高水平应力矿岩接触带巷道稳定性分析

臧冀川

(中国华冶科工集团有限公司)

引 言

巷道的稳定性是地下矿山安全高效开采的关键。地下矿床赋存条件复杂多变,岩石和矿层在地下相互交错,形成了诸多的矿岩接触带。实践和研究表明:矿岩接触带巷道由于其独特的受力方式和破坏特点,逐渐成为了制约井下安全掘进的热点问题,同时也是井下支护的难点问题[1]。摸清高水平应力下矿岩接触带巷道的变形和破坏规律就显得尤为重要,这也是开展针对性支护工作的前提条件。

近年来,越来越多的学者开始围绕矿岩接触带巷道的变形失稳规律和高水平应力条件下围岩破坏方式展开研究。刘晓云等[2]通过相似模拟试验分析了尖山林矿区矿岩接触带巷道顶板沉降变形规律,证明了邻近巷道的开挖扰动会增大接触带两侧岩体的变形程度。褚衍玉等[3]通过数值模拟的方法,探究了矿岩接触带巷道在不同支护方案下的变形破坏程度,提出了一种矿岩接触带巷道分区域支护的方法。鲁方[4]从矿岩接触带巷道破坏特征入手,对比多种以锚杆支护为主支护方案,并通过现场监测验证了非对称支护方案的安全可靠性。胡盛栋等[5]利用光弹试验,验证了剪应力分布存在接触角效应,并提出了一种稳定接触带巷道围岩的新思路。唐礼忠等[6]在冬瓜山铜矿就动力扰动下的顶板和侧帮2种矿岩接触带对巷道围岩的应力、位移场展开了研究,发现矿岩接触带位于侧帮时应力波传播衰减明显比位于顶板时大。王其虎[7]从矿岩接触带发生的非协调变形入手,揭示了矿岩接触带失稳的主要原因,提出了“X”抗剪支护方案,取得了良好的应用效果。李学华等[8]认为高应力条件下的巷道肩角处容易首先发生破坏,并对此部位开展了非均匀支护的现场试验,取得了良好的技术经济效益。李光等[9]以金川二矿为背景,对高地应力破碎围岩巷道的破坏特征进行了研究,总结出巷道的变形破坏具有最大主应力主导性、大变形和显著的时间效应特征。李鹏等[10]通过现场调研试验和数值模拟的方法对高水平应力下塑性区演化规律进行了分析,提出了高强预应力“锚杆-锚索”联合锚注支护技术。何富连等[11]认为矿井深部高偏应力的存在会使常规锚索支护难以稳定,通过数值分析总结得出高水平应力巷道的失稳机制,最后提出了针对性的锚杆锚索和壁后注浆的综合控制方案。

矿岩接触带巷道的变形破坏问题较为突出,目前针对高水平应力状态下矿岩接触带巷道变形规律研究较少。本文以杜达铅锌矿100 m中段为研究对象,利用数值模拟和现场变形监测的方法对高水平应力状态下矿岩接触带巷道的稳定性和变形破坏方式进行分析,得到巷道的变形破坏规律,为井下支护工作的开展提供理论基础。

1 工程概况

杜达铅锌矿矿体埋深75～1 000 m,南北长约1 100 m,东西宽约200 m。杜达铅锌矿100 m中段层状矿体蕴含着丰富的铅锌资源,也是目前矿山的主采中段,现采用上向水平分层进路充填采矿法[12]开采。矿体受褶皱和断层影响,岩层矿化在不同层位有明显差异,地质条件较为复杂。矿体平均倾角50°～80°,其中,位于矿岩接触带附近的Zn矿体平均厚度11 m,与其相邻的岩体为碳质泥岩。通过采用RQD法和Q系统法对杜达铅锌矿主要岩组钻孔岩芯进行统计分析,可知Zn矿体及其与上下盘围岩接触的碳质泥岩稳定性较差[13]。根据现场测得的原岩应力测试报告,矿区的应力水平随开采深度的增加而增加,矿区存在很高的近东西向水平构造应力,在此条件下,当巷道掘进到矿岩接触带时容易发生冒顶片帮等采动地质灾害。现场部分矿岩接触带巷道失稳破坏情况如图1所示。

