深部采動影響下硬巖巷道圍巖穩定性數值模擬研究

代碧波 李懷賓 張姝婧 趙興東

（1.東北大學采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽 110819；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000）

隨著淺部資源的日益枯竭，進入深部高應力區開采資源成為必然趨勢。深部開采巖體處于“三高一擾動”的復雜應力環境中，特別對于受采動影響的深部硬巖巷道，巷道圍巖常發生層裂、巖爆等災害事故，造成人員傷亡、設備損壞和生產停滯等。究其原因主要是對采動影響下巷道圍巖的力學特性認識不足［1-3］，導致不能合理地確定巷道圍巖的控制措施。

目前，國內外學者對采動影響下巷道圍巖的穩定性進行了大量的研究，例如，賈后省等［4］利用FLAC3D數值模擬方法研究采動疊加應力場分布特征，分析了采動影響條件下巷道圍巖的破壞特征與冒頂機理；WACLAWIK等［5］對長壁開采下巷道圍巖的應力進行監測，得出隨著工作面的推進，圍巖應力隨之發生改變；WANG等［6］通過鉆孔電視監測和聲波測試對巷道圍巖的破壞情況進行研究，結果表明巷道在采動影響下比在靜態壓力下圍巖破壞區域更大；付玉凱［7］通過數值計算的方法，分析了留巷巷道在臨近工作面和本工作面雙重采動影響下的圍巖應力狀態；ABDELLAH等［8］采用統計的方法分析了巷道在采動影響下的穩定性情況。上述研究成果對采動影響下巷道圍巖穩定性分析提供了有價值的參考，但對深部采動影響下硬巖巷道穩定性方面的研究相對較少。

紅透山銅鋅礦現開拓深度1 657 m，開采深度1 257 m，是中國開采最深的有色金屬礦山，-767 m中段（埋深1 197 m）13#、14#采場斜坡道在采動影響下，出現大范圍的層裂破壞（見圖1），給生產帶來了嚴重影響。因此，在深部采動影響下，針對礦山特殊的工程地質和開采條件，研究深部硬巖巷道圍巖的穩定性成為紅透山銅鋅礦深部開采的重點課題。針對上述實際情況，以紅透山銅鋅礦-767 m中段13#、14#采場斜坡道為研究對象，采用數值模擬方法分析開采過程中巷道圍巖的應力、塑性區和位移變化規律，為采動影響下巷道穩定性分析和支護設計提供了重要的理論依據。

1 工程地質

紅透山銅鋅礦床位于渾河大斷裂帶上盤，礦體上盤為黑云斜長片麻巖、下盤為角閃斜長片麻巖。礦床總體走向近東西，傾向南東，傾角在70°～80°之間，礦體平均厚20 m。目前紅透山銅鋅礦主要采用上向水平分層充填采礦法，礦房垂直高度60 m，每分層開采高度3 m，采用尾砂膠結充填；-767 m中段13#、14#采場斜坡道巷道斷面尺寸3.0 m×2.8 m（寬×高），為四分之一三心拱巷道，采場與斜坡道位置關系見圖2。

利用測線法對研究區域巖體結構面進行調查分析可知，其巖體結構面分布情況見表1。根據現場調查和室內巖石力學實驗，采用RMR和Q方法對巖體質量進行分級（見表2），巖體質量一般～好，最后基于Hoke-Brown強度準則估算巖體力學參數（見表3）。

2 采動影響下圍巖穩定性數值分析

2.1 開采方案

為了研究采動影響下斜坡道圍巖的穩定性，考慮13#、14#采場斜坡道同中段的采場以及上下兩個中段采場的影響，為了簡化計算，每個采場分兩步開采，總體開采次序為從下到上，在模型計算中，具體的計算步驟為模擬開采和充填的次序（見表4）。采用FLAC3D軟件分析采動影響下巷道圍巖的應力、塑性區和位移的變化規律。

2.2 數值模型建立

模型尺寸為1 000 m×20 m×1 260 m（長×寬×高），劃分271 520個單元，如圖3所示，考慮到計算精度的問題，對巷道位置處網格進行加密處理，礦體傾角為70°，厚度20 m。模型邊界采用位移約束，水平方向限制x和y方向的位移，模型底邊限制x、y和z方向的位移，模型上邊界施加覆巖自重的應力，約為15 MPa，模擬采用Mohr-Coulomb強度準則。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 主應力演化過程分析

