安徽太平礦業有限公司井下巷道矽卡巖體力學參數反演

褚吉祥，于慶磊，曹永勝，孫 鵬

(1.安徽太平礦業有限公司； 2.東北大學巖石破裂與失穩研究所)

引 言

矽卡巖型礦床是中國最常見的鐵礦床類型之一，其賦存形態復雜多變，礦巖軟弱破碎。矽卡巖體在形成過程中因變質和蝕變作用，導致其物理力學性質差異很大，巖石強度低，自穩性差，水理性強，遇水易膨脹、崩解、碎化，甚至在無淋水條件下，矽卡巖體吸收空氣中的水分，也不斷膨脹、崩解[1]。長期生產實踐表明，矽卡巖體常是井巷變形破壞及其他形式地壓顯現的突發點和關鍵因素[2]。因此，確定矽卡巖體力學參數，對于評估巖體力學行為，指導該類型礦山生產設計、施工、維護、評價圍巖穩定性、預防工程事故等有十分重要的意義。

矽卡巖體由于吸水易崩解的特性，難以制成標準的巖石試樣，遂無法通過試驗手段獲取其完整的力學參數。近年來，利用圍巖各種力學響應反推模型參數的反分析方法，成為當前的熱點研究問題，目前已形成完整的分析體系。反分析方法主要包括解析法和數值法，解析法由于其局限性難以適用于復雜的計算模型。數值法因其計算效率高、求解難度小等優點得到了廣泛推廣。

目前，最常用的反分析方法是位移反分析法，即將現場巖體的變形監測數據作為反演依據，調整數值模型中的基本巖體參數，得出最優解。張晨明等[3]利用增量位移反分析法對硐室圍巖彈性模量進行了反演。朱珍德等[4]利用優化后的PSO-BP隧道位移反分析系統，基于現場監測的變形位移數據，對隧道圍巖參數進行了反演分析，并通過與實測數據對比驗證了該方法的可行性。張社榮等[5]綜合考慮大型地下硐室群施工現場的開挖進度信息、支護進度信息及新出露的地質信息，提出適用于大型地下硐室群施工期圍巖力學參數實時動態反演分析方法。劉勇等[6]基于隧洞施工過程中的動態監測數據，利用正交設計反分析方法對松散土層、注漿加固土層和初期支護的彈性模量進行了反演分析。全面的測量信息是地下工程巖體力學參數反分析中的關鍵一環[7]。圍巖松動圈厚度分布規律亦是反映擾動條件下圍巖力學反饋的重要參數。近年來，考慮松動圈的反分析方法已有不少學者研究，如陳秋紅等[8]建立了反映松動圈差異性的反饋模型，并提出了數值模擬中對松動圈的處理方法，在錦屏一級水電站反饋分析中取得了良好的效果。張飛等[9]建立了基于松動圈范圍的參數弱化基本模型，并通過后驗差法驗證了該方法的適用性。張繼勛等[10]利用遺傳算法，結合松動圈深度信息，通過反演發現隧道設計采用的參數取值偏安全。綜上所述，巷道力學行為是巷道圍巖在多種動態變化因素擾動下的直觀反映，但目前巷道圍巖力學參數的反演研究大多局限于單獨采用位移監測結果或松動圈測量結果，反演的力學參數可能不夠全面[11]。

本文以圍巖具有蝕變特征的安徽太平礦業有限公司-480 m中段運輸巷道為研究對象，以數值模擬為研究工具，采用黃金分割法，結合現場位移監測結果和塑性松動區兩類測量指標，系統地反演分析了矽卡巖體力學參數，為該巷道后續的穩定性分析提供數據支撐。

1 反演分析方法

1.1 反演參數確定

巖體力學參數主要包括變形參數(彈性模量(E)及泊松比(μ))與強度參數(內聚力(C)、內摩擦角(φ)、抗拉強度(σt))。理論上,當模型中包含的反演參數越多，得到的結果就與現場巖體實際參數越符合；但過多的反演參數不僅會增加反演分析的難度，還會降低最終結果的準確性。依據工程經驗，變形參數中彈性模量(Ε)對巖體變形的影響程度高于泊松比(μ)，強度參數中內聚力(C)對巖體的影響高于內摩擦角(φ)和抗拉強度(σt)。因此，本文選用巷道模型的彈性模量(E)和內聚力(C)作為反演參數。其他影響相對較小的參數依據經驗參數作為已知項代入數值計算。在本文中，強度參數的反演依據現場測試圍巖松動圈范圍，變形參數的反演則依據現場監測的圍巖位移結果。

1.2 反演過程

為了評價反演參數的準確性，構造位移及松動圈反分析的目標函數來評價對比每次反演模擬的準確度。設現場位移及松動圈的實測值為X0，再令數值模擬得到的計算值Xi=(Ei，Ci，μ，φ，σt)，i=1，2，…，n，作為第i次數值模擬計算的參數值。然后將測量值與模擬計算值的差值記為:

(1)

式中：R為目標函數;X0為測量值;Xi為模擬計算值。

選取不同的計算參數則得到的目標函數也不同。運用黃金分割法計算位移與測量位移越接近，則R的值越小。根據礦山已有報告中巷道圍巖資料，結合測量結果，優先確定巖體變形參數，再反演巖體強度參數。