图1 部分矿岩接触带巷道失稳破坏Fig.1 Failure of some roadways on the ore rock contact zone

2 数值模拟

2.1 模型建立

通过Rhino建立矿岩接触带模型,利用系统自带griddle插件划分网格,经简单处理后生成有Flac3D软件对应接口的地质模型,最后将模型导入模拟软件中进行数据分析。通过分析矿岩接触带巷道形成后矿体、岩体和接触带部位的应力和位移变化,总结高水平应力下矿岩接触带巷道的变形和破坏规律。

依据圣维南原理,创建模型尺寸长、宽、高均为30 m的立方体,矿岩接触带倾角为60°,矿岩接触带位于模型中央。模型的4个侧面受水平位移限制,底面受水平位移和竖直位移共同限制,模型顶部荷载视为上覆岩层荷载,容重取27 kN/m3。根据现场的地应力测量结果,结合所建立的模型尺寸,地应力取值分别为σx=32.17 MPa、σy=10.7 MPa、σz=13.5 MPa。矿(岩)体的本构模型为弹塑性模型,同时把摩尔-库仑强度准则作为岩石破坏判据,将矿体和岩体分别视为均质分布的各向同性体,忽略岩体内结构面和裂隙的影响。

模拟选取杜达铅锌矿100 m中段41106#采场部分联络道为试验巷道,巷道断面呈三心拱,其中巷道高3.1 m,宽3.4 m。巷道与矿体走向垂直,矿岩接触带两端分别为Zn矿体和碳质泥岩,均属Ⅳ级围岩,稳定性差。矿岩物理力学参数如表1所示,100 m中段地应力测量结果如表2所示,建立的数值模型如图2所示。

表1 矿岩物理力学参数Table 1 Physical mechanics parameters of ore rocks

表2 100 m中段地应力测量结果Table 2 Ground stress measurement results of Level 100 m

图2 接触带巷道数值模型Fig.2 Numerical model of roadways on the contact zone

2.2 计算结果及分析

利用巷道形成后的应力、位移和塑性区变化情况可以对巷道围岩稳定性进行评估[14]。本次模拟矿岩接触带巷道开挖后并未进行任何支护工作,通过模拟软件输出矿岩接触带巷道开挖后的应力、位移、塑性区分布情况,对数据进行总结分析后得出高水平应力条件下矿岩接触带巷道的变形和破坏规律。

沿着巷道轴线方向选取第5 m(矿体侧)、15 m(矿岩接触带所在位置)、25 m(岩体侧)处的巷道作应力和位移分布的切片云图和第15 m处矿岩接触带的应力和位移分布等值线图,同时通过获取矿岩接触带巷道形成后的塑性区情况来综合分析巷道形成后矿岩接触带巷道的应力变化及破坏的范围和形式。

2.2.1 应力场

巷道应力分布切片云图如图3所示,矿岩接触带应力分布等值线立面图如图4所示,巷道应力分布等值线剖面图如图5所示。

图3 巷道应力分布切片云图Fig.3 Slices of roadway stress distribution

图4 矿岩接触带应力分布等值线立面图Fig.4 Elevation of ore rock contract zone stress distribution contours

图5 巷道应力分布等值线剖面图Fig.5 Section of roadway stress distribution contours

由图3～5可知:以矿岩接触带为界,围岩应力在两侧呈不对称分布。矿岩接触带附近应力变化较快,存在突变。由于矿岩接触带两侧的岩性差异,应力在矿体侧分布明显大于在岩体侧的分布。

巷道形成后,受围岩应力重新分布的影响,应力集中在矿岩接触带和矿体侧的顶底板和两帮处[15]。巷道形成后的最大主应力来自水平方向,以压应力为主。巷道在顶底板处的压应力较两帮处大。矿岩接触带巷道顶板最大主应力可达50 MPa,此时压应力大于顶板处的抗压强度,矿岩接触带的顶板已经发生破坏,随时可能发生失稳,如不采取得当的支护措施将给采矿生产活动带来极大的安全隐患。失稳风险不仅分布在矿岩接触带上,在矿体侧的巷道受到开采扰动和应力重新分布的影响,顶板局部荷载将达到60 MPa,远超顶板的自承能力,有可能发生冒顶等地质灾害。同时,岩体侧虽然顶底板最大主应力约为25 MPa,整体较小,但也会对顶底板造成一定的破坏。

