高水平应力条件下某钨矿巷道围岩稳定性分析

肖国喜，郁富林

(1.江西国泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.江西小龙钨业有限公司， 江西 吉安市 343723)

高水平应力条件下某钨矿巷道围岩稳定性分析

肖国喜1，郁富林2

(1.江西国泰五洲爆破工程有限公司， 江西 南昌 330038； 2.江西小龙钨业有限公司， 江西 吉安市 343723)

某钨矿在开挖巷道过程中，受高水平应力影响，巷道两帮及顶底板出现不同程度的挤压变形与破坏，为对后期巷道维护方案提供理论依据，采用Phase2软件模拟分析在水平应力作用下各区域巷道围岩塑性区范围变化情况，研究表明：巷道顶板的稳定性很大程度上受水平构造应力影响，并存在极值λ，当高于此值时，围岩稳定性迅速下降；当岩石存有结构弱面时，塑性区范围大大增加，甚至可能超过巷道宽度，在一些关键部位和破碎带区域需要进一步支护。

高水平应力；巷道支护；围岩稳定性；数值模拟；塑性区

0 引 言

某钨矿以北东向为最大主应力方向，受近似水平构造应力作用为主，底鼓现象较少，若巷道轴向与构造应力方向垂直，则巷道两帮受力最大，巷道一般呈现两帮挤压变形现象。尤其是巷道正处于岩石比较破碎地段或者岩石强度本身很小的情况下，导致围岩变形破坏。由于巷道围岩在水平应力作用下，力学特性表现与巷道所处区域有很大关系[1]，本文采用塑性区范围对巷道稳定性进行评价。

1 巷道位置与力学分析

1.1 构建理论模型

在构造应力场中掘进巷道，根据构造应力构建理论公式[2]，并考虑到种种因素，构造应力场巷道受力模型如图1所示[3]。

图1 构造应力场巷道受力模型

1.2 塑性区的理论范围

在弹性区内圆形巷道围岩应力如式(1)分布[4]：

(1)

式中，λ为侧压系数；q为垂直应力；a为巷道半径；r为距巷道中心距离；θ为与X轴夹角；σr为径向正应力；σθ为切向正应力；τrθ为剪应力。

某点的主应力计算公式：

(2)

式中，σr为径向正应力；σθ为切向正应力；τrθ为剪应力；σ1为最大主应力；σ2为最小主应力。

将式(1)代入式(2)，可得构造应力场中圆形巷道围岩弹性区内主应力计算公式：

(3)

式中：

(4)

由莫尔-库仑强度准则，在塑性区内一点的主应力满足：

(5)

式中，C为岩体粘聚力；φ为岩体内摩擦角。

因此，由式(3)和式(5)，可得：

(6)

由式(6)可知，解集(r，θ)连成的曲线即为塑性区的边界线[5]，侧压系数λ、围岩垂直压力q、岩体的内聚力C和岩体的内摩擦角φ是影响构造应力场中塑性区范围的主要因素。

1.3 塑性区范围的影响因素

图2 不同侧压系数的塑性区

(2) 围岩垂直压力q。围岩垂直压力q=5，10，15， 20 MPa时，分布范围见图3，在构造应力场中，随q值增加，塑性区范围不断增大，巷道维护更为困难。

(3) 岩体的内聚力。由图4可知，随C值变大，塑性区范围逐渐减小，巷道的稳定性得到提高。

(4) 岩体的内摩擦角φ。由图5可知，随φ值的增加，塑性区范围逐渐减小；在φ<30°后，塑性区范围对φ值的变化敏感。

图3 不同垂直压力的塑性区

图4 不同内聚力的塑性区

图5 不同内摩擦角的塑性区

2 巷道变形数值模拟分析

2.1 模型的构建

本研究采用Phase2进行巷道受力变形数值模拟分析[6]，选择该钨矿8线剖面为建模依据。巷道主要布置在上盘围岩和下盘围岩。巷道模型如图6所示。

模型边界约束采用位移约束的边界条件。所有节点X、Y方向全部约束。考虑到构造应力场对计算的影响，根据地应力测量结果，1690中段的最大主应力为：σ1=14.167 MPa，σ2=5.498 MPa，σ3=1.752 MPa。

2.2 材料力学参数选择

根据岩体分类修正岩石力学参数，取岩石质量指标(CSIR)为100和60时的岩石完整程度(s)，岩石性质(M)，粘聚力(c)，抗拉强度(σt)，抗压强度(σC)和内摩擦角(φ)(见表1)，对比分析完整岩石和含有结构面的不完整岩石的变形特征。

表1 岩石质量指标与岩石力学常数

2.3 模拟结果分析

从图7可知，完整岩石(二云母石英片岩)和不完整岩石的塑性区变化很大，若上盘围岩完整，则仅在巷道的两帮产生一定的塑性区，这时采用喷射混泥土支护可满足支护要求。但岩石并非完整结构，当存在结构面时，岩石性质被削弱，图7(b)显示塑性区范围大大增加，尤其是在巷道顶部的两边，塑性区可以达到甚至超过巷道宽度(2 m)。根据松动圈理论可以得到同样的解释，这时锚杆的锚固力没有到达坚硬岩石中，从而失效。从图8可知，下盘围岩中巷道的塑性区变化具有相同的规律，但对比上盘围岩而言，下盘围岩中巷道的塑性区范围要小。

图7 上盘围岩巷道在不同岩石质量下的塑性区范围

图8 下盘围岩巷道在不同岩石质量下的塑性区范围

3 结 论

(1) 若围岩自身强度越高，则巷道周边各处越稳定；当压力作用于巷道围岩时，围岩稳定性变化均匀且与压力成正相关，其失稳现象表现的更为强烈，这与实际开挖巷道遇到的问题相一致，即开挖越深，维护越困难；但水平应力与垂直应力作用在巷道围岩上，其稳定性变化具有非均称性，即前者稳定性主要表现在巷道顶底板，而后者表现在两帮。

(2) 数值模拟认为完整岩石和不完整岩石的塑性区变化很大，若上盘围岩完整，则仅在巷道的两帮产生一定的塑性区，这时采用喷射混泥土支护就可以满足支护要求，但若岩石存有结构弱面时，岩石性质被削弱，塑性区范围大大增加，甚至可能超过巷道宽度，导致锚杆锚固作用失效，因此在一些关键部位和破碎带区域需要进一步支护。

[1]孟 龙.深部巷道围岩不对称变形机理研究[D].合肥：安徽理工大学,2014.

[2]赵 炎.多重构造区煤巷注浆强化机理及关键技术研究[D].邯郸：河北工程大学,2013.

[3]左鹏鹏,侯春锐.基于Hoek-Brown准则的巷道围岩力学响应特征分析[J].矿业工程,2014(2):3-5.

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[5]李字翔,彭永久,林全坤,等.非对称荷载作用下圆形洞室塑性区边界的近似计算[J].中南公路工程,2012,37(4):128-131. [6]曾 静,盛 谦,杨昌定，等.地下厂房岩壁吊车梁施工与运行期全过程数值仿真分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S1):3051-3056. [7]薛 辉.梅山铁矿边部压覆矿体采矿技术研究[D].长沙：中南大学,2012.

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肖国喜(1989-)，男，江西吉安人，助理工程师，岩土工程及矿山露天爆破，Email：363564777@qq.com。