為了得到圍巖主應力隨開采的演化過程，在斜坡道圍巖的左幫、拱肩和頂板處沿徑向方向10 m內每隔0.2 m布置1個測點，監測該點處的主應力值。為了便于觀察，在此設定壓應力為正。

（1）幫部主應力。根據以上模型，提取圍巖一監測斷面左幫中點處不同深度測點的主應力值（見圖4）。可以看出，最大主應力值在幫壁附近相對較小，隨著徑向深度的增加，最大主應力值先增加后減小，深度在距離幫壁2倍巷道寬度時，該點的主應力值趨于穩定；在距離幫壁0.5 m范圍內最小主應力值較小，圍巖易發生σ3＜5 MPa時的張拉破壞，隨著徑向深度的增加，最小主應力值增大，圍巖易發生σ3＞5 MPa時的剪切破壞［10］；隨著開采的進行，最大主應力峰值先增加后減小，這主要是由于開采至巷道水平附近時，在巷道附近形成應力集中區，開采超過巷道水平后，應力集中區隨之發生轉移，在巷道靠近采場側應力開始釋放；幫壁處最大主應力和最小主應力值均逐漸減小。

（2）拱肩主應力。提取巷道拱肩不同深度測點的主應力值（見圖5）。可以看出，最大主應力值在拱肩處出現應力集中，隨著徑向深度的增加，最大主應力值逐漸減小，深度在距離拱肩2倍巷道寬度時，該點的主應力值趨于穩定；最小主應力在拱肩附近就達到較大值，圍巖易發生σ3＞5 MPa時的剪切破壞［10］；隨著開采的進行，最大主應力峰值先增加后減小，這主要是由于開采至巷道水平附近時，在巷道附近形成應力集中區，開采超過巷道水平后，應力集中區隨之發生轉移，在巷道靠近采場側應力開始釋放。

（3）頂板主應力。提取巷道頂板中點處不同深度測點的主應力值（見圖6）。可以看出，隨著徑向深度的增加，最大主應力值逐漸增加，深度在距離頂板3倍巷道寬度時，該點的主應力值趨于穩定；在距離頂板0.5 m范圍內最小主應力值較小，圍巖易發生σ3＜5 MPa時的張拉破壞，隨著徑向深度的增加，最小主應力值增大，圍巖易發生σ3＞5 MPa時的剪切破壞［10］；隨著開采的進行，最大主應力峰值先增加后減小，這主要是由于開采至巷道水平附近時，在巷道附近形成應力集中區，開采超過巷道水平后，應力集中區隨之發生轉移，在巷道靠近采場側應力開始釋放；當計算至第8步驟時，頂板出現2 MPa的拉應力，大于巖體的抗拉強度；在第12步驟時，頂板處最小主應力值接近0 MPa的深度約為1 m，此時圍巖處于雙向應力狀態。

（4）應力集中位置分析。為了進一步確定開采后主應力的變化情況，圖7給出了第1步驟、第8步驟和第12步驟最大主應力集中點位置。結果表明：隨著開采的進行，應力集中區位置沿順時針方向轉動；轉動角度達20°左右，應力集中區位置的轉動導致巷道塑性區以及錨桿受力的變化，增加了巷道的不穩定性。