矿岩接触带剪切应力分布立面图如图6所示,巷道剪切应力分布立面图如图7所示,巷道剪切应力分布剖面图如图8所示。

图6 矿岩接触带剪切应力分布立面图Fig.6 Elevation of ore rock contact zone shear stress distribution

图7 巷道剪切应力分布立面图Fig.7 Elevation of roadway shear stress distribution

图8 巷道剪切应力分布剖面图Fig.8 Section of roadway shear stress distribution

由图6～8可知:高水平应力下巷道形成后在矿岩接触带巷道的拱肩和两帮底角处有剪切应力集中。研究表明,矿岩接触带附近的剪切应力集中分布是巷道失稳的主要影响因素[16]。剪切应力在巷道中的分布特征如下:

1)剪切应力分布存在突变。以矿岩接触带为界,剪切应力在矿体侧分布较岩体侧大,最大剪切应力出现在矿岩接触带和矿体交界附近,其值已达17 MPa,超过了矿体的抗剪强度,矿体侧受剪切破坏。

2)拱肩和两帮底角处的剪切应力较顶底板和两帮大。

3)矿岩接触带和两侧矿岩体的剪切应力分布呈现出“X”形对称分布。

巷道塑性区分布如图9所示。由图9可知,巷道开挖后塑性区主要分布在矿岩接触带及岩体侧的顶底板及两帮处,矿岩接触带巷道围岩受剪切破坏。

图9 巷道塑性区分布云图Fig.9 Distribution of plastic zones in the roadways

2.2.2 位移场

巷道竖直位移分布云图如图10所示,巷道水平位移分布云图如图11所示。

图10 巷道竖直位移分布云图Fig.10 Distribution of vertical displacement of roadways

图11 巷道水平位移分布云图Fig.11 Distribution of horizontal displacement of roadways

由图10、图11可知,高水平应力下矿岩接触带巷道在形成后的主要变形来源于顶底板。巷道围岩在未支护的条件下,围岩变形量在矿岩接触带两侧分布并不均匀,围岩变形规律如下:

1)围岩竖直方向的位移在矿岩接触带附近发生突变,而水平方向的位移则在两帮处呈由小及大的连续变化,巷道的竖直位移比水平位移变化范围更大。

2)矿岩接触带附近的最大变形来源于底板,最大水平变形位于两帮的中间处。就整个巷道而言,顶底板变形要大于两帮变形。

3)巷道在岩体侧的变形要大于矿体侧变形,具体表现为在岩体中顶底板的最大位移可达12 cm,两帮最大水平位移在8 cm以上,而在矿体侧顶底板和两帮变形量微乎其微。由容许极限位移量判据可以看出,岩体巷道在顶板存在破坏现象,可能会发生大规模垮塌。岩体巷道的两帮处存在潜在的稳定性问题。

综上分析,高水平应力作用下矿岩接触带巷道形成后发生的破坏以剪切破坏为主,剪切破坏多发生在拱肩和两帮底角处。矿岩接触带两侧巷道变形呈现出不对称的非协调变形,且顶底板变形要大于两帮变形。剪切破坏在矿岩接触带及岩体侧分布较为明显。

因此,在高水平应力的作用下,矿岩接触带巷道受力的破坏规律为:开挖活动造成了围岩应力的二次分配,从而使剪切应力集中于矿岩接触带上,进而引起矿岩接触带两侧发生不对称的非协调变形,最后造成岩体变形向巷道中部自由面挤压,巷道产生变形直至破坏。此时如果不能及时进行支护,将造成顶板塌落、底板底鼓、局部片帮等地质灾害。

3 巷道收敛变形监测分析

巷道收敛变形监测能够很好地反映出巷道断面的整体变化特征。根据现场观测资料,可以判定巷道的变形量是否因为超出允许的安全距离,而对巷道的正常使用产生一定的干扰。因此,在数值模拟分析的基础上,在现场展开巷道收敛变形监测试验。

3.1 监测巷道情况

选取Zn矿带100 m中段41105#、41106#2个采场联络道作为试验巷道。两巷道平行分布,相距50 m,长度为30 m,断面呈三心拱,拱高3.1 m,巷宽3.4 m。巷道为碳质泥岩和矿体相接处巷道,围岩等级Ⅳ级。

