某地下礦山開(kāi)采對(duì)蕉溪嶺隧道影響分析

任青云

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某地下礦山開(kāi)采對(duì)蕉溪嶺隧道影響分析

任青云

(湖南有色金屬研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道西南側(cè)為蕉溪嶺銅礦，距離礦山礦權(quán)界限最近水平距離約330 m，且該地下礦山采空區(qū)規(guī)模較大，形態(tài)各異。為了分析蕉溪嶺銅礦采空區(qū)對(duì)擬建隧道施工的影響，采用基于DIMINE與MIDAS/GTS NX有限元軟件進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明，蕉溪嶺銅礦采空區(qū)沉降影響范圍未影響到蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道建設(shè)工程。

地下礦山；隧道；數(shù)值模擬計(jì)算；地表沉降

隨著湖南省經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，交通道路等重大民生基礎(chǔ)工程在全省范圍內(nèi)不斷興建，一些大型基礎(chǔ)工程不得不穿越礦區(qū)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采引起的地表移動(dòng)和變形往往會(huì)影響這些基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)、施工。為了減少非煤礦山開(kāi)采采空區(qū)的損害，有效地保護(hù)礦山周圍的重要基礎(chǔ)工程，開(kāi)展非煤礦山采空區(qū)對(duì)重要交通設(shè)施的安全影響評(píng)估和監(jiān)控措施的研究是必要的，只有通過(guò)對(duì)礦山采空區(qū)的評(píng)估確定礦山周圍重要基礎(chǔ)工程受礦山開(kāi)采的影響程度，才能既經(jīng)濟(jì)又有效地對(duì)礦山周圍重要基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)與改造，從而達(dá)到減輕或者預(yù)防礦山開(kāi)采對(duì)重要交通設(shè)施的影響，確保重要民生工程的安全。本文基于DIMINE與MIDAS/GTS NX有限元軟件結(jié)合，分析擬建金陽(yáng)大道(三期)蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道與蕉溪嶺銅礦之間的相互影響，揭示蕉溪嶺銅礦采空區(qū)對(duì)蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道建設(shè)的主要影響因素。

1 工程基本情況

1.1 蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道項(xiàng)目

金陽(yáng)大道三期工程位于瀏陽(yáng)市境內(nèi)，路線起于瀏陽(yáng)市集里街道，與G354瀏陽(yáng)關(guān)口至集里公路(西北環(huán)線)相接，對(duì)接道吾山路，終點(diǎn)位于工業(yè)新城蕉溪鄉(xiāng)G319上，與S109(瀏陽(yáng)蕉溪至黃花機(jī)場(chǎng)公路)起點(diǎn)對(duì)接。該項(xiàng)目的建設(shè)將進(jìn)一步加密東西向路網(wǎng)，是區(qū)域路網(wǎng)的重要補(bǔ)充，將成為瀏陽(yáng)向西融入長(zhǎng)沙城區(qū)的免費(fèi)快速通道。項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)改善區(qū)域交通條件，帶動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

擬建金陽(yáng)大道(三期)蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道位于瀏陽(yáng)市集里鎮(zhèn)~蕉溪鄉(xiāng)境內(nèi)，在道吾村西進(jìn)隧道，穿越蕉溪嶺山，在陳家沖出隧道，該隧道為分離式隧道，擬建隧道呈曲線形展布；左線隧道起訖樁號(hào)ZK1+385~ ZK6+075總長(zhǎng)4690 m，隧道最大埋深約595 m，位于ZK3+580處。右線隧道起訖樁號(hào)K1+375~K6+055，總長(zhǎng)4680 m，隧道最大埋深約604 m，位于K3+600處。

擬建金陽(yáng)大道(三期)蕉溪嶺特長(zhǎng)隧道，隧道西南側(cè)為蕉溪嶺銅礦，距離礦山礦權(quán)界限最近水平距離約330 m，位于隧道樁號(hào)K5+900處。

1.2 蕉溪嶺銅礦采空區(qū)情況

根據(jù)礦山提供的地質(zhì)勘察報(bào)告和采掘工程平面圖，結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和老礦工對(duì)井下采空區(qū)的描述，確定礦山井下分布有5大采空區(qū)，分別是老采空區(qū)、75號(hào)脈空區(qū)、80號(hào)脈空區(qū)、33號(hào)脈空區(qū)和35號(hào)脈空區(qū)，保守計(jì)算空區(qū)總面積約42800 m2，采空區(qū)分布平面見(jiàn)圖1。

