高水平應(yīng)力條件下某鎢礦巷道圍巖穩(wěn)定性分析

肖國(guó)喜，郁富林

(1.江西國(guó)泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.江西小龍鎢業(yè)有限公司， 江西 吉安市 343723)

高水平應(yīng)力條件下某鎢礦巷道圍巖穩(wěn)定性分析

肖國(guó)喜1，郁富林2

(1.江西國(guó)泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.江西小龍鎢業(yè)有限公司， 江西 吉安市 343723)

某鎢礦在開挖巷道過程中，受高水平應(yīng)力影響，巷道兩幫及頂?shù)装宄霈F(xiàn)不同程度的擠壓變形與破壞，為對(duì)后期巷道維護(hù)方案提供理論依據(jù)，采用Phase2軟件模擬分析在水平應(yīng)力作用下各區(qū)域巷道圍巖塑性區(qū)范圍變化情況，研究表明：巷道頂板的穩(wěn)定性很大程度上受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，并存在極值λ，當(dāng)高于此值時(shí)，圍巖穩(wěn)定性迅速下降；當(dāng)巖石存有結(jié)構(gòu)弱面時(shí)，塑性區(qū)范圍大大增加，甚至可能超過巷道寬度，在一些關(guān)鍵部位和破碎帶區(qū)域需要進(jìn)一步支護(hù)。

高水平應(yīng)力；巷道支護(hù)；圍巖穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；塑性區(qū)

0 引 言

某鎢礦以北東向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向，受近似水平構(gòu)造應(yīng)力作用為主，底鼓現(xiàn)象較少，若巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直，則巷道兩幫受力最大，巷道一般呈現(xiàn)兩幫擠壓變形現(xiàn)象。尤其是巷道正處于巖石比較破碎地段或者巖石強(qiáng)度本身很小的情況下，導(dǎo)致圍巖變形破壞。由于巷道圍巖在水平應(yīng)力作用下，力學(xué)特性表現(xiàn)與巷道所處區(qū)域有很大關(guān)系[1]，本文采用塑性區(qū)范圍對(duì)巷道穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 巷道位置與力學(xué)分析

1.1 構(gòu)建理論模型

在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中掘進(jìn)巷道，根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)建理論公式[2]，并考慮到種種因素，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)巷道受力模型如圖1所示[3]。

圖1 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)巷道受力模型

1.2 塑性區(qū)的理論范圍

在彈性區(qū)內(nèi)圓形巷道圍巖應(yīng)力如式(1)分布[4]：

(1)

式中，λ為側(cè)壓系數(shù)；q為垂直應(yīng)力；a為巷道半徑；r為距巷道中心距離；θ為與X軸夾角；σr為徑向正應(yīng)力；σθ為切向正應(yīng)力；τrθ為剪應(yīng)力。

某點(diǎn)的主應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

式中，σr為徑向正應(yīng)力；σθ為切向正應(yīng)力；τrθ為剪應(yīng)力；σ1為最大主應(yīng)力；σ2為最小主應(yīng)力。

將式(1)代入式(2)，可得構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中圓形巷道圍巖彈性區(qū)內(nèi)主應(yīng)力計(jì)算公式：

(3)

式中：

(4)

由莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，在塑性區(qū)內(nèi)一點(diǎn)的主應(yīng)力滿足：

(5)

式中，C為巖體粘聚力；φ為巖體內(nèi)摩擦角。

因此，由式(3)和式(5)，可得：

(6)

由式(6)可知，解集(r，θ)連成的曲線即為塑性區(qū)的邊界線[5]，側(cè)壓系數(shù)λ、圍巖垂直壓力q、巖體的內(nèi)聚力C和巖體的內(nèi)摩擦角φ是影響構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中塑性區(qū)范圍的主要因素。

1.3 塑性區(qū)范圍的影響因素

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)的塑性區(qū)

(2) 圍巖垂直壓力q。圍巖垂直壓力q=5，10，15， 20 MPa時(shí)，分布范圍見圖3，在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，隨q值增加，塑性區(qū)范圍不斷增大，巷道維護(hù)更為困難。

(3) 巖體的內(nèi)聚力。由圖4可知，隨C值變大，塑性區(qū)范圍逐漸減小，巷道的穩(wěn)定性得到提高。

(4) 巖體的內(nèi)摩擦角φ。由圖5可知，隨φ值的增加，塑性區(qū)范圍逐漸減??；在φ<30°后，塑性區(qū)范圍對(duì)φ值的變化敏感。

圖3 不同垂直壓力的塑性區(qū)