3.2 监测方法和仪器

采用JSS30A型数显收敛计来确定巷道两帮的收敛变形和顶底板移近量。测点分别布设在2条矿岩接触带巷道的接触带和距离矿岩接触带两侧各10 m的矿体和岩体中。分别在顶底板和两帮合适位置取点安设收敛计,以监测顶底板和两帮的收敛变化。具体测点布设位置如图12所示。

图12 巷道收敛变形监测点布设位置Fig.12 Locations of roadway convergence deformation monitoring spots

3.3 监测结果及分析

根据监测方案,累计进行98 d的变形监测,监测结果如图13、图14所示。

图13 矿岩接触带巷道围岩变化曲线Fig.13 Wall rock variation curves of roadways on the contact zone

图14 矿岩接触带巷道围岩收敛速率Fig.14 Wall rock variation rate charts of roadways on the contact zone

由图13可知:随着监测时间的推移,两帮收敛值逐步增大,且有放缓趋势,变化量从大到小依次是岩体、矿岩接触带、矿体。41106#采场岩体侧两帮收敛值最大,为201.44 mm,而41105#采场矿体侧的两帮收敛最大值仅为岩体侧的17.5 %。41105#采场矿体侧两帮收敛值最小,为30.56 mm。

从顶底板收敛值上来看,顶底板变形量随着时间的推移呈现出逐渐增大的趋势,但增长变缓,而且变形在岩体侧表现得更加明显,矿岩接触带变化居中,矿体侧最小。41106#采场岩体侧的顶底板变形量最大为313.47 mm。41105#采场矿体侧顶底板变形量仅为岩体侧的7.17 %。

就同一巷道而言,顶底板变形量比两帮大,这也从侧面验证了高水平应力下矿岩接触带巷道变形主要表现为顶底板的收敛变化。41106#采场巷道由于受附近采场的采动和爆破冲击波的影响收敛变化要强于41105#采场巷道。在巷道掘进完成的前中期,矿岩接触带巷道呈现出变形量大且变形速率快的特点,后期则变化相对较为缓慢。

由图14可知:矿岩接触带巷道岩体两帮收敛速率的最大值均出现在第30天,最大值为3.65 mm/d。矿岩接触带和矿体两帮收敛速率最大值均为第41天,最大值分别为2.05 mm/d、0.55 mm/d。矿岩接触带巷道的两帮收敛速率基本上呈现出先增大后减小的趋势,不同地方收敛速率的最大值出现时间并不相同。两帮收敛速率由大到小分别是岩体、矿岩接触带、矿体。

矿岩接触带巷道岩体顶底板收敛速率最大值均出现在第30天,最大值为5.73 mm/d。矿岩接触带和矿体顶底板收敛速率最大值均为第41天,最大值分别为1.97 mm/d、0.48 mm/d。矿岩接触带巷道的顶底板收敛速率基本上呈现出先增大后减小的趋势,不同地方收敛速率的最大值出现时间并不相同。顶底板收敛速率由大到小分别是岩体、矿岩接触带、矿体。

综上所述,矿岩接触带巷道在岩体侧无论在变形量还是变形速率上均比矿岩接触带和矿体中大。矿体和矿岩接触带发生最大变形速率的时间要晚于岩体侧。在不支护的情况下巷道变形量呈现出逐步增大的趋势,巷道有失稳的风险。巷道的变形速率呈现出先增后减的变化趋势。变形量和变形速率也因为矿岩体自身性质差异,展现出不同的分布特征。

4 结 论

1)高水平应力下矿岩接触带巷道的变形和破坏呈现出明显的不对称非协调分布,应力和位移以矿岩接触带为界会有明显的突变现象。巷道在矿岩接触带和岩体侧的变形破坏较为严重,且顶底板变形破坏比两帮严重。

2)矿岩接触带巷道的破坏形式以剪切破坏为主,剪切破坏主要表现在拱肩和两帮底角处,因此在支护方式的选择上应着重考虑这2个部位的支护。

3)通过对矿岩接触带巷道的顶底板进行收敛变形监测发现,矿岩接触带巷道在岩体侧的顶底板最大变形值可达313.47 mm,岩体侧巷道在变形速率上要快于矿岩接触带和矿体。巷道两帮和顶底板的变形随着监测时间的推进呈现出变形量逐渐增大但变形速率先增后减的趋势,且岩体侧的变形量和变形速率均大于矿体侧。