蒙库铁矿井下开采岩爆段巷道围岩稳定性数值分析*

2021-11-18宋多权陈立达李学文简相洋陈凯王挥云刘海卿

现代矿业 2021年10期

宋多权陈立达李学文简相洋陈凯王挥云刘海卿

（1.中铁十九局集团矿业投资有限公司；2.辽宁工程技术大学土木工程学院；3.晋能控股煤业集团朔州煤电公司）

富蕴蒙库铁矿是新疆八钢可持续发展的主要铁矿石原料基地之一，它的安全稳定开采关系到八钢钢铁生产的稳定。该井下开采运用竖井—平硐—斜坡道联合开拓，由于矿山井下的地应力比较高，在井下斜坡道延伸902～884 m段进行开挖的工程中出现岩爆现象，严重影响施工进度，浪费大量人力和成本［1-3］。对岩爆段巷道围岩进行稳定性数值分析，对可能出现的岩爆等工程地质灾害进行准确预测，保证井下斜坡道延伸段施工的安全性和矿井生产期间的长久稳定性。

1 工程概况

本工程为蒙库铁矿井下开采生产接续工程项目，在斜坡道延伸至下一工作面的掘进中，出现轻微岩爆、表层岩体剥离脱落现象。目前开挖和支护同时进行，已经掘进75 m左右，掌子面附近岩爆更为突出，需采取超前防护措施进行控制，预防突发异常事件出现。

该区域围岩为硬岩，较脆，整体为中—薄层状结构，岩层倾角近乎直立，层间结合较差，岩层走向与巷道前进方向一致。岩爆段中比较明显的位置在井下斜坡道延伸902～884 m段X17～X18+34 m处，岩爆维持时间较短，伴随轻微响声（吱、吱声），拱顶表层有离散岩体脱落母岩掉落，无弹射，台车清撬时可清撬大量散岩，肉眼辨识度差，围岩结构整体性较差。在X18+34 m～X20处，岩爆特征较为突出，掘进爆破后出渣过程轻微显现，第二天表现突出，主要表现在顶板有连续间断声响，过后伴随微小岩体轻微弹落及不间断的小片岩体剥落脱离母岩。掉落岩体多为片状，厚度为10～20 cm，面积为0.1～1.0 m2。

2 有限元模型的建立

依据现场岩爆段施工巷道的断面形状建立二维数值模型，通过数值模型分析巷道围岩开挖过程中的应力场和应变场的变化规律，最后依据灾害段的现场工程地质勘探对巷道稳定性做出评价，并对巷道开挖施工中发生岩爆做出相应的补救措施。

2.1 巷道围岩弹—脆—塑性本构模型

在围岩的岩爆破坏过程中，围岩的脆性破坏和塑性破坏都属于岩石材料应变软化行为的一种特殊表现形式。巷道围岩屈服准则与塑性势能方程不仅由应力张量σij表达，其中还包括软化参数η，其表达式为［4-5］

式中，σθ为最大主应力，Pa；σr为最小主应力，Pa。

Mohr-Coulomb屈服准则可表示为

式中，σc为岩石单轴抗压强度，Pa。

若假设Mohr-Coulomb常数中的C、ϕ随η值线性衰减，则可得到Mohr-Coulomb应变软化关系式为

式中，ωp为峰值参数；ωr为残余参数；η*为岩石由应变软化转变到残余阶段的临界软化参数值；ω可以代替Mohr-Coulomb模型中的黏聚力C及摩擦角ϕ。即当η=0时，岩体处于弹性变形阶段，0＜η＜η*时为应变软化阶段，η＞η*为残余阶段，其中，岩石的软化过程则由岩石峰后应力—应变曲线的斜率决定，即岩石的软化模量M。

塑性参数η*可由内在变量的形式表示，即将塑性参数η*定义为塑性剪切应变，通过最大主塑性应变和最小主塑性应变的差值获得，即

式中，γp为塑性剪切应变分别为最大、最小塑性应变。

本次数值计算中，围岩力学参数如表1所示。

2.2 建立模型

根据工程岩爆段巷道围岩开挖的断面形状建立数值模型，通过有限元模型分析巷道围岩开挖过程中的应力场和应变场的变化规律，最后依据灾害段的现场工程地质勘探对巷道稳定性做出评价，并对巷道开挖施工中发生岩爆做出相应的补救措施。

