基于有限差分法的排水巷道开挖稳定性研究

王晓锋

江西都昌金鼎钨钼矿业有限公司 江西 九江 332600

正文：

1 引言

目前的巷道近接开挖的过程都不同程度上出现了塌方、岩爆、渗水等问题，存在较大的施工风险，因此应对巷道近接开挖要进行围岩的应力和应变进行计算分析，进行对近接开挖围岩稳定性进行深入研究。FLAC是美国ITSKA公司利用有限差分原理的连续介质数值计算软件，内部是一种显式计算方法，其内置了12种岩土本构模型，它们包括：空模型；三个弹性模型；八个塑性模型。

本文采用数值模拟方法，对巷道近接开挖围岩稳定性进行分析，重点研究了巷道近接开挖过程中围岩应力、位移的变化。

2 数值模拟计算方案

某采矿厂水文地质复杂，地下水系发育，设计一共采用开挖5条导流巷道进行导流排水，右岸布置3#、4#、5#三条导流巷道，采场导流巷道采用“左2右3、、4大1小、4低1高”的布置格局。右岸3、4#导流巷道上游部分洞段裂隙发育，岩体为破碎因民组薄－极薄层大理岩化白云岩，岩层走向与洞轴线之间夹角较小，3、4#导流巷道在不同的洞段开挖过程中的断面尺寸不同，本文研究区域在桩号1+563～1+647阶段中，这阶段的巷道开挖的断面尺寸为27.2*19.9（m），5号导流巷道在该研究区域的桩号当中的开挖断面尺寸为18.6m*14.8（m）。3、4#导流巷道分五层开挖，5#分两层开挖，首先建立3、4#导流巷道采用同时分层开挖，5#导流巷道一层分别与3#、4#导流洞一层同时开挖，5#二层跟3#、4#导流巷道三层同时开挖，对现场施工进行数值模拟，印证数值模拟计算结果的与现场破坏是否相吻合，从而确定数值模拟计算的正确性。图1为3、4#导流巷道分层开挖支护断面图。采用有限差分法，对3、4#导流巷道以及5#巷道施工动态反演分析，对开挖过程的位移、应力区进行分析。

3 围岩稳定性分析

图2分层开挖位移云图。前期开挖后在拱顶处的位移最大，约为200mm，因此在开挖过程中需要采取喷锚支护才能继续施工；随着开挖的进行位移最大值位置发生变化，在3、4#导流巷道右侧拱肩和左侧拱墙位移值最大，并且最大值达到了800mm，所以在四层、五层开挖时进行支护打锚杆需要更长，灌浆压力更大，锚杆排距更小，进行支护材料花费更高，由此可知层状岩体巷道开挖围岩存在滑移破坏和挤压破坏的趋势。

图2 分层开挖位移云图

图3分层开挖最大主应力云图。在开挖过程中，拱顶处的应力反而不是最大，应力集中区域较小，应力数值大约为2-4MPa，较其余部位小；在经过两层开挖后，在两侧拱肩处应力集中区域较大，应力数值为20MPa左右，开挖结束后应力集中区域反而变小，应力数值也变小，所以应该在一层开挖和二层开挖采取针对性的措施在保证安全要求前提再继续施工。

图3 分层开挖最大主应力云图

4 结论

(1)在开挖过程中，拱顶处的应力反而不是最大，应力集中区域较小，应力数值大约为2-4MPa，较其余部位小；在经过两层开挖后，在两侧拱肩处应力集中区域较大，应力数值为20MPa左右，开挖结束后应力集中区域反而变小，应力数值也变小，与每次开挖后应力的重分布有关。

(2)由数值模拟计算结果可知，围岩处于不稳定状态，与现场破坏形式刚好吻合，说明了数值模拟计算的正确性，为之后的类似工程提供相应的依据。