新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析_由伟.pdf

新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析 由伟 1 张姝婧 2 李怀宾 2 刘滨 1 杨晓明 2 赵兴东 2 （1. 山东黄金矿业股份有限公司新城金矿， 山东 莱州 261438； 2. 东北大学采矿地压与控制研究中心， 辽宁 沈阳 110819） 摘要针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩进行现场工程地质调查、 岩石力学实验， 分别应用RMR、 Q和GSI 方法对巷道围岩进行岩体质量分级， 确定其围岩体质量等级为III级， 岩体质量差～一般。以岩体质量分级为基础， 应 用Hoek-brown准则和经验公式估算岩体力学参数。应用弹塑性力学解析巷道围岩塑性区破坏范围， 并以此为基础应 用Phase2对巷道围岩稳定性进行分析。结果表明 巷道顶板塑性破坏范围为0.598 m， 两帮塑性破坏范围分别为0.84 m和0.695 m； 巷道顶板位移为7.2 mm， 两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm； 从巷道围岩应力分析可以看出， 深部巷道开 挖产生的应力集中超过岩体强度， 由此判断深部巷道围岩破坏主要是开挖扰动应力作用在节理化岩体上致使巷道围 岩失稳破坏， 本研究结果对该矿深部巷道围岩支护提供依据。 关键词深部巷道围岩破坏数值分析弹塑性分析岩石力学 中图分类号TD322文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-006-05 DOI10.19614/ki.jsks.201904002 Surrounding Rock Failure and Numerical Analysis of Deep Roadway in Tengjia Mining Zone of Xincheng Gold Mine You Wei1Zhang Shujing 2 Li Huaibin2Liu Bin1Yang Xiaoming2Zhao Xingdong22 （1. Xincheng Gold Mine， Shandong Gold Mining Co.， Ltd.， Laizhou 261438， China； 2. Geomechanics Research Centre， Northeastern University， Shenyang 110819， China） Abstract Based on the field engineering geological survey and rock mechanics experiment of deep roadway surrounding rock in Tengjia mining area of Xincheng Gold Mine， the rock mass quality of roadway surrounding rock is classified as Grade III， poor or general level， by RMR， Q and GSI s respectively. Based on rock mass quality classification， Hoek-brown criterion and empirical ula are used to estimate rock mass mechanical parameters. Elastic-plastic mechanics is adopted to analyze the failure range of plastic zone of roadway surrounding rock， and Phase 2 is used to analyze the stability of surround- ing rock of roadway. The results show that the plastic failure range of roadway roof is 0.598 m， the plastic failure range of two sides is 0.84 m and 0.695 m