龙陵县勐糯铅锌矿深部巷道稳定性数值模拟研究

谢恩彩 ，杨世成，李永生，张 权

(云南永昌铅锌股份有限公司，云南 龙陵 678307)

目前，国内大部分矿山已由浅部、露天开采逐渐转到深部开采，矿山巷道围岩的变形破坏也越来越严重，巷道稳定性问题以及支护困难亟待解决。国内外学者对巷道围岩的稳定性问题进行了一系列研究[1-9]。针对单一岩性进行相关巷道围岩稳定性研究较多，对于深部相同地应力环境下硬岩及软岩巷道稳定性对比分析较少。本文采用phase2有限元软件对龙陵县勐糯铅锌矿山200m中段巷道进行数值模拟，依据Mohr-Coulomb准则，对比分析结晶灰岩、千枚岩巷道无支护情况下应力场、位移场、塑性变形区等情况，综合对比研究该中段巷道稳定性及可能出现的破坏模式，为巷道支护方法优化提供参考。

1 数值计算模型

据矿山地质资料、设计资料构建矿山200m中段(埋深约800m)主要沿脉巷道数值计算模型，巷道尺寸如图1。采用phase2有限元软件对矿山200m中段巷道进行数值模拟。

根据矿区地应力测试结果可知，矿山200m中段三个主应力方向分别为近东西方向、南北方向和垂直方向，矿山主要巷道布设方向为近东西、南北走向，因此对于矿山巷道的分析满足平面应变假设前提条件，在模型建立和边界施加过程中可按平面应变条件处理。依据图1建立有限元计算模型，根据巷道实际尺寸取值，围岩范围按4倍巷道断面尺寸圈定，计算模型如图2所示。

本次建立的巷道数值计算模型范围：x方向长18.9m，y方向长19.2m，为平面应变模型。依据地应力场实测结果和巷道埋深，模型两侧边界分别施加一定的水平应力，上部施加所对应的垂向应力，轴向施加相应水平应力，底部施加固定铰支约束，使计算区域的数值模拟地应力场与实测值吻合。

2 计算参数选取

本次计算选用的本构模型为Mohr-Coulomb模型，采用Hoek-Brown准则进行岩体力学参数计算 。根据Hoek-Brown准则，采用rocklab软件，输入岩石基本强度指标、岩石类型、GSI指标(依相关理论在RMR岩体质量分类法基础上进行修正得到)等参数，得到结晶灰岩(硬岩)、千枚岩(软岩)岩体参数，表1。两类岩体强度参数计算过程曲线见图3。

表1 依据Hoek-Brown准则法得到的岩体力学参数

图3 两类岩体力学参数计算过程曲线

3 数值模拟结果分析

3.1 地应力场实测数据分析

在地下工程数值分析时，计算成功的关键不仅需要准确的计算模型，初始地应力场也十分关键。数值模拟的初始地应力场是否与实际地应力场吻合，是决定地下工程数值模拟是否成功的基本条件。一般情况下，随着埋深的增大，原岩应力值的大小也随之增大。本次基于地应力场实测数据得到最大主应力、中间主应力、最小主应力随深度的分布规律及拟合公式。

依据该矿山地应力测试报告可知：该矿区地应力场以水平构造应力为主，东西向为主构造应力方向。其中200-24-ZK1钻孔空间三个主应力大小依次为26.26MPa、21.70MPa和6.28MPa，最大主应力σ1方位角为96.48°，近东西向，倾角9.42°，近似水平方向；最小主应力σ3方位角为180.36°，近南北向，倾角12.73°，也近似为水平方向；中间主应力σ2倾角74.11°，近似为竖直方向，而且σ2基本等于上覆岩土自重应力。200-18-ZK1钻孔空间三个主应力大小依次为30.64MPa、22.44MPa和7.97MPa，最大主应力σ1方位角为83.32°，近东西向，倾角17.44°，近似为水平方向；最小主应力σ3方位角176.25°，近南北向，倾角9.12°，也近似为水平方向；中间主应力σ2倾角为70.23°，近似为竖直方向，而且σ2基本等于上覆岩土自重应力。原岩应力场实测结果见表2。

表2 原岩应力场实测结果

基于原岩应力场实测结果，得到地应力随标高变化的拟合公式为：

最大主应力拟合公式：σ1=-0.038x+33.32

(1)

中间主应力拟合公式：σ2=-0.0265x+25.39

(2)

最小主应力拟合公式：σ3=-0.015x+8.99

(3)

式中，x为标高值，单位m。

依据(1)～(3)式，200m中段巷道模型范围内最大主应力σ1为25.38MPa～25.58MPa、最小主应力σ3为5.89MPa～6.10MPa、中间主应力σ2为19.98MPa～20.18MPa，随深度增加主应力增大，(图4)。三个主应力方向分别为东西向、南北向和垂直向，如图5。

图4 200m中段巷道围岩初始地应力场

图5 初始地应力场方向矢量图Fig 5.Vector of Initial Crustal Stress Field Direction

数值模拟结果及实测地应力场的对比结果见表3。可见，数值模拟计算结果与应力实测值吻合较好。

表3 实测值与数值模拟计算结果对比

3.2 巷道稳定性分析

(1)围岩为结晶灰岩情况

巷道开挖后，围岩应力见图6。主要应力集中区位于巷道上部和底部2.8m深处围岩体，巷道底部边角及拱顶两侧出现一定程度的应力集中现象，最大主应力43.5MPa。巷道底部、拱顶围岩及侧帮均有明显的应力释放，出现拉应力区，主要分布在拱顶0.6m、侧帮中部0.8m及底部0.75m范围以内。