2 巷道圍巖參數反演分析

2.1 工程概況

安徽太平礦業有限公司-480 m中段運輸巷道是該礦山深部開采的明豎井-盲豎井開拓的轉運中段，其穩定性直接關乎深部資源的開采與利用，具有十分重要的戰略意義。受成礦期構造斷裂影響，礦區內地層變動強烈，地層產狀變化顯著，圍巖蝕變作用(主要為矽卡巖化)顯著。蝕變后的矽卡巖體(蝕變巖)常為礦體的直接頂、底板，其形態及范圍受接觸構造控制，暴露后，遇水易膨脹、崩解、碎化，甚至在無淋水條件下，矽卡巖體吸收空氣中的水分，也不斷崩解、膨脹、完全失去強度，巖體穩固性極差，給巷道掘進及后期支護工作帶來極大困擾。盡管巷道采用了保守的錨網噴支護和U形鋼拱架支護，但是巷道仍會發生底鼓、側幫膨出變形；持續的膨出變形導致巷道圍巖片幫塌落，進而影響正常的采礦生產和礦石運輸，甚至造成安全生產事故。因此，反演分析矽卡巖體巷道的力學參數對評價圍巖穩定性、設計維護方案等具有重要意義。

2.2 巷道變形量值

巷道地層位移監測能夠直觀反映巷道開挖及支護后圍巖的各種動態響應。采用多點位移計監測-480 m 中段運輸巷道1#測點處(見圖1)的變形情況。在巷道的左幫和拱頂分別設置埋深為1 m、2 m、3 m、4 m 的4個多點位移計以測量巷道圍巖位移。對各測點進行為期2個月的實時監測，監測頻率為1 min/次，巷道圍巖的累積變形量見圖2。

圖1 測點位置示意圖

由圖2可知：左幫矽卡巖體受開挖擾動影響較大，變形經歷了30多d的急劇增長，最高變化率達1 mm/d，此后變形逐漸穩定，最大位移為48 mm。拱頂位移雖變化較小，最大位移只有2.6 mm，但拱頂變形持續時間較長，48 d以后趨于平穩。并且，隨孔深增加，巷道圍巖穩定性逐漸增加，各測點變形量逐漸減小。

2.3 松動圈測試

通過聲波測試得出的松動圈大小，直接反映巖體的完整性程度，進而更深層次地體現圍巖強度參數(內聚力)的強弱。因此，松動圈大小和分布在判定圍巖穩定性的同時也可作為圍巖參數反演的重要依據。采用意大利FASTWAVE高速高精度探地雷達，在-480 m中段運輸巷道處沿巷道走向進行了掃描探測。左幫在巷道掘進過程中發生了局部坍塌，地質雷達探測結果顯示該段巷道松動圈大部分區域松動圈厚度約2.00 m，局部超過2.50 m(見圖3)。經過統計計算，矽卡巖體巷道圍巖松動圈厚度約為2.25 m。

2.4 計算模型建立

以安徽太平礦業有限公司-480 m中段運輸巷道為研究對象，采用Flac3D軟件建立三維數值模型(見圖4)，模型尺寸為60.0 m×40.0 m×40.0 m，巷道處于模型中心，斷面尺寸為2.5 m×2.5 m。模型四周施加法向約束邊界條件，底部為全約束邊界條件，為模擬模型上部賦巖的重量，在頂部施加16.6 MPa均布載荷。模型共劃分單元數523 156個，節點數94 447個。采用更能反映巖體強度隨塑性變形變化的應變軟化模型，反演計算巷道周圍矽卡巖體的力學參數。

圖2 測點位移變化曲線

圖3 巷道松動圈范圍

2.5 反演計算分析

利用黃金分割法進行迭代計算，根據現場地質報告中的圍巖參數資料，確定待反演參數E、C的取值(見表1、表2)分別為0～17.53 GPa和0～4.23 MPa。

圖4 巷道三維數值模型及尺寸

計算過程中其他參數保持不變，泊松比取0.3，內摩擦角為33°，抗拉強度為0.5 MPa，密度為2 630 kg/m3。當目標函數取值小于0.01時，即得到反演結果。由表1可知：經過7次黃金分割，10次數值計算后，矽卡巖體的彈性模量目標函數符合目標值。此時，彈性模量為2.1 GPa，模擬計算得到巷道左幫位移為48.1 mm，與巷道監測到的最終變形量(48 mm)相吻合，等于設置的目標函數值0.01。由表2可知：當選取的內聚力為1.51 MPa時，模擬計算得到的松動圈范圍為2.25 m，與實際測試深度吻合，小于目標函數值(0.01)。綜上所述，矽卡巖體的彈性模量取2.1 GPa，內聚力取1.51 MPa時，為該參數組合的最優解。

3 結 論

本文聯合位移-松動圈2種測量指標，通過Flac3D軟件建立三維模型，基于黃金分割法，對安徽太平礦業有限公司-480 m中段運輸巷道的力學參數進行了反演分析。主要結論如下：

1)反演過程中選取圍巖的彈性模量與內聚力作為反演參數，而將其他影響程度較小的參數當成已知參數代入數值計算，可以精確計算出拱頂沉降位移及圍巖松動圈范圍，節約迭代次數，減少計算量。

表1 巖體參數E反演結果

表2 巖體參數C反演結果

2)本次工程圍巖力學參數反演結果為：彈性模量2.1 GPa，內聚力1.51 MPa，計算結果與現場測量數據吻合，說明了反演分析方法的可行性。

3)基于位移-松動圈2種測量指標的反演分析方法具有很高的可信度，本文的方法也可以用于類似工程的參數分析。