軟巖交叉巷道開挖圍巖穩定性數值模擬分析

李龍福,金愛兵,鄧富根,劉 波

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

軟巖問題一直是世界性難題，特別是隨著開采深度的增加，軟巖問題如兩幫鼓脹擠出、頂沉底鼓、巷道全斷面收縮等越來越嚴重，直接影響到礦山安全生產，危及井下作業人員的人身安全。因此，確定合理的支護方案，顯得尤為重要。但要想有效的進行軟巖巷道的支護，必須根據軟巖巷道所處的工程地質環境，進行圍巖穩定性分析，選擇合理的支護參數，確定最佳支護時間和最佳支護時段[1-3]。

北洺河鐵礦位于武安斷陷盆地西緣，在NNE向的玉泉嶺-礦山村-茶村斷裂帶的西側，區內為次一級的NWW向的褶曲構造所控制，以褶皺為主，斷裂次之，屬接觸交代“矽卡巖型”鐵礦床，礦體埋深為136～679m，采用無底柱分段崩落法開采。自開采以來，該礦就對軟巖巷道的支護問題進行了研究，但是在巷道使用過程中，出現了越來越多的地質災害，如巷道底鼓、片幫、冒頂等，尤其是在聯巷與進路的連接處，圍巖暴露面積大、受力狀態差，是采場中最容易變形破壞的區段，嚴重影響了礦山正常生產的需要。

針對上述實際情況，在相關研究的基礎上[4-8]，以北洺河鐵礦300m采深的采準切割工作中出現的交叉巷道為研究對象，結合現場勘察、室內數值模擬研究、巷道收斂監測反分析等手段，研究交叉巷道在開挖過程中圍巖的應力、位移、塑性區分布特征及規律，為施工設計提供有效的參考依據。

1 模型的建立

模型采用十字型交叉巷道，位于模型中部，分別為巷道a和b，巷道斷面為半圓拱直墻形，寬4m，墻高2m，拱半徑2m，巷道埋深300m。根據圣維南原理及實際經驗，局部開挖僅對距離巷道3～5倍跨度范圍內有影響。因此，模型尺寸為：長×寬×高=30m×30m×27m，共計單元總數為26×112，網格節點總計28×490個，開挖部分以空模型模擬(Null Model)。模型采用位移邊界條件：四周采用滾支撐(ux=0,uy=0)，底部固定(ux=0，uy=0，uz=0)，上部邊界為上覆巖體的自重應力，σzz=-7.9MPa，巖體的水平應力σxx=σyy=0.37σzz。計算時，采用Mohr-Coulomb應變軟化準則[9-10]，計算采用的基本力學參數見表1。由于模型的對稱性，a、b巷道的開挖順序對計算結果不產生影響，將兩條巷道的開挖分3步完成，見表2。

表1 巖體物理力學參數

表2 巷道開挖步數與開挖長度

2 模擬結果分析

2.1 完成第1步巷道a開挖

對巷道a進行開挖不支護模擬，以了解該巷道開挖后，圍巖的二次應力分布情況。

開挖引起兩幫垂直應力的增加和頂底板圍巖垂直應力的降低。其中，頂底板垂直應力從-2MPa逐漸過渡到-8MPa(在FLAC3D中，負號表示壓應力，正號表示拉應力，以下同)，兩幫應力呈對稱分布，其中在兩幫中下部出現應力集中，達到-14.5MPa，并沿巷道徑向逐步過渡到原巖應力狀態。受開挖的影響，應力擾動區約在離幫壁5m范圍之內。最大主應力σ1為-14.73MPa，出現在兩幫靠中下部圍巖中，頂底板的最大主應力σ1為-0.43MPa～-4MPa。巷道開挖造成圍巖最小主應力σ3的降低，在巷道四周為-3.65MPa，并在巷道底部中央出現-0.87MPa的拉應力，須注視該處的支護。剪應力中最大正剪應力為4.094MPa，最大負剪應力為-4.095MPa，最大正負剪應力分別沿右拱角-左邊墻角與左拱角-右邊墻角分布，開挖后將造成兩幫和墻角大面積的剪切破壞，交叉口頂底板的剪應力大小分別為2.0MPa、1.0MPa。在主要位移點中，拱頂垂直位移為-47.6mm，底板向上位移34.9mm，相對收斂值82.5mm，遠超過《采礦設計手冊》[11]規定的相對收斂值36mm的上限，應采取支護手段。由塑性區分布云圖可知，兩幫及墻角處主要受到剪切破壞，頂底板主要受到拉伸破壞，兩幫出現2m范圍塑性區，頂底板的塑性區為巷道周邊1m以內，相比較而言，墻角和拱頂部位的塑性破壞較為嚴重。