respectively. The displacement of roadway roof is 7.2 mm，and the displacement of two sides is 7.6 mm and 6.8 mm， respectively. From the stress analysis of roadway surrounding rock， it can be seen that the stress concen- tration produced by deep roadway excavation exceeds the strength of rock mass. So， it can be judged that the damage of deep roadway surrounding rock is mainly caused by stress of excavation disturbance on jointed rock mass，resulting in the failure and destroy of roadway surrounding rock. This study provides a basis for supporting surrounding rock of deep roadway. KeywordsDeep drift， Surrounding rock failure， Numerical analysis， Elastic-plastic analysis， Rock mechanics 收稿日期2019-02-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51474052） ， 中央高校基本科研业务费专项资金项目 （编号 N150102001） ， 国家重点研发计划项目 （编号 2016YF0600803， 2018YFC0604401， 2018YFC0604604） 。 作者简介由伟 （1975） ， 男， 高级工程师。 随着矿山开采深度逐渐增加， 不仅岩体自重应力 随开采深度增加不断增大， 当达到一定开采深度后， 岩体构造应力大于自重应力， 致使岩体节理构造对 巷道围岩体稳定性的影响越来越大 ［1-2］。在矿山深部 爆破开凿巷道， 巷道开挖后导致应力重分布， 当开挖 扰动应力大于围岩体强度时， 造成巷道围岩产生变 形、 塑性破坏、 岩体冒落等现象 （图1） ， 高应力条件下 亦可能致使围岩体发生岩爆灾害， 需要对巷道围岩 体进行有效支护 ［3］。当巷道掘进施工中遇到复杂工 程地质条件， 诸如断裂构造、 节理发育、 裂隙密集， 围 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 6 ChaoXing 岩体破碎等一些特殊地质构造区域， 其巷道掘进时 巷道地压活动明显、 岩体力学特性复杂等， 一旦选择 的支护类型不合理或者支护不及时， 巷道围岩就会 发生离层、 滑动、 裂隙张开、 扩大等变形与破坏， 给井 巷工程掘进与稳定性维护造成困难 ［4-5］。 巷道围岩在受到开挖影响会导致应力重分布， 通常变形会导致巷道围岩产生失稳破坏。对于巷道 围岩破坏分析方法主要分为理论分析、 数值计算、 工 程类比法三大类。理论分析法包括基于弹塑性力学 的原断面巷道围岩塑性区计算方法、 剪切滑移方法， 太沙基地压理论， 普氏拱方法； 数值模拟法包括 FLAC3D， Phase2， Ansys 等软件； 工程类比法主要为 Q、 RMR和GSI等岩体分级的巷道围岩压力计算方 法， 但对巷道围岩破坏类型分类方法还是缺少系统 的分析描述 ［6-7］。 针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩地压显现 特征及其稳定性分析， 通过现场进行工程地质调查， 现场取样进行岩石力学实验， 进行岩体稳定性分级 及岩体力学参数估算， 进而获取主运输巷道围岩的 物理力学性质， 应用Phase2软件分析巷道围岩体破 坏特征， 判断危岩体赋存的空间位置及其失稳机理， 进而为深部巷道的支护设计提供理论依据。 1工程概况 新城金矿滕家矿区查明金矿资源储量为 矿石 总量 2 143.45 万 t， 金金属量 71 395 kg， 银金属量 94 000 kg， 该矿区的投产将使新城金矿生产规模达 到10 000 t/d； 滕家矿区与新城主矿区之间通过在井 下-1 100 m水平 （埋深1 200 m） 运输到新城金矿， 通 过新城金矿新施工的双箕斗新主井 （1 527 m深） 提升 至地表。