某金屬礦山巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

(西昌學(xué)院土木與水利工程學(xué)院 四川 西昌 615013)

引言

某礦區(qū)巖性復(fù)雜，節(jié)理斷層縱橫交錯(cuò)，巖體完整性差，強(qiáng)度低。此外，礦區(qū)的地應(yīng)力很大且以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，水平應(yīng)力約為垂直應(yīng)力的兩倍[1]。因此，該礦區(qū)的工程地質(zhì)條件很差，巷道施工和維護(hù)相當(dāng)困難。影響巷道穩(wěn)定性的主要因素是圍巖受力和變形情況。其中巷道圍巖的頂板、底板及兩幫的受力和變形情況又是巷道穩(wěn)定性研究中的重點(diǎn)。本文主要是用數(shù)值模擬的方法研究該礦區(qū)水平分段巷道的受力和變形情況，為礦區(qū)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供一定參考。

一、ANSYS軟件簡(jiǎn)介

用于數(shù)值計(jì)算的軟件很多,ANSYS軟件是目前應(yīng)用較多的一種。它是美國(guó)ANSYS公司在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的大型通用的有限元分析軟件，具有很強(qiáng)的計(jì)算功能，可進(jìn)行線性、非線性、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析，流體分析，溫度場(chǎng)分析，電磁場(chǎng)分析等[1]。最初主要是為了應(yīng)用于電力工業(yè)方面,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、能源、國(guó)防軍工、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、等多種學(xué)科研究及工業(yè)領(lǐng)域，能夠滿足于各種行業(yè)有限元分析的需要[2]。

二、工程實(shí)例數(shù)值模擬

(一)礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況

礦區(qū)分段中西部開(kāi)拓工程所處地段經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖層層間褶皺緊密,斷層縱橫交錯(cuò)，節(jié)理十分發(fā)育，各類(lèi)巖漿巖脈相互穿插切割，導(dǎo)致巖體完整性差，強(qiáng)度低。此外，礦區(qū)的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，并且是壓應(yīng)力。最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|-北北東，傾角近與水平。礦區(qū)地應(yīng)力大(25～45MPa)，工程地質(zhì)條件很差，巷道施工和維護(hù)相當(dāng)困難[3]。

礦區(qū)由于特殊的工程地質(zhì)條件，自建礦以來(lái)就引發(fā)了許多工程地質(zhì)問(wèn)題，再加上其重要的地位，吸引了許多工程地質(zhì)工作者前去進(jìn)行研究。在礦區(qū)的眾多工程地質(zhì)問(wèn)題中，巷道變形是一個(gè)很突出的問(wèn)題[4]。對(duì)于這一問(wèn)題，已有很多學(xué)者做過(guò)大量研究工作，其中數(shù)值方法是一種很重要的研究手段。

(二)建模及計(jì)算

1.模型建立及劃分網(wǎng)格。由于巷道巖體在剛剛被開(kāi)挖出來(lái)后，巷道周邊巖體仍處于相對(duì)的靜止平衡狀態(tài)，可認(rèn)為圍巖處于彈性狀態(tài)。因此，二維問(wèn)題均作為平面應(yīng)變問(wèn)題處理，物理模型初定為彈性模型。

在Ansys軟件所提供的單元中，SOLID4NODE182單元為平面結(jié)構(gòu)單元，由四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。此單元可以進(jìn)行塑性、蠕變、應(yīng)力硬化、大變形及大應(yīng)變分析，能較好反映圍壓作用下軟巖的變形。因此，采用SOLID4NODE182單元來(lái)進(jìn)行模擬。

經(jīng)實(shí)地考察，礦區(qū)水平分段巷道斷面形狀為巷道上部是半圓形，下部是方形，半圓半徑是2.3m，方形尺寸為4.6m×2.0m。圣維南原理表明，模型尺寸應(yīng)足夠大，以消除邊界效應(yīng)的影響。邊界尺寸一般按巷道直徑的3～5倍以上選取[5]依據(jù)上述計(jì)算模型邊界范圍確定原則，礦塊尺寸選為30m×30m，巷道距模型底邊界13m。網(wǎng)格按0.5m進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分比較密，且是均勻劃分，即把礦塊寬和高方向均化為60小格，這樣雖然占用內(nèi)存較多及計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，但計(jì)算精度高，能夠較好的反映巷道的受力和變形情況。