圖4 不同內(nèi)聚力的塑性區(qū)

圖5 不同內(nèi)摩擦角的塑性區(qū)

2 巷道變形數(shù)值模擬分析

2.1 模型的構(gòu)建

本研究采用Phase2進(jìn)行巷道受力變形數(shù)值模擬分析[6]，選擇該鎢礦8線剖面為建模依據(jù)。巷道主要布置在上盤圍巖和下盤圍巖。巷道模型如圖6所示。

模型邊界約束采用位移約束的邊界條件。所有節(jié)點(diǎn)X、Y方向全部約束?？紤]到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)計(jì)算的影響，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，1690中段的最大主應(yīng)力為：σ1=14.167 MPa，σ2=5.498 MPa，σ3=1.752 MPa。

2.2 材料力學(xué)參數(shù)選擇

根據(jù)巖體分類修正巖石力學(xué)參數(shù)，取巖石質(zhì)量指標(biāo)(CSIR)為100和60時(shí)的巖石完整程度(s)，巖石性質(zhì)(M)，粘聚力(c)，抗拉強(qiáng)度(σt)，抗壓強(qiáng)度(σC)和內(nèi)摩擦角(φ)(見表1)，對(duì)比分析完整巖石和含有結(jié)構(gòu)面的不完整巖石的變形特征。

表1 巖石質(zhì)量指標(biāo)與巖石力學(xué)常數(shù)

2.3 模擬結(jié)果分析

從圖7可知，完整巖石(二云母石英片巖)和不完整巖石的塑性區(qū)變化很大，若上盤圍巖完整，則僅在巷道的兩幫產(chǎn)生一定的塑性區(qū)，這時(shí)采用噴射混泥土支護(hù)可滿足支護(hù)要求。但巖石并非完整結(jié)構(gòu)，當(dāng)存在結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖石性質(zhì)被削弱，圖7(b)顯示塑性區(qū)范圍大大增加，尤其是在巷道頂部的兩邊，塑性區(qū)可以達(dá)到甚至超過巷道寬度(2 m)。根據(jù)松動(dòng)圈理論可以得到同樣的解釋，這時(shí)錨桿的錨固力沒有到達(dá)堅(jiān)硬巖石中，從而失效。從圖8可知，下盤圍巖中巷道的塑性區(qū)變化具有相同的規(guī)律，但對(duì)比上盤圍巖而言，下盤圍巖中巷道的塑性區(qū)范圍要小。

圖7 上盤圍巖巷道在不同巖石質(zhì)量下的塑性區(qū)范圍

圖8 下盤圍巖巷道在不同巖石質(zhì)量下的塑性區(qū)范圍

3 結(jié) 論

(1) 若圍巖自身強(qiáng)度越高，則巷道周邊各處越穩(wěn)定；當(dāng)壓力作用于巷道圍巖時(shí)，圍巖穩(wěn)定性變化均勻且與壓力成正相關(guān)，其失穩(wěn)現(xiàn)象表現(xiàn)的更為強(qiáng)烈，這與實(shí)際開挖巷道遇到的問題相一致，即開挖越深，維護(hù)越困難；但水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力作用在巷道圍巖上，其穩(wěn)定性變化具有非均稱性，即前者穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在巷道頂?shù)装?，而后者表現(xiàn)在兩幫。

(2) 數(shù)值模擬認(rèn)為完整巖石和不完整巖石的塑性區(qū)變化很大，若上盤圍巖完整，則僅在巷道的兩幫產(chǎn)生一定的塑性區(qū)，這時(shí)采用噴射混泥土支護(hù)就可以滿足支護(hù)要求，但若巖石存有結(jié)構(gòu)弱面時(shí)，巖石性質(zhì)被削弱，塑性區(qū)范圍大大增加，甚至可能超過巷道寬度，導(dǎo)致錨桿錨固作用失效，因此在一些關(guān)鍵部位和破碎帶區(qū)域需要進(jìn)一步支護(hù)。

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肖國(guó)喜(1989-)，男，江西吉安人，助理工程師，巖土工程及礦山露天爆破，Email：363564777@qq.com。