通过对腾家矿区与新城金矿主运输巷道进 行现场工程地质调查表明， 巷道围岩发生变形、 滑 移、 开裂、 垮塌等， 巷道围岩破坏主要表现为结构面 控制型破坏 （图2 （a） ） 、 岩体层裂破坏 （图2 （b） ） 、 软弱 夹层垮冒 （图2 （c） ） 3类。 1. 1岩体结构面调查 应用测线法对新城金矿滕家矿区下盘主运输巷 道进行工程地质调查， 主要测定巷道岩体节理裂 隙分布状况。节理裂隙是岩体在应力作用下形成的 结构面， 结构面方位、 数量、 长短、 发育程度对于围岩 稳定性起着重要作用， 所以在现场调查中， 应该对节 理、 裂隙的产状、 规模等进行仔细调查， 利用DIPS 5.1 软件对调查的节理进行分析， 对所调查的节理信息 录入进行节理分组， 并绘制节理等密度图和节理玫 瑰图， 结果如图3。根据上面的分组级节理组数判断 图表 （如表1） ， 以及现场结构面状况的调查结果， 将 腾家矿区-980 m水平下盘运输巷道的结构面情况列 于表1， 为岩体稳定性分级提供了基础数据。 1. 2原岩应力 本研究对新城金矿深部巷道地用力按照海姆公 式进行计算， 假设在任意一点的应力在各个方向上 相等， 则该矿区地应力值为 σ1σ2σ326 MPa.（1） 1. 3岩体质量分级 通过对新城金矿腾家矿区现场工程地质调查、 岩石力学实验等， 应用巴顿Q、 RMR和GSI岩体质量 分级方法， 对新城金矿腾家矿区-980 m中段巷道围 岩进行岩体质量分级， 其分级结果见表2。 从表2可以看出， 通过Q分类法， 岩体质量等级 为Ⅲ， 差～很差； RMR法， 岩体质量分级为Ⅲ， 岩体质 量为一般； GSI 法， GSI 值为 45～65， 定量计算为 59。 由伟等 新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析2019年第4期 7 ChaoXing 通过3种岩体质量分级方法可以看出， 新城金矿腾家 矿区-980 m水平下盘运输巷道围岩质量分级结果为 差～一般， 需要进行支护。 1. 4岩体力学参数估算 由于岩体主要由结构面和岩块组成， 室内岩石 力学实验参数不能够直接替代岩体力学参数运用于 工程岩体计算。以工程岩体分级为基础， 通过经验 关系式 ［8-11］， 进行岩体力学参数折减计算， 将不同公式 所计算的结果进行综合分析， 去除差异比较大的值， 作为岩体最终力学参数。 （1） 岩体单轴抗压强度。令σ30， 计算岩体单轴 抗压强度 σcmσcsa.（2） 式中，σc为完整岩石单轴抗压强度；s、a为岩体特征常 数。 （2） 岩体单轴抗拉强度。假设脆性岩石单轴抗 拉强度和双轴抗拉强度值近似相等， 即式 （2） 中σ1 σ3σtm估算出岩体抗拉强度为 σtm-sσc/mb.（3） 式中，mb为岩体特征常数。 （3） 岩体变形模量。岩体弹性模量Em可以运用 下式进行估算 Em ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1-0.5D σc 100 10 ■ ■ ■ ■ GSI-10 40 ，σc≤100 MPa 1-0.5D 10 ■ ■ ■ ■ GSI-10 40 ，σc＞100 MPa . （4） 式中，D为扰动因子。 （4） 岩体抗剪强度 （c、φ值） 。通过Balmer分析研 究， 可知岩体法向应力 （σn） 与剪切应力 （τn） 之间存在 以下关系， 可根据相应的有效应力表示如下 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ σnσ3 σ1-σ3 ∂σ1 ∂σ3 1 τnσn-σ3 ∂σ1 ∂σ3 .（5） 根据式 （2） 可推出 ∂σ1 ∂σ3 1amb■ ■ ■ ■ ■ ■ mb σ3 σc s a-1 .（6） 用该方法确定的c、φ值是一组与岩体法向应力σn有 关的变量， 然而在实际工程中用到的c、φ值都为常 数。故可以运用直线型摩尔包络线来拟合 Hoek- Brown等效摩尔包络线， 进而计算出参数c、φ值。 基于室内岩石力学试验所得的矿岩物理力学参 数和岩体质量评价结果， 依据岩体强度估算准则， 确 定腾家矿区-980 m水平下盘运输巷道的相关力学参 金属矿山2019年第4期总第514期 8 ChaoXing 数见表3。 