深部矿体回采过程对巷道变形影响研究*

刘 炜 杨瑞霞 张睿冲

(广西大学资源与冶金学院)

矿体进入深部开采以后，巷道变形日趋复杂，除了深部高应力对巷道稳定作用以外，矿体的开采顺序及过程对围岩影响也很大。深井开采中，采取合理的矿床开采顺序，有利于改善岩体的应力分布状态，控制由于采动影响而造成的应力增高带相互重叠的程度［1-3］。开展回采顺序数值模拟优化研究，对保证矿山安全生产具有重要的意义［4-5］。为了更加深入地了解巷道围岩在开采过程中的变形破坏规律，还应该从上下分段巷道回采的角度来分析巷道围岩的应力变化规律。

1 数值模拟

1.1 计算模型

根据本次研究的内容和力学特点，建立了3个分段水平的采场巷道岩体力学数值计算模型。模型选用所研究矿山－375 m水平巷道，通过采用FLAC3D软件对巷道进行数值模拟，计算模型横断面如图1所示，开采顺序按分段从上到下依次进行。

1.2 围岩应力分析

通过巷道回采过程的数值模拟计算可以看出，在同一水平层面上，相邻巷道的回采对巷道围岩的应力、位移影响不是很大，而不同水平分段(即上下相邻分段)的巷道回采，对巷道围岩的应力变化有较大、较明显的影响，因此，这里主要分析上下相邻分段巷道的回采对围岩的应力影响。

图1 巷道数值模拟计算模型横断面(单位:m)

上分段3条巷道回采完成后，巷道围岩应力分布如图2和图3所示。

图2 上分段巷道回采完水平应力分布

图3 上分段巷道回采完垂直应力分布

从图2中可以看出，上分段3条巷道回采完成后，巷道顶部出现应力拱，应力集中系数在2.0左右。而在中间分段4条巷道与上分段回采后的3条巷道之间的应力集中区范围有所减小。可见，上分段巷道的回采，可以对下面巷道周围的应力集中区进行卸压，而且，在已经回采完的上分段巷道顶部形成了应力拱，这样更有利于下分段巷道的开挖。但是，中层分段4条已开挖的巷道与下分段3条未开挖的巷道之间的柱状应力集中区域仍然存在。

从图3可以看出，上分段已经回采的3条巷道之间有很小范围的应力集中区，但在中间4条巷道之间，形成了非常明显的椭球状应力集中区域，应力集中系数在1.2～1.5。4号和7号巷道的外侧也有一部分应力集中区，但集中程度明显没有中间2条巷道之间的应力集中程度高，主要原因是中间巷道之间的应力集中是相邻巷道周边应力集中区相互叠加，从而导致中间的应力集中程度增加。

1.3 围岩的塑性区

上分段巷道回采完成后，巷道围岩的塑性区见图4。从图中可以看出，中间分段未回采的巷道虽然是稳定的，但已有部分地方发生塑性破坏，主要集中在拱底和两帮底部，特别是5号和6号巷道。

图4 上层巷道回采完成后的塑性区

2 上分段巷道回采过程

在巷道回采过程中，回采分步进行，因此不需要讨论沿巷道进路方向发生的位移，只关注断面上巷道两帮的水平位移和顶、底板的竖直位移。上层巷道回采完后，巷道位移见图5和图6。

图5 上分段巷道回采完水平位移

图6 上分段巷道回采完垂直位移

从图5和图6可以看出:上分段回采完成后，中层巷道两帮最大水平位移为10 mm。中层巷道顶板最大竖直位移为10.5 mm，底板最大位移为5 mm。

下分段3条巷道(8～10号)开挖完成后(在开挖8～10号巷道时，最上分段的3条巷道已经回采完)，巷道围岩的水平方向应力和竖直方向应力分布分别见图7和图8。

图7 下分段巷道开挖完水平应力分布

图8 下分段巷道开挖完垂直应力分布

从图7可以看出，下面2个分段巷道的两帮均形成了卸压区，而在顶底板则形成应力集中带，应力集中系数为1.5～1.7，这是因为随着开采深度的增加，应力值增加。另外，由于两帮的水平应力减小，使这些区域的限制应力减小，更易产生破坏。

从图8可以看出，垂直方向的应力，在上分段3条回采完的巷道之间的应力集中区域小，程度比较低。中间4条巷道之间的应力集中区域很明显，应力集中系数为1.38～1.5。下分段3条巷道之间的应力集中区域比中间4条巷道之间的应力集中区域更大，应力集中系数在1.38～1.53。

