形,且頂底板變形要大于兩幫變形。剪切破壞在礦巖接觸帶及巖體側分布較為明顯。

因此,在高水平應力的作用下,礦巖接觸帶巷道受力的破壞規律為:開挖活動造成了圍巖應力的二次分配,從而使剪切應力集中于礦巖接觸帶上,進而引起礦巖接觸帶兩側發生不對稱的非協調變形,最后造成巖體變形向巷道中部自由面擠壓,巷道產生變形直至破壞。此時如果不能及時進行支護,將造成頂板塌落、底板底鼓、局部片幫等地質災害。

3 巷道收斂變形監測分析

巷道收斂變形監測能夠很好地反映出巷道斷面的整體變化特征。根據現場觀測資料,可以判定巷道的變形量是否因為超出允許的安全距離,而對巷道的正常使用產生一定的干擾。因此,在數值模擬分析的基礎上,在現場展開巷道收斂變形監測試驗。

3.1 監測巷道情況

選取Zn礦帶100 m中段41105#、41106#2個采場聯絡道作為試驗巷道。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。巷道為碳質泥巖和礦體相接處巷道,圍巖等級Ⅳ級。

3.2 監測方法和儀器

采用JSS30A型數顯收斂計來確定巷道兩幫的收斂變形和頂底板移近量。測點分別布設在2條礦巖接觸帶巷道的接觸帶和距離礦巖接觸帶兩側各10 m的礦體和巖體中。分別在頂底板和兩幫合適位置取點安設收斂計,以監測頂底板和兩幫的收斂變化。具體測點布設位置如圖12所示。

圖12 巷道收斂變形監測點布設位置Fig.12 Locations of roadway convergence deformation monitoring spots

3.3 監測結果及分析

根據監測方案,累計進行98 d的變形監測,監測結果如圖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:隨著監測時間的推移,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#采場巖體側兩幫收斂值最大,為201.44 mm,而41105#采場礦體側的兩幫收斂最大值僅為巖體側的17.5 %。41105#采場礦體側兩幫收斂值最小,為30.56 mm。

從頂底板收斂值上來看,頂底板變形量隨著時間的推移呈現出逐漸增大的趨勢,但增長變緩,而且變形在巖體側表現得更加明顯,礦巖接觸帶變化居中,礦體側最小。41106#采場巖體側的頂底板變形量最大為313.47 mm。41105#采場礦體側頂底板變形量僅為巖體側的7.17 %。

就同一巷道而言,頂底板變形量比兩幫大,這也從側面驗證了高水平應力下礦巖接觸帶巷道變形主要表現為頂底板的收斂變化。41106#采場巷道由于受附近采場的采動和爆破沖擊波的影響收斂變化要強于41105#采場巷道。在巷道掘進完成的前中期,礦巖接觸帶巷道呈現出變形量大且變形速率快的特點,后期則變化相對較為緩慢。

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出先增大后減小的趨勢,不同地方收斂速率的最大值出現時間并不相同。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底板收斂速率最大值均出現在第30天,最大值為5.73 mm/d。礦巖接觸帶和礦體頂底板收斂速率最大值均為第41天,最大值分別為1.97 mm/d、0.48 mm/d。礦巖接觸帶巷道的頂底板收斂速率基本上呈現出先增大后減小的趨勢,不同地方收斂速率的最大值出現時間并不相同。頂底板收斂速率由大到小分別是巖體、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生最大變形速率的時間要晚于巖體側。在不支護的情況下巷道變形量呈現出逐步增大的趨勢,巷道有失穩的風險。巷道的變形速率呈現出先增后減的變化趨勢。變形量和變形速率也因為礦巖體自身性質差異,展現出不同的分布特征。

4 結 論

1)高水平應力下礦巖接觸帶巷道的變形和破壞呈現出明顯的不對稱非協調分布,應力和位移以礦巖接觸帶為界會有明顯的突變現象。巷道在礦巖接觸帶和巖體側的變形破壞較為嚴重,且頂底板變形破壞比兩幫嚴重。

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

3)通過對礦巖接觸帶巷道的頂底板進行收斂變形監測發現,礦巖接觸帶巷道在巖體側的頂底板最大變形值可達313.47 mm,巖體側巷道在變形速率上要快于礦巖接觸帶和礦體。巷道兩幫和頂底板的變形隨著監測時間的推進呈現出變形量逐漸增大但變形速率先增后減的趨勢,且巖體側的變形量和變形速率均大于礦體側。