基于有限差分法的排水巷道開挖穩定性研究

王曉鋒

江西都昌金鼎鎢鉬礦業有限公司 江西 九江 332600

正文：

1 引言

目前的巷道近接開挖的過程都不同程度上出現了塌方、巖爆、滲水等問題，存在較大的施工風險，因此應對巷道近接開挖要進行圍巖的應力和應變進行計算分析，進行對近接開挖圍巖穩定性進行深入研究。FLAC是美國ITSKA公司利用有限差分原理的連續介質數值計算軟件，內部是一種顯式計算方法，其內置了12種巖土本構模型，它們包括：空模型；三個彈性模型；八個塑性模型。

本文采用數值模擬方法，對巷道近接開挖圍巖穩定性進行分析，重點研究了巷道近接開挖過程中圍巖應力、位移的變化。

2 數值模擬計算方案

某采礦廠水文地質復雜，地下水系發育，設計一共采用開挖5條導流巷道進行導流排水，右岸布置3#、4#、5#三條導流巷道，采場導流巷道采用“左2右3、、4大1小、4低1高”的布置格局。右岸3、4#導流巷道上游部分洞段裂隙發育，巖體為破碎因民組薄－極薄層大理巖化白云巖，巖層走向與洞軸線之間夾角較小，3、4#導流巷道在不同的洞段開挖過程中的斷面尺寸不同，本文研究區域在樁號1+563～1+647階段中，這階段的巷道開挖的斷面尺寸為27.2*19.9（m），5號導流巷道在該研究區域的樁號當中的開挖斷面尺寸為18.6m*14.8（m）。3、4#導流巷道分五層開挖，5#分兩層開挖，首先建立3、4#導流巷道采用同時分層開挖，5#導流巷道一層分別與3#、4#導流洞一層同時開挖，5#二層跟3#、4#導流巷道三層同時開挖，對現場施工進行數值模擬，印證數值模擬計算結果的與現場破壞是否相吻合，從而確定數值模擬計算的正確性。圖1為3、4#導流巷道分層開挖支護斷面圖。采用有限差分法，對3、4#導流巷道以及5#巷道施工動態反演分析，對開挖過程的位移、應力區進行分析。

3 圍巖穩定性分析

圖2分層開挖位移云圖。前期開挖后在拱頂處的位移最大，約為200mm，因此在開挖過程中需要采取噴錨支護才能繼續施工；隨著開挖的進行位移最大值位置發生變化，在3、4#導流巷道右側拱肩和左側拱墻位移值最大，并且最大值達到了800mm，所以在四層、五層開挖時進行支護打錨桿需要更長，灌漿壓力更大，錨桿排距更小，進行支護材料花費更高，由此可知層狀巖體巷道開挖圍巖存在滑移破壞和擠壓破壞的趨勢。

圖2 分層開挖位移云圖

圖3分層開挖最大主應力云圖。在開挖過程中，拱頂處的應力反而不是最大，應力集中區域較小，應力數值大約為2-4MPa，較其余部位小；在經過兩層開挖后，在兩側拱肩處應力集中區域較大，應力數值為20MPa左右，開挖結束后應力集中區域反而變小，應力數值也變小，所以應該在一層開挖和二層開挖采取針對性的措施在保證安全要求前提再繼續施工。

圖3 分層開挖最大主應力云圖

4 結論

(1)在開挖過程中，拱頂處的應力反而不是最大，應力集中區域較小，應力數值大約為2-4MPa，較其余部位小；在經過兩層開挖后，在兩側拱肩處應力集中區域較大，應力數值為20MPa左右，開挖結束后應力集中區域反而變小，應力數值也變小，與每次開挖后應力的重分布有關。

(2)由數值模擬計算結果可知，圍巖處于不穩定狀態，與現場破壞形式剛好吻合，說明了數值模擬計算的正確性，為之后的類似工程提供相應的依據。