1.3 巖體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)

研究人員對(duì)蕉溪嶺銅礦井下開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行了巖體工程地質(zhì)調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)選取圍巖與礦巖巖樣，對(duì)巖樣加工并進(jìn)行了巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)，得到了蕉溪嶺銅礦巖石的基本物理力學(xué)參數(shù)，并對(duì)所得到的成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。測(cè)試項(xiàng)目包括單軸抗壓強(qiáng)度、巴西劈裂強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力。測(cè)試礦巖各有5個(gè)Φ50 mm× 100 mm圓柱試樣開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)、5個(gè)Φ50 mm×40 mm圓柱試樣用于巴西劈裂試驗(yàn)、12個(gè)50 mm×50 mm×50 mm立方巖樣用于變角剪試驗(yàn)；圍巖還有12個(gè)Φ50 mm×100 mm圓柱試樣用于常規(guī)三軸試驗(yàn)。巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 蕉溪嶺銅礦井下采空區(qū)情況

表1 巖石室內(nèi)試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)匯總

2 數(shù)值模擬分析

2.1 基于DIMINE礦山模型

利用Dimine軟件建立礦山地質(zhì)模型，在Dimine中生成的礦山實(shí)體模型，無(wú)法直接用于有限元數(shù)值模擬運(yùn)算，需要將此模型導(dǎo)入到MIDAS/GTS中，建立礦山與隧道的實(shí)體模型(見(jiàn)圖2)。利用MIDAS/GTS的網(wǎng)格劃分功能，結(jié)合采礦工藝，進(jìn)一步建立采區(qū)模型，劃分網(wǎng)格單元，見(jiàn)圖3所示。計(jì)算過(guò)程中礦巖均采用摩爾?庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則。

圖2 蕉溪嶺銅礦與隧道實(shí)體模型

圖3 模型網(wǎng)格及約束邊界

2.2 +90 m中段以上采空區(qū)數(shù)值分析

2.2.1 位移計(jì)算結(jié)果分析

+90 m中段及上部礦體采空后的位移計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖中可以看出采空區(qū)上盤位移值為“-”，下盤位移值為“+”。表明采空區(qū)頂板發(fā)生位移沉降，底板發(fā)生底鼓。地表最大沉降值為6.3 mm，最大沉降位移出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板，由圖4可知，地表發(fā)生大的沉降位移為5.02~6.3 mm，發(fā)生地表沉降面積占計(jì)算模擬面積的3.4%。由圖5可知，采空區(qū)頂板位移隨著與采場(chǎng)距離增大，位移沉降值下降，地面最小沉降值為1.8 mm，整個(gè)開(kāi)采移動(dòng)范圍面積約占42.6%。從圖中可以看出礦體開(kāi)采引起破碎帶發(fā)生了輕微的“+”向位移，表明破碎帶已產(chǎn)生了輕微的“上拱”現(xiàn)象。

圖4 位移等軸側(cè)視圖

圖5 Z軸方向位移剖分圖

由圖4與圖5可知，擬建蕉溪嶺隧道位于+90 m中段以上開(kāi)采移動(dòng)范圍以外。即蕉溪嶺銅礦開(kāi)采+90 m中段以上不會(huì)對(duì)擬建隧道產(chǎn)生位移沉降影響。

2.2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

從圖6~圖9可以看出，礦體開(kāi)采后造成周圍巖體應(yīng)力重分布，采場(chǎng)周邊產(chǎn)生卸壓區(qū)域，地應(yīng)力減小，在此范圍之外，地應(yīng)力的大小仍隨埋藏深度水平變化。應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在采場(chǎng)兩幫，剖面范圍內(nèi)的最大壓應(yīng)力值為32.18 MPa，+90 m中段以上采空區(qū)未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。擬建隧道位于礦山開(kāi)采范圍330 m以外，擬建隧道區(qū)圍巖應(yīng)力為自重應(yīng)力的影響，礦體開(kāi)采形成的應(yīng)力集中區(qū)未影響到礦區(qū)東北側(cè)的隧道工程。