采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，建立数值模型是对称结构，取其一半，岩土的弹性模量为200 MPa，泊松比为0.2，岩石的容重为20 kN/m3，巷道上边界的埋深为16 m，模型尺寸为60 m×60 m，如图1所示，其中巷道围岩的断面尺寸为4.8 m×4.3 m，拱顶半径为3.32 m。

边界条件是限定模型两侧的水平位移和模型底部2个方向的位移，在模型两侧限定X方向的位移，在模型底部边界限定X轴和Y轴方向的位移。这些边界条件从初始分析步中就已经激活生效，边界条件的设定如图1所示。

模型建立之后，输入相对应围岩的材料数据，单元形状选择四边形，单元类型选择CPE4，全局布种，挖去的部分和洞口附近设置合适的网格密度，总划分953个网格。

3 有限元模型分析

3.1 围岩应力场分析

通过有限元软件进行数值计算分析，模型的应力场结果如图2所示。从图2（a）所示，当给井下初始高地应力的岩体一个破坏或者扰动，巷道围岩周围的应力场开始有变化，在开挖工作面出现局部的应力集中。从图2（b）所示，在整个巷道围岩工作面开挖刚刚结束，巷道围岩的拱顶和侧面出现应力集中现象。由图2（c）所示，随着巷道围岩开挖结束一段时间以后，巷道围岩周围主应力场也发生明显的偏转变化，在巷道围岩周围3～4 m以内再次重新产生应力集中。从云图中可知，新的巷道围岩周围主应力值已经发生显著的变化，且其最大主应力的方向基本上与巷道围岩的拱顶和侧面平行或相切。

综上所述，在井下整个巷道围岩工作面开挖过程中，巷道围岩的拱顶和侧面出现应力集中，岩石受到挤压破碎较严重，依据本工程的地质构造，应做好前期开挖支架支护和后期挂网+锚固法支护。

3.2 开挖过程中围岩应变场分析

在蒙库铁矿井下巷道围岩开挖的过程中，应力场是相互叠加影响的，为了更好地对巷道围岩开挖过程中围岩稳定的探讨和分析，现在对其开挖过程中动态变化展开相关的应变场分析。如图3（a）所示，可以得到所有测点（图1）位移变形值均为负数，说明在开挖的过程中，巷道围岩上部均处于受压状态，地面各个测点应变量从巷道围岩洞口正上方向两边由大到小，在整个模型分析步中，地面各个测点应变场呈现规律性的变动，巷道围岩正顶地面上的测点应变值最大，数值的变化由小到大再变小。如图3（b）所示，变形最大时刻巷道围岩上部的路径-0和路径-10应变值为负，说明是巷道围岩洞口正上方处于受拉状态，它们的值比较接近，巷道围岩应力场出现重分布。从图3（c）所示，变形最大时刻巷道围岩下部的路径-30和路径-40应变值从巷道围岩洞口正下方测点向两边由正到负，是巷道围岩洞口正下方处于受拉状态，而两侧处于受压状态，它们的值比较接近，说明巷道围岩应力场出现重分布，巷道下部的路径-60应变值为零，说明没有受到影响。

由图4所示，在巷道围岩施工过程中，在巷道顶点和右肩分别设置A、B测点（图1）。从施工过程中，A、B测点应力值均有拐点，顶点A测点应力值在352.9 kPa时远小于集中应力值，拱上岩石挤压破碎脱落发生岩爆现象，右肩B测点受到应力大于抵抗应力，岩石也受到挤压破碎脱落发生岩爆现象。从巷道围岩开挖工程中，A、B测点应变值一直增大，A、B测点受到应变大于抵抗应变，岩石挤压破碎脱落发生岩爆现象，A测点应变斜率比B测点应变斜率大，A测点处的岩石先破碎脱落。