深井巖巷變形特征數值模擬研究

李 武，陳 沖，利 堅

（云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655011）

國內進入深井開采的礦山已不是少數[1]，在典型的高地應力、復雜巖體地質環境下，井巷圍巖變形特征差異較大[2]，圍巖控制難題日益突出，康紅普[3]采用UDEC數值模擬軟件研究了超千米深巖巷變形破壞特征，通過井下試驗確定了全斷面高預應力、高強度錨桿與錨索及注漿聯合支護加固方式，能夠保證超千米深巖巷長期穩定；翁占斌[4]通過地質力學測試與數值模擬揭示了新疆伽師銅礦深部軟巖破碎巷道的變形特征及機制；張雪媛[5]研究表明深井巖巷隨著掘進的進行，巷道受水平應力影響，圍巖塑性區先增大直至逐漸穩定，頂板產生剪切破壞，兩幫產生劈裂破壞。

深井巖巷變形特征研究成果根據礦區不同特征不同。本文以云南某鉛鋅礦山埋深800m的開拓工程為研究對象，對巷道施工過程中變形特征進行數值模擬研究，為工程施工及支護提供理論支撐。

1 深井地質環境特征

1.1 地應力

在工程地質調查的基礎上，在1584m中段新掘礦巖中選擇3個測點，采用應力解除法進行地應力測試，測試結果表明：

（1）地應力介于25.74MPa～36.91MPa之間，屬于中等至較高地壓范圍。

（2）礦區的地應力以水平構造應力為主導，傾角介于19.89°～28.70°之間，自重對地壓的影響要小于構造應力的影響。

1.2 圍巖力學參數

礦區圍巖巖石力學測試樣品取自現場鉆探巖芯制作出標準巖石試樣，通過試驗獲得了相關物理力學指標，見表1。

表1 深部巖石物理力學參數

2 構建深部巷道數值模型

選用FLAC3D數值模擬軟件來研究深部巷道變形特征。

2.1 模型建立

采用摩爾-庫倫模型，計算域均取為20m×20m（高×寬），縱向計算區域為10m。為滿足計算精度要求，將巷道周邊的網格適當加密，結合礦山主要巷道斷面類型，選取斷面規格為2.4m×2.65m（h=1.85m），斷面積為5.95m2，模型節點共32769個，單元數共15930個。

圖1 斷面模型圖

2.2 開挖方案

結合工程地質特征，選取大塘組地層作為本次模擬開挖圍巖，本次模擬采用全斷面一次性開挖，開挖貫通整個模型的縱向，每次開挖2.5m，模型4次挖完。

3 數值模擬結果分析

3.1 圍巖位移分析

圖2 圍巖豎向位移云圖

從圖2可以看出，巷道開挖完成后頂板的最大位移為18.4mm，底板的最大位移為18.6mm。頂板位移變化主要表現為沉降，在拱頂達到最大值，變形范圍比較平均；底板變形主要表現為底鼓，最大變形出現在首次開挖的底板中部，變形范圍較集中。

3.2 圍巖應力分布分析

圖3 應力分布云圖

從圖3（a）可知，巷道的兩幫和底板均出現拉應力，巷道幫部拉應力主要集中在起拱線附近，底板的拉應力主要集中在底板中部，最大拉應力值為0.35MPa，如圖中的橙紅色區域。

從圖3（b）可知，壓應力主要集中在頂底板中部，最大壓應力值可達45.94MPa，其中底板承受的最大主應力超過頂板，壓應力向圍巖深部逐漸減小。

3.3 圍巖塑性區分布分析

圖4 圍巖塑性區分布剖面圖

從圖4可以看出，塑性區分布呈圓形分布，分布范圍為距模型原點半徑2m～3m范圍內的邊墻和局部拱頂部分，開挖后主要以剪切破壞為主，零星顯示為拉伸破壞，處于剪切屈服狀態的塑性區體積為73.26m3，處于拉伸屈服狀態的塑性區體積為1.6m3。

4 結論

（1）通過地應力、圍巖力學參數調查測試，得到了該礦山深井巷道地質環境特征參數。

（2）數值模擬結果表明深井巖巷變形特征為：巷道開挖形成后，變形主要集中在巷道的頂底板中部，頂板位移表現為沉降，底板位移表現為底鼓，最大變形量可達18.6mm；最小主應力集中出現在巷道兩幫的起拱處及底板中部，最大主應力集中出現在頂底板中部；塑性區程圓形分布，以剪切破壞為主，零星為拉伸破壞。

（3）巷道開挖破壞范圍分布在巷道周邊2m～3m范圍內，頂板、底板及起拱處為最易破壞范圍，為云南某鉛鋅礦山現場施工及支護提供了理論依據。