2巷道围岩弹塑性破坏范围分析 巷道开挖引起围岩应力的重分布， 若围岩应力 小于岩体强度， 则围岩处于弹性状态； 反之， 围岩应 力超过其岩体强度， 则岩体力学状态发生改变， 由弹 性状态进入塑性或破坏状态。为了简化岩体受力分 析和计算解析过程， 将模型简化为侧压力系数λ1的 圆形巷道， 计算简图见图4。 依据弹塑性条件、 弹塑性平衡方程和摩尔库 伦准则， 推导获得巷道围岩塑性区半径 （R0） 与衬砌支 护抗力 （Pi） 的关系式为 PiP0Ccotφ1-sinφ r0R0 2sinφ 1-sinφ -Ccotφ， （7） 以及 R0r0■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ P0Ccotφ1-sinφ PiCcotφ 1-sinφ 2sinφ ，（8） 式中，Pi为支护抗力；P0为原岩应力；c为岩体黏结力； φ为内摩擦角；r0为巷道半径 （或等效设计半径） ；R0为 塑性区半径。 3巷道围岩破坏数值模拟 3. 1计算模型及边界条件 Phase2是一种岩土工程弹塑性有限元分析软件， 能快速地完成复杂工况建模分析， 用于地下开挖的 支护设计、 边坡稳定分析、 地下水渗流分析以及概率 分析等多方面领域。本研究应用Phase2分析深埋巷 道围岩应力和塑性区分布。 由于脉外运输巷道走向较长， 因此把巷道开挖三 维问题简化为二维问题进行数值研究， 巷道计算模型 尺寸为30 m30 m， 沿脉巷道 （断面4 m3.6 m） 计算 模型共划分为1 360个三角网格， 711个节点 （图5） ， 考 虑到计算机计算速度以及计算精度问题， 对巷道周围 网格进行加密处理， 弹性类型假设各向同性， 破坏准则 采 用 Mohr- Coulomb 应 变 软 化 模 型 ，地 应 力 σ1σ2σ326 MPa， 模型上部边界限制垂直方向位 移， 两侧边界限制水平方向位移， 其岩体物理力学参数 见表3， 内摩擦角和黏聚力的残余值取表3值的一半。 3. 2数值模拟结果分析 从数值分析结果图6可以看出， 当巷道开挖以后 在巷道顶板产生压应力集中 （图6 （a） ） ， 其最大主应 力值为14 MPa， 两帮最大主应力值分别为14 MPa和 22 MPa， 而估算的岩体单轴抗压强度为15.81 MPa。 数值分析结果表明巷道开挖之后其在巷道周边集中 的最大主应力接近或超过岩体的单轴抗压强度， 开 挖诱致巷道顶板和两帮发生变形、 破坏导致应力集 中下降。巷道顶板和边墙都存在剪切破坏与拉破坏 （图6 （b） ） ； 由于巷道顶板和两帮变形较严重， 顶板塑 性破坏范围为 0.598 m， 两帮塑性破坏范围分别为 0.84 m和0.695 m。巷道顶板和两帮产生总位移 巷 道顶板位移为7.2 mm， 两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm， 由此可见巷道产生的破坏主要由应力与岩体结 构面控制破坏共同作用结果， 需要采用支护控制巷 注 由于泊松比μ按照经验公式折减后的结果过小， 所以采用岩 样的泊松比值代表岩体的泊松比。 由伟等 新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析2019年第4期 9 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 道围岩的稳定。 4结论 通过对新城金矿滕家矿区进行岩体质量分级与 岩体力学参数估算， 应用弹塑性力学分析巷道围岩 破坏深度， 并应用Phase2对巷道围岩应力分布与塑 性区分布进行模拟， 得出以下结论 （1） 应用RMR、 Q和GSI岩体质量分级可以看出， 滕家矿区巷道围岩体质量等级为III级， 岩体质量评 价为差～一般。 （2） 深部巷道围岩破坏主要以巷道围岩开挖扰 动应力与岩体结构面共同作用为主， 其破坏主要形 式为顶板冒落、 围岩层裂与交互层损伤破坏。 （3） 通过弹塑性力学与数值模拟对比分析深部 巷道围岩塑性破坏范围， 其围岩应力超过岩体抗拉 强度， 致使巷道围岩体产生破坏， 应力控制破坏为 主， 其破坏深度最大为0.84 m， 可为巷道围岩支护提 供基础数据。 参 考 文 献 刘刚， 赵坚， 宋宏伟.节理岩体中巷道稳定性分析 ［J］ .中南 大学学报自然科学版， 2013， 44 （7） 2910-2918. 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