某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析

2015-01-20赵春涛

现代矿业 2015年12期

关键词：拱部边墙轴力

赵春涛

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析

赵春涛

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

利用FLAC3D软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进行了稳定性分析，得出硐室围岩松弛区范围、监测点的位移变化规律及支护结构的内力值。结合硐室稳定性经验判据，对硐室支护前和支护后进行了稳定性的量化判定，可为硐室开挖和支护参数设计提供参考。

大型硐室稳定性数值分析监测点位移支护参数 FLAC3D

当前冶金矿山领域地下硐室支护设计多以工程类比为主[1-2]，但对于非常规的大型硐室而言，由于工程条件的差异，工程类比的可靠性较差。数值分析技术可提供有效的量化分析结果，为硐室开挖和支护提供数据支持[3-4]。为此，本研究基于FLAC3D软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进行稳定性分析。

1 项目概况

张家湾铁矿地下选厂立磨硐室，硐室断面形式为直墙圆弧拱，规格82 m×23 m×31 m，直墙高24 m，硐室埋深500 m，硐室为特大型硐室，几何模型见图1。硐室开挖影响范围内的围岩中等稳定，物理力学参数见表1。

图1 硐室几何模型

表1 围岩物理力学参数

2 数值分析

基于FLAC3D软件，采用Mohr-Coulomb模型作为岩体本构模型[5-8]，硐室稳定性判据见表2。

2.1 毛硐稳定性数值分析

毛硐在不支护的条件下，按自上而下的顺序分3次开挖进行稳定性分析，拱部1次开挖，边墙分2次开挖。根据对称性，取半模型进行计算，物理模型见图2，硐室中部应力等值线见图3，硐室中部位移等值线见图4。

表2 硐室稳定判据

图2 硐室物理模型

由图3、图4可知：①硐室边墙塑性区和应力松弛区深度达17 m，为硐室跨度的74%，大于经验判据的60%，边墙不稳定，发生垮塌的可能性极大；②由于边墙为分部开挖，最大位移点向边墙中下部和中上部转移，约40 mm；③拱部应力松弛区约10 m，为硐室跨度的43%，拱部稳定性较差。

2.2 硐室开挖及支护过程数值分析

根据毛硐分析结果拟定支护形式为锚喷+局部预应力锚索支护。锚杆为φ28 mm砂浆锚杆，间排距1.2 m，长6 m。边墙中上部布置φ15.2 mm钢绞线锚索束，间排距4 m，长16 m，锚固长8 m。喷射混凝土厚 250 mm，锚杆及预应力锚索采用cable单元模拟，喷层采用shell单元模拟，力学参数见表3，喷射混凝土力学参数见表4。

图3 毛硐室中部应力等值线(单位：MPa)

表3 预应力锚索力学参数

表4 喷射混凝土力学参数

施工过程：首先施工拱部，然后向下分3层施工边墙，单次掘进进尺15 m，开挖支护共20步，锚喷支护紧跟工作面，锚索待各层开挖完毕后安装。施工过程中对危险点位移进行了监测，点位位置及监测结果分别见图5、图6。硐室开挖完成后二次应力分布及支护结构的部分数值分析结果见图7。

由图7及相关模拟结果可知：①支护后边墙松弛区约8 m，松弛区范围减小，约为跨度的38%，拱部最大位移30 mm，边墙最大位移22 mm，均处于安全范围内；②锚索轴力1 430 kN·m，未超过其设计抗拉力，锚索安全，拱部锚杆最大轴力143 kN·m，边墙局部锚杆超过了拉力设计值；③喷层最大轴力915 kN·m，最大弯矩91.6 kN·m，最大压应力发生于拱部与边墙墙角处，为12.5 MPa，未超过喷层抗压强度的设计值，喷层安全；④边墙局部锚杆出现了滑移，因锚喷支护紧跟工作面，使围岩应力未得到一定程度的释放，因此实际锚杆轴力应小于计算值，边墙端部最大轴力169 kN·m，锚杆安全。