2.3.2 塑性區演化過程分析

隨著開采的進行，巷道圍巖的塑性區變化如圖8所示，在第1～第6步驟時（見圖8（a）和圖8（b）），巷道圍巖塑性區較小，塑性區范圍幾乎沒有變化，最大塑性區出現在底板，范圍為0.8 m；當開采至與巷道相同水平時（見圖8（c）），巷道圍巖塑性區范圍明顯增大，最大塑性區出現在底板，范圍為5.0 m；隨著采場的持續開采，兩幫及底板塑性區范圍變化不大，在第12步驟時，靠近采場側，頂板塑性區增加至6.5 m，并且圍巖塑性區呈不對稱分布，對于3.0 m×2.8 m三心拱巷道，設計支護的錨桿長度一般為2.0～2.5 m，塑性區遠遠超出正常的支護范圍，所以對受開采影響的巷道進行支護時，必須充分考慮開采的影響。開采結束后，巷道圍巖的塑性區具有以下的變化規律，巷道左幫（靠近采場側）從0.35 m（第1步驟）增加至0.6 m（第12步驟）；巷道右幫（遠離采場側）從0.35 m（第1步驟）增加至0.4 m（第12步驟）；底板從0.8 m（第1步驟）增加至5.4 m（第12步驟）；頂板從0.2 m（第1步驟）增加至6.5 m（第12步驟）。

2.3.3 位移變化規律分析

由于沿著巷道幫壁位移不均勻分布，一般情況下，在幫壁的中間位置比較接近最大位移變化值，選取幫壁的中點進行說明，圖9給出了隨著開采的進行，巷道兩幫位移的變化情況，正值表示遠離采場方向，負值表示靠近采場方向。巷道左幫先向遠離采場方向移動（第1～第7步驟），然后向靠近采場方向移動（第8～第13步驟），從1.9 mm減小至-33.3 mm；巷道右幫在第1步驟時向采場方向移動，然后開始向遠離采場方向移動（第2～第7步驟），最后同左幫一起向靠近采場方向移動（第8～第13步驟）；從-1.4 mm減小至-31.5 mm。巷道兩幫總體表現出先向遠離采場方向移動，然后向靠近采場方向移動的規律，這主要是由于，在第1～第7步驟，尤其在第6～第7步驟后，在采場的右上角出現水平應力集中（見圖10（a）），然而在巷道右側的整體水平應力值沒有明顯的變化，導致巷道整體向遠離采場方向移動；當開采超過巷道相同水平后，巷道左側水平應力得到較大的釋放（見圖10（b）），然而在巷道右側的整體水平應力值沒有明顯的變化，導致巷道整體向靠近采場方向移動。

巷道頂底板采用上述方式，選取中點進行說明，負值表示下沉量。巷道開挖后，頂板出現-4.8 mm的位移，第2～第5步驟頂板下沉量逐漸減小，在第6步驟時，頂板位移開始變為正值，這是由于采場開挖后，在巷道左側產生水平方向應力集中（見圖10（a）），導致頂板下沉量減小；計算至第8步驟之后，頂板向上移動快速增加，這主要是由于隨著開采的進行，垂直應力分量逐漸減小（見圖11），頂板位移從-4.8 mm增大至61.5 mm。隨著開采的進行，巷道底板隆起量持續增加，從5.9 mm增加至78.8 mm。開采結束后，巷道整體向靠近采場方向傾斜移動（見圖12）。

3 結 論

（1）巷道開挖后，在距離幫壁和頂板0.5 m和1.0 m范圍內最小主應力值較小，圍巖易發生張拉破壞，而最小主應力在斜坡道拱肩附近就達到較大值，圍巖易發生剪切破壞；隨著徑向深度的增加，幫壁處最大主應力值先增加后減小；拱肩處最大主應力值逐漸減小，頂板處最大主應力值逐漸增加，最終趨于穩定。

（2）隨著開采的進行，最大主應力峰值呈現先增加后減小的規律；最大主應力集中區沿著順時針方向轉動，轉動角度20°左右；圍巖塑性區逐漸變為蝶形，并呈不對稱分布；頂板先下沉后向上移動，從-4.8 mm增大至61.5 mm；巷道底板隆起量持續增加，從5.9 mm增加至78.8 mm；斜坡道兩幫總體表現出先向遠離采場方向移動，然后向靠近采場方向移動的規律，左幫從1.9 mm減小至-33.3 mm，右幫從-1.4 mm減小至-31.5 mm；開采結束后，斜坡道整體向靠近采場方向傾斜移動。

（3）對比所有計算步驟表明：在開采至斜坡道相同水平時，開采對斜坡道圍巖的穩定性的影響較顯著，此時斜坡道圍巖出現蝶形塑性區，幫壁在水平方向上，從向遠離采場方向移動轉向靠近采場方向移動，頂板向上移動開始加劇。