图6 巷道围岩应力

巷道围岩变形总体较小，如图7。最大位移点位于巷道拱顶处，拱顶下沉1.32cm，巷道底鼓不明显，仅为1.05cm，侧帮中间部位收敛变形1.21cm。巷道围岩塑性区在巷道周边均有分布(见图8)，侧帮围岩塑性变形范围在1.0m以内，底部围岩塑性变形影响范围最远处为1.4m，拱顶围岩在拱顶两侧分布近1.1m范围的塑性变形区。

图7 巷道围岩变形

图8 巷道围岩塑性变形区

巷道围岩为结晶灰岩时，巷道稳定性总体良好。矿山200m中段巷道无支护时，将在巷道侧帮围岩1m～2m处产生明显应力集中，同时巷道周边围岩产生应力释放，均不会发生大面积垮塌或严重的巷道变形，但要做到及时的敲帮问顶处理浮石。在无支护或简单支护条件下即可保障安全，但在岩体裂隙局部发育地段或断层揭露处应采取及时的有效支护措施。

(2)围岩为千枚岩情况

巷道开挖后，应力分布情况见图9，主要应力集中区位于巷道侧帮5m以外深处围岩体，最大主应力48MPa。巷道周边岩体出现明显应力释放区，并且应力释放区影响较远，巷道围岩体内部4m范围以内分布受拉区。

图9 巷道围岩应力

巷道围岩变形总体较大，如图10所示，最大位移点位于巷道拱顶处，拱顶下沉1.08m，巷道发生明显底鼓，达0.81m，侧帮中间部位收敛变形也较大为1.04m。

图10 巷道围岩变形

塑性区变形区如图11，该类巷道开挖后塑性变形影响较远。巷道围岩塑性变形广泛分布在巷道周边岩体内，拉应力破坏区最远处可达8m。

图11 巷道围岩塑性变形区Fig 11 Plastic Deformation Zone of Tunnel WallRock

矿山200m中段巷道围岩为千枚岩时，主要应力集中区广泛分布于巷道围岩内部约5m以外深处围岩体，在巷道周边约4m范围以内出现明显的拉应力区，拉应力区主要集中分布在巷道周边围岩，远端也有分布。巷道产生明显收敛变形，巷道收敛变形最大处位于拱顶，达到0.9m～1.4m，底鼓分别达0.8m左右，侧帮发生0.8m～1.0m收敛变形。

塑性变形区广泛分布在巷道周边岩体内，拉应力破坏区普遍分布在围岩体4.5m以内。因此，该类巷道无支护时，将发生大面积垮塌和较严重的巷道收敛变形，若及时采取支护措施后可在一定程度上控制巷道变形，由于锚杆无法贯穿整个塑性变形区，无法完全阻止巷道持续变形，但可控制巷道围岩体的垮落，后期需要多次对断面进行修整并重新支护来减少围岩变形的危害。

4 结 论

本文采用phase2有限元软件构建矿山200m中段巷道数值计算模型，采用Hoek-Brown准则得到岩体力学参数，对矿山深部200m巷道进行模拟，分析了矿山200m中段不同岩性巷道围岩应力场、位移场、塑性变形区等情况。主要结论如下：

(1)200m中段巷道围岩均处于高应力地区，巷道开挖之后，一方面应力重新分布，向临空面转移，能量得到释放，造成硐壁围岩应力降低，另一方面应力向围岩深部转移，从而形成巷道围岩深处局部区域的应力集中现象。随着巷道开挖的进行，应力释放区域遍布巷道周边围岩，变形破坏集中于应力下降明显的巷道拱顶、侧壁和底板，易产生冒顶、片帮和底鼓破坏。巷道产生指向硐室的弹塑性变形，顶拱位移以垂向向下为主，底板位移以垂向向上为主，侧帮的位移主要为水平或斜向下方的位移。

(2)矿山巷道走向普遍为南北沿脉方向，与原岩应力场中最大主应力σ1为近似垂直关系，对于巷道稳定性是最为不利的情况。若条件允许可尽可能改变巷道走向，可改善巷道围岩应力条件，使巷道更趋于稳定，从而节约支护成本。

(3)巷道围岩为结晶灰岩，矿山200m中段巷道无支护时，不会发生大面积垮塌或严重的巷道变形，但要做到及时的敲帮问顶处理浮石。若遇到岩体裂隙局部发育地段或断层揭露处可能产生冒顶、片帮等危害，应采取及时的支护措施。

(4)巷道围岩为千枚岩，矿山200m中段巷道无支护时，巷道将发生大面积垮塌和较严重的巷道收敛变形，若及时采取支护措施后，可在一定程度上暂时控制巷道变形，但后期需要多次对断面进行修整并重新支护来减少围岩变形的影响。钢拱架及喷锚支护可暂时起到限制巷道变形的作用，但由于岩体流变特性的影响，随着围岩的持续变形支护结构应力积累到一定程度时，将造成现有支护损坏，巷道会继续发生一定程度的收敛变形，需要对断面进行修整及重新支护。