下分段3条巷道开挖完后，中间4条巷道两帮的最大水平位移约为7.5 mm，下分段3条巷道两帮的最大水平位移为7.1 mm。中间4条巷道顶板最大垂直位移为14 mm，底板最大垂直位移为12.4 mm，下分段3条巷道中，顶板最大位移为5.8 mm，底板最大位移为5.5 mm。

下分段巷道开挖完成后巷道及围岩塑性区分布:下分段巷道周围的塑性区范围明显扩大，下分段3条巷道之间几乎全部为塑性区。因此，生产过程中，必须进行及时、有效的支护来保证生产的安全和顺利进行。

3 中分段巷道回采过程

水平应力方面，当中层4条巷道全部回采完成后，在4条巷道顶部形成了非常明显的压力拱，下分段巷道底板下部有很明显的应力集中区，应力集中系数范围为1.6～2.0。在下分段巷道周围，垂直应力向两旁转移，在整个巷道群的下方形成了弧形卸压区域，卸压深度最大达到15 m左右。

上面2分段巷道回采完成后，巷道围岩的塑性区具有以下特征:回采后的巷道顶板出现了塑性破坏，下分段未回采的巷道周围的塑性区范围扩大，而且在下分段巷道底板处发生了拉伸破坏，相邻巷道之间有些地方的塑性区已经相互贯通。可见，如果回采过程中不对巷道围岩进行支护加固的话，将会导致下层巷道未回采就发生了破坏，这对巷道的稳定性和矿山安全生产是不利的。

上面2分段巷道回采完成后巷道围岩位移:中层巷道回采完成后，下分段巷道两帮最大水平位移为11.6 mm。下分段巷道顶板最大垂直位移为11 mm，底板最大垂直位移为5 mm。

从以上2分段巷道的整个回采过程中，对比相应位移图可知:水平方向的位移几乎变化不大，而巷道顶板竖直方向的位移随开采深度的增加，从上至下依次减小，底板位移从上到下依次增大。

4 结语

(1)在开挖过程中，水平方向的应力在巷道上下形成应力集中区，其中，在巷道顶板上部矿体部位，应力集中区比较大，距离顶板比较近;巷道底板下部的应力集中区距离底部距离比较远，集中面积较小。竖直方向的应力在巷道两边形成应力集中区，其中相邻巷道之间的应力集中程度更高。

(2)在回采过程中，巷道周边应力变化跟开挖时不同，主要表现在水平方向的应力在巷道上下仍然形成应力集中区。但是，随着上分段巷道的回采，下分段巷道顶板上部矿体的应力集中区域逐渐减少，巷道底板下部矿体的应力集中区域逐渐增加，上分段回采完成后，在其顶板上部形成了应力较高的应力拱，回采起到了卸压的作用，巷道底板下部形成新的应力集中带。垂直应力方面，相邻巷道之间依然有应力集中区域，随着巷道的不断回采，下分段巷道底板周围的应力集中区域向外扩散，形成弧形卸压区，实现了回采过程中的应力转移。因此，在生产中，利用卸压开采可以减轻地压危害。

(3)上面2分段巷道回采完成后，巷道顶板出现了塑性破坏，下分段未回采的巷道周围的塑性区范围扩大，而且在下分段巷道底板处发生了拉伸破坏，相邻巷道之间有些地方的塑性区已经相互贯通。在回采过程中需对巷道及时支护。

(4)巷道围岩的位移在水平方向和竖直方向表现出了一定的差异性。巷道两帮水平位移随着上下分段的开采变化范围不大，基本上最大水平位移都在11 mm左右。竖直方向的位移，巷道顶板和底板处变化规律不同，巷道顶板位移从上到下，随着开采深度的增加而逐渐减小，巷道底板的位移从上到下，随着开采深度的增加而逐渐增大。

［1］ 徐文彬，宋卫东，等.大阶段嗣后充填回采顺序及出矿控制技术研究［J］.金属矿山，2011(6):13-15.

［2］ 施建俊，孟海利.采场结构参数与回采顺序的数值模拟优化研究［J］.有色全属:矿山部分，2005(3):9-11.

［3］ 杨承祥.深井金属矿床高效开采及地压监控技术研究［D］.长沙:中南大学，2007.

［4］ 曹 明，吕广忠，王志国.金厂峪地下采场回采顺序弹塑性数值模拟分析［J］.金属矿山，2004(12):23-26.

［5］ 杨典森，陈卫忠，杨为民，等.龙滩地下洞室群围岩稳定性分析［J］.岩土力学，2004，259(3):391-395.