深部礦體回采過程對巷道變形影響研究*

劉 煒 楊瑞霞 張睿沖

(廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院)

礦體進(jìn)入深部開采以后，巷道變形日趨復(fù)雜，除了深部高應(yīng)力對巷道穩(wěn)定作用以外，礦體的開采順序及過程對圍巖影響也很大。深井開采中，采取合理的礦床開采順序，有利于改善巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)，控制由于采動影響而造成的應(yīng)力增高帶相互重疊的程度［1-3］。開展回采順序數(shù)值模擬優(yōu)化研究，對保證礦山安全生產(chǎn)具有重要的意義［4-5］。為了更加深入地了解巷道圍巖在開采過程中的變形破壞規(guī)律，還應(yīng)該從上下分段巷道回采的角度來分析巷道圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)本次研究的內(nèi)容和力學(xué)特點(diǎn)，建立了3個(gè)分段水平的采場巷道巖體力學(xué)數(shù)值計(jì)算模型。模型選用所研究礦山－375 m水平巷道，通過采用FLAC3D軟件對巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算模型橫斷面如圖1所示，開采順序按分段從上到下依次進(jìn)行。

1.2 圍巖應(yīng)力分析

通過巷道回采過程的數(shù)值模擬計(jì)算可以看出，在同一水平層面上，相鄰巷道的回采對巷道圍巖的應(yīng)力、位移影響不是很大，而不同水平分段(即上下相鄰分段)的巷道回采，對巷道圍巖的應(yīng)力變化有較大、較明顯的影響，因此，這里主要分析上下相鄰分段巷道的回采對圍巖的應(yīng)力影響。

圖1 巷道數(shù)值模擬計(jì)算模型橫斷面(單位:m)

上分段3條巷道回采完成后，巷道圍巖應(yīng)力分布如圖2和圖3所示。

圖2 上分段巷道回采完水平應(yīng)力分布

圖3 上分段巷道回采完垂直應(yīng)力分布

從圖2中可以看出，上分段3條巷道回采完成后，巷道頂部出現(xiàn)應(yīng)力拱，應(yīng)力集中系數(shù)在2.0左右。而在中間分段4條巷道與上分段回采后的3條巷道之間的應(yīng)力集中區(qū)范圍有所減小?？梢姡戏侄蜗锏赖幕夭?，可以對下面巷道周圍的應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行卸壓，而且，在已經(jīng)回采完的上分段巷道頂部形成了應(yīng)力拱，這樣更有利于下分段巷道的開挖。但是，中層分段4條已開挖的巷道與下分段3條未開挖的巷道之間的柱狀應(yīng)力集中區(qū)域仍然存在。

從圖3可以看出，上分段已經(jīng)回采的3條巷道之間有很小范圍的應(yīng)力集中區(qū)，但在中間4條巷道之間，形成了非常明顯的橢球狀應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)在1.2～1.5。4號和7號巷道的外側(cè)也有一部分應(yīng)力集中區(qū)，但集中程度明顯沒有中間2條巷道之間的應(yīng)力集中程度高，主要原因是中間巷道之間的應(yīng)力集中是相鄰巷道周邊應(yīng)力集中區(qū)相互疊加，從而導(dǎo)致中間的應(yīng)力集中程度增加。

1.3 圍巖的塑性區(qū)

上分段巷道回采完成后，巷道圍巖的塑性區(qū)見圖4。從圖中可以看出，中間分段未回采的巷道雖然是穩(wěn)定的，但已有部分地方發(fā)生塑性破壞，主要集中在拱底和兩幫底部，特別是5號和6號巷道。

圖4 上層巷道回采完成后的塑性區(qū)

2 上分段巷道回采過程

在巷道回采過程中，回采分步進(jìn)行，因此不需要討論沿巷道進(jìn)路方向發(fā)生的位移，只關(guān)注斷面上巷道兩幫的水平位移和頂、底板的豎直位移。上層巷道回采完后，巷道位移見圖5和圖6。

圖5 上分段巷道回采完水平位移

圖6 上分段巷道回采完垂直位移

從圖5和圖6可以看出:上分段回采完成后，中層巷道兩幫最大水平位移為10 mm。中層巷道頂板最大豎直位移為10.5 mm，底板最大位移為5 mm。

下分段3條巷道(8～10號)開挖完成后(在開挖8～10號巷道時(shí)，最上分段的3條巷道已經(jīng)回采完)，巷道圍巖的水平方向應(yīng)力和豎直方向應(yīng)力分布分別見圖7和圖8。

圖7 下分段巷道開挖完水平應(yīng)力分布

圖8 下分段巷道開挖完垂直應(yīng)力分布

從圖7可以看出，下面2個(gè)分段巷道的兩幫均形成了卸壓區(qū)，而在頂?shù)装鍎t形成應(yīng)力集中帶，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5～1.7，這是因?yàn)殡S著開采深度的增加，應(yīng)力值增加。另外，由于兩幫的水平應(yīng)力減小，使這些區(qū)域的限制應(yīng)力減小，更易產(chǎn)生破壞。