2.2 第2步巷道b開挖至交叉口

在掌子面的端部圍巖中出現應力集中，達到-15.7MPa。最大主應力σ1出現在交叉口頂板和底板部位，量值在-14MPa～-16MPa之間。由于巷道b的開挖，在交叉口部位使得受到應力擾動的范圍擴大一倍左右，而且在巷道的四周普遍出現0.5MPa的拉應力，圍巖的受力狀態下降。頂板和底板的垂直位移值增大，分別達到-66.8mm和43.5mm。巷道a受到的正負剪應力分別為4.26MPa、-4.16MPa，剪應力略有增加，在交叉口拱頂與底板的剪應力分別為-3MPa、1.0MPa，與之前相比，頂板剪應力增加。根據塑性區分布云圖，交叉口拱頂塑性狀態有所改變，由受拉變為拉剪共同作用，受力狀態惡化，為提高交叉口巷道的穩定性，應提高支護等級。

2.3 完成巷道b剩余部分的開挖

根據垂直應力云圖，在巷道交叉口應力狀態發生改變，由原先的應力集中變為應力降低區。最大主應力σ1出現在巷道的兩幫，大小為-12MPa～-15MPa，應力集中程度和只開挖巷道a相比略有增加。拱頂處的最大主應力為-2MPa，與先前相似。在最小主應力σ3云圖中，巷道底板和交叉口拱頂處，受到約0.8MPa的拉應力。在剪應力云圖中，巷道a的剪應力進一步增加，最大正負剪應力分別為4.32MPa、-4.27MPa,交叉口拱頂和底板的剪應力分別為-1.0MPa、-2.0MPa，與上一步相比，頂板受剪情況得到改善，底板剪應力增加，這與塑性區分布云圖中顯示的結果相對應，表明由于巷道b的開挖使得巷道a的應力重新分布，其結果是交叉部分應力得到釋放，巷道a、b兩幫應力集中。在主要位移點中，交叉口拱頂部位的最終沉降量為88.5mm，交叉口底部的最終底鼓為53.3mm。

數值模擬結果表明，巷道a開挖完畢后，圍巖在初始地應力場作用下，向開挖臨空面方向移動，產生不均衡變形，改變了應力場的空間分布特征，在一些應力集中區域，會出現圍巖的破壞現象；巷道b開挖后，圍巖應力發生轉移，總體上表現為應力從交叉口處向巷道a、b兩幫轉移，交叉口應力得到釋放。

3 巷道圍巖位移監測與分析

巷道開挖后，由于所處的應力狀態發生改變，打破了開挖前的應力平衡狀態，圍巖會通過變形和應力的調整來達到一個新的平衡。因此，通過關鍵點位移的監測，對模擬結果與實測結果進行比較分析，一方面可以驗證數值模擬的合理性，另一方面也可以定性地了解巷道在開挖后的變形趨勢。圖1與圖2分別為巷道交叉口拱頂沉降監測曲線和模擬曲線。

圖1 巷道交叉口拱頂沉降監測曲線

圖2 巷道交叉口拱頂模擬曲線

根據圖1與圖2可以得出以下結論：①埋深300m處的交叉巷道交叉部位拱頂沉降的模擬結果顯示拱頂沉降最大位移為88mm，與實測最大位移71mm比較接近，從側面反應了數值模擬計算對應力釋放率把握較為接近實際情況；②巷道收斂變形的實際監測曲線與數值模擬曲線變形趨勢一致，變形值也較為接近，由此說明數值模擬對巷道開挖后的二次應力分布模擬與實際情況較為接近，數值模擬結果可以進一步為巷道圍巖穩定性評價和支護設計提供理論依據。

4 結論

采用無底柱分段崩落法開采，具有開采強度大、作業效率高、成本低和生產安全等優點，在金屬礦山迅速得到推廣，特別是在鐵礦山更為廣泛。但在采準切割工作中出現大量交叉巷道，且其應力應變分布復雜。本研究通過FLAC3D有限差分數值模擬計算方法，分析了交叉巷道在開挖前后，圍巖應力、位移和破壞區分布及其變化規律。

1)開挖引起兩幫垂直應力的增加和頂底板圍巖垂直應力的降低，在幫壁中下部位出現應力集中；受開挖的影響，在巷道底板出現較大的拉應力，特別是在軟巖工程中，尤其應當注意；在兩幫及墻角處主要受到剪切破壞，頂板主要受到拉伸破壞；應力擾動范圍約5m，兩幫塑性區約2m,頂底板塑性區約1m。

2)巷道交岔點處應力隨著開挖進程呈現增加趨勢,尤其是當第二條巷道挖到交岔點時,應力的重新分布造成交叉處頂底板出現應力集中,且在幫壁四周普遍出現拉應力，圍巖受力狀態下降，擾動范圍擴大。

3)由于巷道b剩下部分的開挖，應力向交叉口兩邊轉移，結果是交叉口應力得到釋放,巷道a、b兩幫應力集中。

4)隨著巷道開挖不斷推進，巷道位移呈增加趨勢，最大下沉位移和最大底鼓分別發生在交叉口處頂底板中央，在此處應增加支護等級，以維護巷道的穩定并進行實時監測。

5)巷道收斂變形的數值模擬結果和實際監測結果對比分析說明，數值模擬只是一種工程模擬方法，要真正達到設計的信息化和最優，必須輔以現場監控量測來獲得實際施工程中的圍巖力學動態，以調整工程類比法的設計參數和數值模擬的參數取值，才能客觀地反映出地下工程在施工過程中，圍巖應力、位移及塑性區分布等特征。

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