劉煥新，朱明德，吳欽正，張曉勇

(1.山東黃金礦業(yè)科技有限公司深井開采實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 萊州 261400；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)資源開采向深部不斷延伸，地應(yīng)力越來越高，開挖擾動(dòng)后的圍巖體處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，圍巖的變形、冒頂、片幫現(xiàn)象日益增多，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全帶來極大威脅。因此，針對(duì)深部高應(yīng)力環(huán)境下巷道裂隙圍巖穩(wěn)定性問題的研究十分重要[1-2]。

本文通過對(duì)三山島深部巷道圍巖裂隙產(chǎn)狀進(jìn)行測(cè)量與統(tǒng)計(jì)分析，以離散網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)獲取等效巖體力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D軟件建立完整中段巷道模型，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行應(yīng)力、變形特征分析，并依據(jù)巷道圍巖應(yīng)力、變形、破壞特征建立巷道應(yīng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[3-4]，為巷道支護(hù)方案優(yōu)化及開采設(shè)計(jì)提供有效的科學(xué)參考。

1 等效巖體力學(xué)參數(shù)

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體局部暴露或開挖導(dǎo)致暴露區(qū)進(jìn)行裂隙產(chǎn)狀測(cè)量并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)裂隙產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)，得到與現(xiàn)實(shí)中節(jié)理裂隙分布具有同等概率分布特征的模型，并進(jìn)一步對(duì)三維空間區(qū)域大小進(jìn)行確定。以三山島金礦深部巷道圍巖為分析對(duì)象，生成三維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型(DFN)[5-6]。 將DFN模型嵌入完整巖石塊體模型進(jìn)行切割，從而得到與實(shí)際巖體內(nèi)部具有同等或接近的裂隙概率分布特征的離散塊體模型，本文通過構(gòu)建5 m×5 m×5 m的巖石塊體，將DFN節(jié)理裂隙模型導(dǎo)入巖石塊體，裂隙巖體重構(gòu)的方法如圖1所示。

圖1 裂隙巖體重構(gòu)模型

分別建立尺寸為1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m、3 m×3 m×3 m、4 m×4 m×4 m、5 m×5 m×5 m、6 m×6 m×6 m的正方體裂隙巖體模型，將每組模型分別進(jìn)行三組試驗(yàn)，分別對(duì)X軸方向、Y軸方向、Z軸方向進(jìn)行單軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)，獲取不同尺寸模型X、Y、Z方向彈性模量、峰值強(qiáng)度隨尺寸的變化規(guī)律，如圖2和圖3所示。

圖2 彈性模量隨尺寸變化規(guī)律

圖3 單軸壓縮強(qiáng)度隨尺寸變化規(guī)律

分析節(jié)理巖體的峰值強(qiáng)度與彈性模量隨模型尺寸的變化曲線，峰值強(qiáng)度與彈性模量表現(xiàn)出隨著模型大小增大而遞減的規(guī)律，當(dāng)模型尺寸達(dá)到一定值，峰值強(qiáng)度與彈模趨于穩(wěn)定，裂隙巖體力學(xué)屬性近似均質(zhì)，根據(jù)DFN模型計(jì)算結(jié)果，取邊長(zhǎng)為6 m的模型力學(xué)參數(shù)作為等效巖體參數(shù)，見表1。

表1 等效巖體力學(xué)參數(shù)

2 深部巷道圍巖穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)

2.1 裂隙圍巖穩(wěn)定性分析

為方便分析-870 m水平巷道整體的穩(wěn)定性，本文擬采用整體建模的方法，構(gòu)建三維立體巷道模型。由于FLAC3D軟件前處理功能較弱，模型不易建立，本文主要通過三維建模軟件Rhinoceros建立巷道三維幾何模型。所采用建模命令主要包括：平面拉伸、掃略、放樣、聯(lián)集與移動(dòng)等方法。建模的主要步驟：先確定巷道兩端坐標(biāo)點(diǎn)，確定巷道具體位置，建立巷道線框;然后將線框進(jìn)行放樣、拉伸、掃掠等操作得到巷道實(shí)體模型，將巷道模型通過布爾運(yùn)算中的聯(lián)集計(jì)算方法將各條巷道進(jìn)行合并，依據(jù)三山島金礦西山分礦CAD平面圖紙，形成該水平巷道整體模型并導(dǎo)入FLAC3D軟件形成-870 m水平巷道數(shù)值模型，數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 FLAC3D數(shù)值模型

數(shù)值計(jì)算模型邊界條件根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量而定：基于已測(cè)得的地應(yīng)力分布情況，對(duì)各個(gè)水平地應(yīng)力值進(jìn)行直線擬合，地應(yīng)力變化梯度即為直線的斜率，根據(jù)前期地應(yīng)力測(cè)量水平由淺到深，可根據(jù)該直線方程式計(jì)算分析-870 m水平地應(yīng)力分布特征，得到該水平最大、最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力，根據(jù)方位、傾角等因素進(jìn)行換算可以得到數(shù)值模型邊界條件。計(jì)算所得地應(yīng)力：最大水平主應(yīng)力40.11 MPa，最小水平主應(yīng)力21.52 MPa，垂直應(yīng)力25 MPa。