從圖8可以看出，垂直方向的應(yīng)力，在上分段3條回采完的巷道之間的應(yīng)力集中區(qū)域小，程度比較低。中間4條巷道之間的應(yīng)力集中區(qū)域很明顯，應(yīng)力集中系數(shù)為1.38～1.5。下分段3條巷道之間的應(yīng)力集中區(qū)域比中間4條巷道之間的應(yīng)力集中區(qū)域更大，應(yīng)力集中系數(shù)在1.38～1.53。

下分段3條巷道開挖完后，中間4條巷道兩幫的最大水平位移約為7.5 mm，下分段3條巷道兩幫的最大水平位移為7.1 mm。中間4條巷道頂板最大垂直位移為14 mm，底板最大垂直位移為12.4 mm，下分段3條巷道中，頂板最大位移為5.8 mm，底板最大位移為5.5 mm。

下分段巷道開挖完成后巷道及圍巖塑性區(qū)分布:下分段巷道周圍的塑性區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，下分段3條巷道之間幾乎全部為塑性區(qū)。因此，生產(chǎn)過程中，必須進(jìn)行及時(shí)、有效的支護(hù)來保證生產(chǎn)的安全和順利進(jìn)行。

3 中分段巷道回采過程

水平應(yīng)力方面，當(dāng)中層4條巷道全部回采完成后，在4條巷道頂部形成了非常明顯的壓力拱，下分段巷道底板下部有很明顯的應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)范圍為1.6～2.0。在下分段巷道周圍，垂直應(yīng)力向兩旁轉(zhuǎn)移，在整個(gè)巷道群的下方形成了弧形卸壓區(qū)域，卸壓深度最大達(dá)到15 m左右。

上面2分段巷道回采完成后，巷道圍巖的塑性區(qū)具有以下特征:回采后的巷道頂板出現(xiàn)了塑性破壞，下分段未回采的巷道周圍的塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，而且在下分段巷道底板處發(fā)生了拉伸破壞，相鄰巷道之間有些地方的塑性區(qū)已經(jīng)相互貫通?？梢姡绻夭蛇^程中不對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)加固的話，將會導(dǎo)致下層巷道未回采就發(fā)生了破壞，這對巷道的穩(wěn)定性和礦山安全生產(chǎn)是不利的。

上面2分段巷道回采完成后巷道圍巖位移:中層巷道回采完成后，下分段巷道兩幫最大水平位移為11.6 mm。下分段巷道頂板最大垂直位移為11 mm，底板最大垂直位移為5 mm。

從以上2分段巷道的整個(gè)回采過程中，對比相應(yīng)位移圖可知:水平方向的位移幾乎變化不大，而巷道頂板豎直方向的位移隨開采深度的增加，從上至下依次減小，底板位移從上到下依次增大。

4 結(jié)語

(1)在開挖過程中，水平方向的應(yīng)力在巷道上下形成應(yīng)力集中區(qū)，其中，在巷道頂板上部礦體部位，應(yīng)力集中區(qū)比較大，距離頂板比較近;巷道底板下部的應(yīng)力集中區(qū)距離底部距離比較遠(yuǎn)，集中面積較小。豎直方向的應(yīng)力在巷道兩邊形成應(yīng)力集中區(qū)，其中相鄰巷道之間的應(yīng)力集中程度更高。

(2)在回采過程中，巷道周邊應(yīng)力變化跟開挖時(shí)不同，主要表現(xiàn)在水平方向的應(yīng)力在巷道上下仍然形成應(yīng)力集中區(qū)。但是，隨著上分段巷道的回采，下分段巷道頂板上部礦體的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸減少，巷道底板下部礦體的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸增加，上分段回采完成后，在其頂板上部形成了應(yīng)力較高的應(yīng)力拱，回采起到了卸壓的作用，巷道底板下部形成新的應(yīng)力集中帶。垂直應(yīng)力方面，相鄰巷道之間依然有應(yīng)力集中區(qū)域，隨著巷道的不斷回采，下分段巷道底板周圍的應(yīng)力集中區(qū)域向外擴(kuò)散，形成弧形卸壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)了回采過程中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。因此，在生產(chǎn)中，利用卸壓開采可以減輕地壓危害。

(3)上面2分段巷道回采完成后，巷道頂板出現(xiàn)了塑性破壞，下分段未回采的巷道周圍的塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，而且在下分段巷道底板處發(fā)生了拉伸破壞，相鄰巷道之間有些地方的塑性區(qū)已經(jīng)相互貫通。在回采過程中需對巷道及時(shí)支護(hù)。

(4)巷道圍巖的位移在水平方向和豎直方向表現(xiàn)出了一定的差異性。巷道兩幫水平位移隨著上下分段的開采變化范圍不大，基本上最大水平位移都在11 mm左右。豎直方向的位移，巷道頂板和底板處變化規(guī)律不同，巷道頂板位移從上到下，隨著開采深度的增加而逐漸減小，巷道底板的位移從上到下，隨著開采深度的增加而逐漸增大。

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