2.應(yīng)力條件及邊界條件。試驗(yàn)巷距地表垂直距離約700m左右，根據(jù)實(shí)測(cè)，礦區(qū)巖石容重取27KN/m3，垂直應(yīng)力約19Mpa，又查資料得礦區(qū)水平應(yīng)力大約為垂直應(yīng)力的2倍左右，故水平應(yīng)力約為38MPa，且礦塊上部和兩側(cè)應(yīng)力可按均布應(yīng)力計(jì)算。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，模型左右邊界及上部邊界均無(wú)約束，模型下邊界只限制垂直位移。需要注意的是模型下邊界中點(diǎn)必須要施加x方向的位移約束，以此來(lái)保證結(jié)構(gòu)及其所承受荷載的對(duì)稱(chēng)性，從而使模型計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)、可靠[5]。整個(gè)研究對(duì)象具有9.18m/s2的慣性力加速度，方向向上。

3.圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及調(diào)閱大量文獻(xiàn)，礦區(qū)圍巖物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示：

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)[5]

4.計(jì)算依據(jù)及強(qiáng)度理論。巷道分析的具體手段為彈塑性平面應(yīng)變有限元分析，屈服準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則[4]，即F=aI1+I2+K

式中：I1與J2分別為應(yīng)力張量第1不變量與應(yīng)力偏量第2不變量。

利用所建立的模型，輸入?yún)?shù)及邊界條件，即可進(jìn)行求解計(jì)算，并利用后處理程序，就可以再現(xiàn)所研究巷道的受力及變形情況。

(三)計(jì)算結(jié)果分析

位移分析：礦塊的上部?jī)蓚?cè)頂角處位移最大，達(dá)到154mm，從兩邊向礦塊內(nèi)圍巖位移量逐漸減小；礦塊底邊圍巖位移量最小，只有17.1mm。巷道兩幫中部圍巖位移較大，巷道頂部和底板及邊角處圍巖位移較小，巷道底板突起，有“底鼓”現(xiàn)象。

應(yīng)力分析：在巷道兩幫剪應(yīng)力作用下，巷道對(duì)角線方向上即邊角處和頂板處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均為55.8GPa。巷道在剪應(yīng)力下會(huì)使頂板和兩幫發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變形破壞。開(kāi)挖巷道頂板中部和底板邊角處應(yīng)力較大，約為87.6GPa，巷道兩幫應(yīng)力較小，約為4.41GPa；巷道底部一定深度處的礦塊所受應(yīng)力較其他地方小。

應(yīng)變分析：開(kāi)挖巷道頂板中部和底板邊角處應(yīng)變較大，約為27.4mm，巷道兩幫應(yīng)變較小，約為1.38mm；巷道底部一定深度處的礦塊所受應(yīng)變較其他地方小。

三、結(jié)論與建議

礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道支護(hù)困難。利用本模型進(jìn)行計(jì)算,可獲得巷道圍巖受力和變形情況，可以為優(yōu)化巷道布置、開(kāi)拓及支護(hù)方案等提供一定的參考價(jià)值。同時(shí)可在一定程度上減少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的勞動(dòng)量,節(jié)約大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)材料、人工等成本并可避免危險(xiǎn)性較大的工作。通過(guò)針對(duì)該礦分段巷道的數(shù)值模擬，分析巷道受力和變形情況，提出以下支護(hù)意見(jiàn)及建議：(1)在軟弱巖體中開(kāi)挖巷道時(shí)，巷道和圍巖均發(fā)生變形移動(dòng)，巷道兩幫巖體位移量要大于頂部和底板位移量；礦塊兩側(cè)頂角處位移量遠(yuǎn)大于底邊的位移量。可有針對(duì)性重點(diǎn)加強(qiáng)巷道兩幫支護(hù)，減少盲目性和不必要的浪費(fèi)。(2)由于應(yīng)力集中，巷道對(duì)角線方向上即邊角處和頂板處剪應(yīng)力最大，此時(shí)巷道頂板和底板邊角處容易錯(cuò)斷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)巷道發(fā)生破壞。進(jìn)行支護(hù)時(shí)，應(yīng)在剪應(yīng)力較大的部位重點(diǎn)支護(hù)。