圖6 最大主應(yīng)力等軸側(cè)視圖

圖8 最小主應(yīng)力等軸側(cè)視圖

圖9 最小主應(yīng)力剪切圖

2.2.3 塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

+90 m中段以上開(kāi)采，在破碎帶出現(xiàn)塑性變形區(qū)(見(jiàn)圖10)，塑性區(qū)面積為12.5%，最大塑性變形為5.26×10?5。對(duì)于巖體而言，塑性形變意味著可能發(fā)生破壞，對(duì)出現(xiàn)塑性形變的巖體，如不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理，極有可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。由于破碎帶連通著礦山與擬建隧道工程，隧道周圍破碎帶出現(xiàn)塑性形變的區(qū)域在隧道施工過(guò)程中有可能出現(xiàn)局部的失穩(wěn)現(xiàn)象，故隧道施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和管理，施工中應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

圖10 塑性區(qū)主軸視圖

2.3 +90 m中段以下采空區(qū)模擬分析

2.3.1 位移計(jì)算結(jié)果分析

+90~+50 m中段礦體采空后的地表最大沉降值增加至10.9 mm。最大沉降位移出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板，地表發(fā)生大的沉降位移為5.28~10.9 mm，發(fā)生地表沉降面積占計(jì)算模擬面積的11.8%。采空區(qū)頂板位移隨著與采場(chǎng)距離增大，位移沉降值下降，地面最小沉降值為1.89 mm，整個(gè)開(kāi)采移動(dòng)范圍面積約為56%。

擬建蕉溪嶺隧道位于+90~+50 m中段礦體開(kāi)采移動(dòng)范圍以外。即蕉溪嶺銅礦開(kāi)采+90 m中段以下礦體不會(huì)對(duì)擬建隧道產(chǎn)生位移沉降影響。

2.3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，礦體開(kāi)采后應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在采場(chǎng)兩幫，剖面范圍內(nèi)的最大壓應(yīng)力值為37.27 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。擬建隧道位于礦山開(kāi)采范圍330 m以外，礦體開(kāi)采應(yīng)力集中區(qū)未影響到礦區(qū)東北側(cè)的隧道工程。

2.3.3 塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

+90~+50 m中段礦體開(kāi)采，在破碎帶出現(xiàn)塑性變形區(qū)，塑性區(qū)面積增加至13.8%，破碎帶塑性形變變大，最大塑性形變?yōu)?.34×10-5。破碎帶出現(xiàn)塑性變形后，可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，巖體結(jié)構(gòu)受到破壞，從而引起破碎帶區(qū)域位移發(fā)生沉降。

3 結(jié) 論

對(duì)蕉溪嶺銅礦開(kāi)采的采空區(qū)對(duì)蕉溪嶺隧道的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果顯示：

(1) 礦山開(kāi)采+90 m中段以上礦體時(shí)，在地表發(fā)生了大的位移沉降，位移最大沉降值為6.3 mm，影響面積約為42.6%；礦山開(kāi)采+90~+50 m中段礦體時(shí)，地表位移沉降值增大，地表沉降位移增至10.9 mm，地表移動(dòng)影響面積增大至56%，但是礦山開(kāi)采移動(dòng)影響范圍均未影響到擬建隧道工程。

(2) 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：在破碎帶出現(xiàn)塑性變形區(qū)，礦山開(kāi)采+90 m中段以上時(shí)，塑性區(qū)面積為12.5%，開(kāi)采+90 m中段以下時(shí)，塑性區(qū)面積增加至13.8%。塑性形變意味著可能發(fā)生巖體破壞。由于破碎帶連通著礦山與擬建隧道工程，隧道周圍破碎帶出現(xiàn)塑性形變的區(qū)域在隧道施工過(guò)程中有可能出現(xiàn)局部的失穩(wěn)現(xiàn)象，巖體結(jié)構(gòu)受到破壞，從而引起破碎帶區(qū)域位移發(fā)生沉降。

因此礦山開(kāi)采采空區(qū)會(huì)引起擬建隧道工程破碎帶區(qū)域發(fā)生一定位移變形，存在一定的安全隱患，建議施工中進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

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(2018?10?12)

任青云(1985—)，男，工程師，碩士研究生。