罗河铁矿凿岩硐室条柱破坏原因分析

袁海涛 袁锦锋 刘 康 魏福海

（安徽马钢罗河矿业有限责任公司）

采动岩体片帮、冒顶、垮塌等地压显现现象，其变形破坏演化过程是岩体破裂面不断扩展演化渐进破坏的复杂动态过程，该过程通常历经既有破坏、局部再破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏等几个阶段［1-2］。因研究对象复杂、学科交叉多、技术难度大，岩体破坏原因一直难以界定，主要原因包括爆破震动、地压过大、结构面发育、岩体蚀变、采场参数不合理等［2-3］。

1 模型建立

以罗河铁矿地下采场为研究背景，本次数值模拟计算-455 m水平硐室爆破开采对周边围岩和矿体的影响，模拟研究采场爆破对于岩体质量等级的弱化效应，在高频率爆破扰动作用下，分析硐室预留条柱的次生应力场、变形与位移、破坏接近区和塑性区等力学特征，掌握在高频爆破情况下，岩体应力、变形和位移等力学规律，为后续安全开采提供依据。

根据罗河铁矿凿岩硐室的工程地质条件以及现场踏勘情况，对所建立的模型进行了简化，提高计算精度，以便得到更准确的应力、位移和塑性区等数据，为后期安全稳定回采提供依据。考虑边界效应后的计算模型取如图1（a）所示110 m×55 m×50 m（长×宽×高）的立方体轮廓。图1（b）所示为内部结构模型。

在计算模型中，上边界考虑上覆岩体自重力作用，施加9.9 MPa压应力外荷载，模型垂直方向应力分布如图2所示。

2 计算方案设计

在硐室围岩稳定性影响效应模拟中，依次开采左硐室和右硐室及南北走向巷道，表1为-455 m水平巷道爆破开采工况设置，每个工况采取先开挖后静力平衡，再施加爆破动荷载，每次爆破的爆破荷载时程曲线施加到该次爆破区域周围的硐壁及掌子面上。

本研究采用比较经典的Mohr-Coulomb岩石屈服准则，岩体力学参数如表2所示，爆破荷载时程曲线如图3所示。通过对开采方案的模拟计算，重点分析现场凿岩硐室预留条柱大面积破坏现象，根据矿床赋存特征及采矿方法，选取了16个关键监控点，分别对开采方案1～16工况过程进行模拟监控，监控点布置参数如表3所示。模拟结果视图参数设置如表4。

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3 水平硐室爆破开采扰动效应分析

根据设计方案，针对凿岩硐室预留条柱大面积破坏现象，分析开采过程中爆破所产生的冲击荷载［4］对采场顶板、底板、侧帮的影响，分析条柱岩体鳞片状脱落的原因，并且针对出现的问题提出相应的解决措施和建议。

3.1 次生应力场分布特征

由图4可知，在动载荷条件下，围岩的拉应力达到了1.69 MPa，对比静载条件，增幅达到了39.7%。总体上，在采空区顶板中部出现拉应力，并且产生拉应力集中现象，拉应力位于采空区顶板和中间条柱处，压应力主要位于两侧帮矿体处。

由图5可知，中间条柱及采空区两帮矿体上存在着较大的剪应力，其最大剪应力达到了12.9 MPa，两侧帮围岩和中间条柱可能存在剪切破坏的风险，爆破动荷载对围岩稳定性影响很大，因此必须在这些区域加强观测，设立应力位移监测点，做好统计分析准备，若有必要可以喷浆支护，以保证后续生产活动的安全进行。

由图4、图5比较分析可得，最大拉应力增幅较大，这说明爆破所产生的冲击荷载对于硐室的应力分布有很大的影响，增大了硐室围岩的拉应力和剪应力集中程度，特别是对围岩的最大拉应力有着很大影响，在顶板及条柱位置有着更明显的体现，从而进一步导致条柱的拉应力集中系数增大。

中间条柱的拉应力与剪应力值均在极限范围以内，岩体总体处于稳定状态，但是经过反复冲击荷载的影响下，在动载条件下中间条柱的拉应力与剪应力已经比较接近极限破坏值，存在着发生破坏的危险性。

3.2 变形与位移分布特征

在动载作用下，矿体开采后采场周边矿体及岩体的应力释放、次生应力场重分布并局部产生应力集中现象，势必使得围岩产生位移。从动载下工况8不同剖面水平位移云图（图6～图7）可知，总体上看，矿体的最大水平位移达到了43.1 mm（表5），有很大的增长，该条柱的水平位移值已处于极值临界状态，可能出现条柱岩体的破坏，考虑后续安全生产，必须采取相应措施。

在动载荷作用下，硐室顶板围岩的竖直位移已达到了19.09 mm，可以看出竖直位移较静载作用下也有了较大的增长，存在着较大的破坏风险。

就产生的位移来说，可以看出，在条柱中间位置，水平位移和围岩顶板的最大竖直位移均有着很大程度的增长，所以爆破开采所产生的冲击荷载对于硐室围岩的稳定性有着很大影响，在冲击荷载的反复扰动下，硐室围岩的位移进一步加大。在矿体不断爆破开采过程中，硐室围岩特别是条柱位置受到较大的冲击荷载影响，处在一种比较危险的状态，必须引起重视，并采取相关措施以保证安全。

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3.3 破坏接近区分布特征

FAI（破坏接近度）可以用来描述岩土体从进入塑性状态到最终破坏这一过程中的损伤程度，其值与岩土体的损伤度呈现正相关，对于了解岩体破坏情况和加固设计具有较好的指导作用［5-6］。

图8为工况10不同剖面应力分布云图，破坏接近区主要分布在硐室两帮矿体、中间条柱、各工况顶板和底板等应力集中区。图8中4个剖面的破坏区分布图均显示硐室两帮矿体及中间条柱处的破坏接近度都达到了1.8以上，快接近岩土体破坏。特别是x=45 m剖面，最大破坏接近度已达到的1.9 MPa，中间条柱等部位有着非常大的破坏的风险。

3.4 塑性区分布特征

由图9所示的塑性区分布云图可知，矿体的开采必然引起周边岩体扰动与破坏，开采过程中岩体受力比较复杂，其破坏形式有拉伸破坏、剪切破坏和拉伸剪切混合破坏。在后续不断的爆破开采中，在硐室两帮矿体和中间条柱处有大量塑性积累，具有发生破坏的趋势，硐室的顶底板的塑性变形较小，不易发生冒顶事故，主要在硐室两帮矿体和中间条柱处塑性变形较大，因此，在开采时中间条柱存在着较大的破坏风险。

4 结 论

针对现场硐室预留条柱大面积破坏的现象，对-455 m凿岩硐室条柱爆破影响效应进行了爆破动力响应数值模拟计算，分析了爆破所产生的冲击荷载对采场顶板、底板、侧帮的影响，探讨了凿岩硐室条柱破坏原因。结果表明：

（1）硐室形成后，硐侧及顶底板均有不同程度变形，顶底中央分布有少量拉应力，最大拉应力1.21 MPa，约为极限承载能力的67%；角隅处为压剪应力分布，并伴有少量塑性区分布，硐壁岩体稳定。

（2）在静载和动载分别作用下，动载最大拉应力相比静载增幅达到39.7%。

（3）爆破冲击荷载反复扰动，使得中间条柱的岩体不断损伤弱化，接近发生破坏的极限状态，通过凿岩硐室条柱在动载荷条件下的次生应力、变形、位移、破坏接近区和塑性区等特征分析，得到条柱大面积片帮破坏主要是反复爆破扰动引起的。