某金属矿山巷道稳定性数值模拟研究

(西昌学院土木与水利工程学院 四川 西昌 615013)

引言

某矿区岩性复杂，节理断层纵横交错，岩体完整性差，强度低。此外，矿区的地应力很大且以水平应力为主导，水平应力约为垂直应力的两倍[1]。因此，该矿区的工程地质条件很差，巷道施工和维护相当困难。影响巷道稳定性的主要因素是围岩受力和变形情况。其中巷道围岩的顶板、底板及两帮的受力和变形情况又是巷道稳定性研究中的重点。本文主要是用数值模拟的方法研究该矿区水平分段巷道的受力和变形情况，为矿区巷道支护设计和施工提供一定参考。

一、ANSYS软件简介

用于数值计算的软件很多,ANSYS软件是目前应用较多的一种。它是美国ANSYS公司在20世纪70年代开发的大型通用的有限元分析软件，具有很强的计算功能，可进行线性、非线性、静态和动态结构分析，流体分析，温度场分析，电磁场分析等[1]。最初主要是为了应用于电力工业方面,现在已经广泛应用于机械制造、能源、国防军工、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、等多种学科研究及工业领域，能够满足于各种行业有限元分析的需要[2]。

二、工程实例数值模拟

(一)矿区区域地质概况

矿区分段中西部开拓工程所处地段经历了多次构造运动，岩层层间褶皱紧密,断层纵横交错，节理十分发育，各类岩浆岩脉相互穿插切割，导致岩体完整性差，强度低。此外，矿区的地应力以水平应力为主导，并且是压应力。最大主应力方向为北东-北北东，倾角近与水平。矿区地应力大(25～45MPa)，工程地质条件很差，巷道施工和维护相当困难[3]。

矿区由于特殊的工程地质条件，自建矿以来就引发了许多工程地质问题，再加上其重要的地位，吸引了许多工程地质工作者前去进行研究。在矿区的众多工程地质问题中，巷道变形是一个很突出的问题[4]。对于这一问题，已有很多学者做过大量研究工作，其中数值方法是一种很重要的研究手段。

(二)建模及计算

1.模型建立及划分网格。由于巷道岩体在刚刚被开挖出来后，巷道周边岩体仍处于相对的静止平衡状态，可认为围岩处于弹性状态。因此，二维问题均作为平面应变问题处理，物理模型初定为弹性模型。

在Ansys软件所提供的单元中，SOLID4NODE182单元为平面结构单元，由四个节点组成。此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形及大应变分析，能较好反映围压作用下软岩的变形。因此，采用SOLID4NODE182单元来进行模拟。

经实地考察，矿区水平分段巷道断面形状为巷道上部是半圆形，下部是方形，半圆半径是2.3m，方形尺寸为4.6m×2.0m。圣维南原理表明，模型尺寸应足够大，以消除边界效应的影响。边界尺寸一般按巷道直径的3～5倍以上选取[5]依据上述计算模型边界范围确定原则，矿块尺寸选为30m×30m，巷道距模型底边界13m。网格按0.5m进行划分，网格划分比较密，且是均匀划分，即把矿块宽和高方向均化为60小格，这样虽然占用内存较多及计算时间较长，但计算精度高，能够较好的反映巷道的受力和变形情况。

2.应力条件及边界条件。试验巷距地表垂直距离约700m左右，根据实测，矿区岩石容重取27KN/m3，垂直应力约19Mpa，又查资料得矿区水平应力大约为垂直应力的2倍左右，故水平应力约为38MPa，且矿块上部和两侧应力可按均布应力计算。

根据以往经验，模型左右边界及上部边界均无约束，模型下边界只限制垂直位移。需要注意的是模型下边界中点必须要施加x方向的位移约束，以此来保证结构及其所承受荷载的对称性，从而使模型计算结果更加真实、可靠[5]。整个研究对象具有9.18m/s2的惯性力加速度，方向向上。

3.围岩的物理力学性质参数。根据经验及调阅大量文献，矿区围岩物理力学性能参数如表1所示：

表1 矿岩物理力学参数[5]

4.计算依据及强度理论。巷道分析的具体手段为弹塑性平面应变有限元分析，屈服准则采用Drucker-Prager准则[4]，即F=aI1+I2+K

式中：I1与J2分别为应力张量第1不变量与应力偏量第2不变量。

利用所建立的模型，输入参数及边界条件，即可进行求解计算，并利用后处理程序，就可以再现所研究巷道的受力及变形情况。

(三)计算结果分析

位移分析：矿块的上部两侧顶角处位移最大，达到154mm，从两边向矿块内围岩位移量逐渐减小；矿块底边围岩位移量最小，只有17.1mm。巷道两帮中部围岩位移较大，巷道顶部和底板及边角处围岩位移较小，巷道底板突起，有“底鼓”现象。

应力分析：在巷道两帮剪应力作用下，巷道对角线方向上即边角处和顶板处出现最大拉应力和最大压应力均为55.8GPa。巷道在剪应力下会使顶板和两帮发生错动变形破坏。开挖巷道顶板中部和底板边角处应力较大，约为87.6GPa，巷道两帮应力较小，约为4.41GPa；巷道底部一定深度处的矿块所受应力较其他地方小。

应变分析：开挖巷道顶板中部和底板边角处应变较大，约为27.4mm，巷道两帮应变较小，约为1.38mm；巷道底部一定深度处的矿块所受应变较其他地方小。

三、结论与建议

矿区地质条件复杂，巷道支护困难。利用本模型进行计算,可获得巷道围岩受力和变形情况，可以为优化巷道布置、开拓及支护方案等提供一定的参考价值。同时可在一定程度上减少现场实测的劳动量,节约大量现场实测材料、人工等成本并可避免危险性较大的工作。通过针对该矿分段巷道的数值模拟，分析巷道受力和变形情况，提出以下支护意见及建议：(1)在软弱岩体中开挖巷道时，巷道和围岩均发生变形移动，巷道两帮岩体位移量要大于顶部和底板位移量；矿块两侧顶角处位移量远大于底边的位移量。可有针对性重点加强巷道两帮支护，减少盲目性和不必要的浪费。(2)由于应力集中，巷道对角线方向上即边角处和顶板处剪应力最大，此时巷道顶板和底板边角处容易错断，进而导致整个巷道发生破坏。进行支护时，应在剪应力较大的部位重点支护。