為了分析巷道圍巖應(yīng)力分布情況，分別從最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力兩個(gè)方面對(duì)模型應(yīng)力分布進(jìn)行分析。根據(jù)最小主應(yīng)力分布情況可以判斷張拉應(yīng)力分布情況，當(dāng)某位置最小主應(yīng)力值為正值時(shí)，該位置可能發(fā)生張拉破壞。根據(jù)最大剪應(yīng)力分布情況可以判斷最易發(fā)生剪切破壞的位置。

最小主應(yīng)力云圖切片俯視圖如圖5所示。最小主應(yīng)力值>0的位置主要集中在釆聯(lián)與脈外運(yùn)輸巷交叉位置與巷道底板位置，其中斜聯(lián)巷與脈外運(yùn)輸巷交叉位置最小主應(yīng)力最為集中，應(yīng)當(dāng)注意這些位置較易發(fā)生片幫。

張拉單元分布情況如圖6所示。張拉單元共計(jì)801個(gè)，出現(xiàn)張拉應(yīng)力的部位主要分布在斜聯(lián)巷道與運(yùn)輸巷交叉位置、水倉位置以及脈外運(yùn)輸巷拐角處。值得注意的是，一般裂隙接觸面抗拉強(qiáng)度較低，這些位置容易由于張拉應(yīng)力的存在而使得原生裂隙發(fā)生二次張拉破壞。

最大剪應(yīng)力云圖如圖7所示。根據(jù)頂板最大剪應(yīng)力云圖分布顯示，最大剪應(yīng)力主要于斜聯(lián)巷道與巷道拐角處較為集中，其中拐角處最大剪應(yīng)力達(dá)到27 MPa。在剪應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面易發(fā)生滑移，導(dǎo)致圍巖破壞。

圖5 最小主應(yīng)力圖

圖6 張拉應(yīng)力單元分布圖

圖7 最大剪應(yīng)力圖

2.2 危險(xiǎn)部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警

在三山島金礦-870 m水平應(yīng)力集中區(qū)域布設(shè)采動(dòng)應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)圍巖隨開采擾動(dòng)的應(yīng)力變化情況。測(cè)點(diǎn)布置集中在斜聯(lián)巷、采聯(lián)巷端部及巷道交叉處，如圖8所示。A區(qū)圍巖應(yīng)力在監(jiān)測(cè)前期保持穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)進(jìn)行至65 d時(shí)發(fā)生突變，圍巖應(yīng)力大幅度變化表明該處巖體發(fā)生較大變形，該處圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)附近斜聯(lián)巷頂板在2 d后發(fā)生冒落；B區(qū)圍巖應(yīng)力在監(jiān)測(cè)進(jìn)行至38 d時(shí)應(yīng)力開始上升，并在60 d時(shí)產(chǎn)生突降，周圍巖體發(fā)生破裂，水倉連接巷隨即發(fā)生了較大規(guī)模的頂板塌落。兩次巖體破碎災(zāi)害的成功預(yù)測(cè)為礦山設(shè)備、人員安全提供了可靠的保障。

圖8 監(jiān)測(cè)區(qū)應(yīng)力變化規(guī)律

3 結(jié) 論

1) 根據(jù)裂隙巖體重構(gòu)模型，對(duì)尺寸為1～6 m的巖體模型進(jìn)行單軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)，分別分析了裂隙巖體彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度等方面隨尺寸變化而變化的規(guī)律，得到了表征單元體最小尺寸為6 m。采用摩爾庫倫理論，獲得等效巖體力學(xué)參數(shù)。

2) 巷道圍巖拉應(yīng)力位置主要分布于斜聯(lián)巷與主運(yùn)巷交叉位置、主運(yùn)巷與釆聯(lián)巷交叉位置與水倉位置等，張拉應(yīng)力最大為0.6 MPa，張拉應(yīng)力的存在容易導(dǎo)致原生節(jié)理裂隙再次張拉破壞，從而誘發(fā)裂隙圍巖二次破壞。最大剪應(yīng)力主要分布于斜連巷道、主運(yùn)巷拐彎處以及東西走向巷道，其最大值可達(dá)30 MPa，由于剪應(yīng)力的存在，塊體之間的接觸面易發(fā)生剪切滑移從而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

3) 巷道圍巖單元發(fā)生塑性破壞的位置主要集中在主運(yùn)巷與釆聯(lián)巷交叉位置、斜聯(lián)巷、主運(yùn)巷拐彎處與水倉等位置，破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，水倉局部產(chǎn)生張拉破壞。

4) 根據(jù)數(shù)值模擬獲得的應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域分布特點(diǎn)，針對(duì)性布設(shè)圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)并成功預(yù)警兩次位于斜聯(lián)巷和水倉連接巷的頂板塌落事故，為礦山設(shè)備、人員安全提供了可靠的保障。