安徽太平矿业有限公司井下巷道矽卡岩体力学参数反演

褚吉祥，于庆磊，曹永胜，孙 鹏

(1.安徽太平矿业有限公司； 2.东北大学岩石破裂与失稳研究所)

引 言

矽卡岩型矿床是中国最常见的铁矿床类型之一，其赋存形态复杂多变，矿岩软弱破碎。矽卡岩体在形成过程中因变质和蚀变作用，导致其物理力学性质差异很大，岩石强度低，自稳性差，水理性强，遇水易膨胀、崩解、碎化，甚至在无淋水条件下，矽卡岩体吸收空气中的水分，也不断膨胀、崩解[1]。长期生产实践表明，矽卡岩体常是井巷变形破坏及其他形式地压显现的突发点和关键因素[2]。因此，确定矽卡岩体力学参数，对于评估岩体力学行为，指导该类型矿山生产设计、施工、维护、评价围岩稳定性、预防工程事故等有十分重要的意义。

矽卡岩体由于吸水易崩解的特性，难以制成标准的岩石试样，遂无法通过试验手段获取其完整的力学参数。近年来，利用围岩各种力学响应反推模型参数的反分析方法，成为当前的热点研究问题，目前已形成完整的分析体系。反分析方法主要包括解析法和数值法，解析法由于其局限性难以适用于复杂的计算模型。数值法因其计算效率高、求解难度小等优点得到了广泛推广。

目前，最常用的反分析方法是位移反分析法，即将现场岩体的变形监测数据作为反演依据，调整数值模型中的基本岩体参数，得出最优解。张晨明等[3]利用增量位移反分析法对硐室围岩弹性模量进行了反演。朱珍德等[4]利用优化后的PSO-BP隧道位移反分析系统，基于现场监测的变形位移数据，对隧道围岩参数进行了反演分析，并通过与实测数据对比验证了该方法的可行性。张社荣等[5]综合考虑大型地下硐室群施工现场的开挖进度信息、支护进度信息及新出露的地质信息，提出适用于大型地下硐室群施工期围岩力学参数实时动态反演分析方法。刘勇等[6]基于隧洞施工过程中的动态监测数据，利用正交设计反分析方法对松散土层、注浆加固土层和初期支护的弹性模量进行了反演分析。全面的测量信息是地下工程岩体力学参数反分析中的关键一环[7]。围岩松动圈厚度分布规律亦是反映扰动条件下围岩力学反馈的重要参数。近年来，考虑松动圈的反分析方法已有不少学者研究，如陈秋红等[8]建立了反映松动圈差异性的反馈模型，并提出了数值模拟中对松动圈的处理方法，在锦屏一级水电站反馈分析中取得了良好的效果。张飞等[9]建立了基于松动圈范围的参数弱化基本模型，并通过后验差法验证了该方法的适用性。张继勋等[10]利用遗传算法，结合松动圈深度信息，通过反演发现隧道设计采用的参数取值偏安全。综上所述，巷道力学行为是巷道围岩在多种动态变化因素扰动下的直观反映，但目前巷道围岩力学参数的反演研究大多局限于单独采用位移监测结果或松动圈测量结果，反演的力学参数可能不够全面[11]。

本文以围岩具有蚀变特征的安徽太平矿业有限公司-480 m中段运输巷道为研究对象，以数值模拟为研究工具，采用黄金分割法，结合现场位移监测结果和塑性松动区两类测量指标，系统地反演分析了矽卡岩体力学参数，为该巷道后续的稳定性分析提供数据支撑。

1 反演分析方法

1.1 反演参数确定

岩体力学参数主要包括变形参数(弹性模量(E)及泊松比(μ))与强度参数(内聚力(C)、内摩擦角(φ)、抗拉强度(σt))。理论上,当模型中包含的反演参数越多，得到的结果就与现场岩体实际参数越符合；但过多的反演参数不仅会增加反演分析的难度，还会降低最终结果的准确性。依据工程经验，变形参数中弹性模量(Ε)对岩体变形的影响程度高于泊松比(μ)，强度参数中内聚力(C)对岩体的影响高于内摩擦角(φ)和抗拉强度(σt)。因此，本文选用巷道模型的弹性模量(E)和内聚力(C)作为反演参数。其他影响相对较小的参数依据经验参数作为已知项代入数值计算。在本文中，强度参数的反演依据现场测试围岩松动圈范围，变形参数的反演则依据现场监测的围岩位移结果。

1.2 反演过程

为了评价反演参数的准确性，构造位移及松动圈反分析的目标函数来评价对比每次反演模拟的准确度。设现场位移及松动圈的实测值为X0，再令数值模拟得到的计算值Xi=(Ei，Ci，μ，φ，σt)，i=1，2，…，n，作为第i次数值模拟计算的参数值。然后将测量值与模拟计算值的差值记为:

(1)

式中：R为目标函数;X0为测量值;Xi为模拟计算值。

选取不同的计算参数则得到的目标函数也不同。运用黄金分割法计算位移与测量位移越接近，则R的值越小。根据矿山已有报告中巷道围岩资料，结合测量结果，优先确定岩体变形参数，再反演岩体强度参数。

2 巷道围岩参数反演分析

2.1 工程概况

安徽太平矿业有限公司-480 m中段运输巷道是该矿山深部开采的明竖井-盲竖井开拓的转运中段，其稳定性直接关乎深部资源的开采与利用，具有十分重要的战略意义。受成矿期构造断裂影响，矿区内地层变动强烈，地层产状变化显著，围岩蚀变作用(主要为矽卡岩化)显著。蚀变后的矽卡岩体(蚀变岩)常为矿体的直接顶、底板，其形态及范围受接触构造控制，暴露后，遇水易膨胀、崩解、碎化，甚至在无淋水条件下，矽卡岩体吸收空气中的水分，也不断崩解、膨胀、完全失去强度，岩体稳固性极差，给巷道掘进及后期支护工作带来极大困扰。尽管巷道采用了保守的锚网喷支护和U形钢拱架支护，但是巷道仍会发生底鼓、侧帮膨出变形；持续的膨出变形导致巷道围岩片帮塌落，进而影响正常的采矿生产和矿石运输，甚至造成安全生产事故。因此，反演分析矽卡岩体巷道的力学参数对评价围岩稳定性、设计维护方案等具有重要意义。

2.2 巷道变形量值

巷道地层位移监测能够直观反映巷道开挖及支护后围岩的各种动态响应。采用多点位移计监测-480 m 中段运输巷道1#测点处(见图1)的变形情况。在巷道的左帮和拱顶分别设置埋深为1 m、2 m、3 m、4 m 的4个多点位移计以测量巷道围岩位移。对各测点进行为期2个月的实时监测，监测频率为1 min/次，巷道围岩的累积变形量见图2。

图1 测点位置示意图

由图2可知：左帮矽卡岩体受开挖扰动影响较大，变形经历了30多d的急剧增长，最高变化率达1 mm/d，此后变形逐渐稳定，最大位移为48 mm。拱顶位移虽变化较小，最大位移只有2.6 mm，但拱顶变形持续时间较长，48 d以后趋于平稳。并且，随孔深增加，巷道围岩稳定性逐渐增加，各测点变形量逐渐减小。

2.3 松动圈测试

通过声波测试得出的松动圈大小，直接反映岩体的完整性程度，进而更深层次地体现围岩强度参数(内聚力)的强弱。因此，松动圈大小和分布在判定围岩稳定性的同时也可作为围岩参数反演的重要依据。采用意大利FASTWAVE高速高精度探地雷达，在-480 m中段运输巷道处沿巷道走向进行了扫描探测。左帮在巷道掘进过程中发生了局部坍塌，地质雷达探测结果显示该段巷道松动圈大部分区域松动圈厚度约2.00 m，局部超过2.50 m(见图3)。经过统计计算，矽卡岩体巷道围岩松动圈厚度约为2.25 m。

2.4 计算模型建立

以安徽太平矿业有限公司-480 m中段运输巷道为研究对象，采用Flac3D软件建立三维数值模型(见图4)，模型尺寸为60.0 m×40.0 m×40.0 m，巷道处于模型中心，断面尺寸为2.5 m×2.5 m。模型四周施加法向约束边界条件，底部为全约束边界条件，为模拟模型上部赋岩的重量，在顶部施加16.6 MPa均布载荷。模型共划分单元数523 156个，节点数94 447个。采用更能反映岩体强度随塑性变形变化的应变软化模型，反演计算巷道周围矽卡岩体的力学参数。

图2 测点位移变化曲线

图3 巷道松动圈范围

2.5 反演计算分析

利用黄金分割法进行迭代计算，根据现场地质报告中的围岩参数资料，确定待反演参数E、C的取值(见表1、表2)分别为0～17.53 GPa和0～4.23 MPa。

图4 巷道三维数值模型及尺寸

计算过程中其他参数保持不变，泊松比取0.3，内摩擦角为33°，抗拉强度为0.5 MPa，密度为2 630 kg/m3。当目标函数取值小于0.01时，即得到反演结果。由表1可知：经过7次黄金分割，10次数值计算后，矽卡岩体的弹性模量目标函数符合目标值。此时，弹性模量为2.1 GPa，模拟计算得到巷道左帮位移为48.1 mm，与巷道监测到的最终变形量(48 mm)相吻合，等于设置的目标函数值0.01。由表2可知：当选取的内聚力为1.51 MPa时，模拟计算得到的松动圈范围为2.25 m，与实际测试深度吻合，小于目标函数值(0.01)。综上所述，矽卡岩体的弹性模量取2.1 GPa，内聚力取1.51 MPa时，为该参数组合的最优解。

3 结 论

本文联合位移-松动圈2种测量指标，通过Flac3D软件建立三维模型，基于黄金分割法，对安徽太平矿业有限公司-480 m中段运输巷道的力学参数进行了反演分析。主要结论如下：

1)反演过程中选取围岩的弹性模量与内聚力作为反演参数，而将其他影响程度较小的参数当成已知参数代入数值计算，可以精确计算出拱顶沉降位移及围岩松动圈范围，节约迭代次数，减少计算量。

表1 岩体参数E反演结果

表2 岩体参数C反演结果

2)本次工程围岩力学参数反演结果为：弹性模量2.1 GPa，内聚力1.51 MPa，计算结果与现场测量数据吻合，说明了反演分析方法的可行性。

3)基于位移-松动圈2种测量指标的反演分析方法具有很高的可信度，本文的方法也可以用于类似工程的参数分析。