地下选厂硐室开挖过程围岩应力动态分布特征分析①_张杰.pdf

地下选厂硐室开挖过程围岩应力动态分布特征分析 ① 张 杰， 路增祥， 杨宇江 辽宁科技大学 矿业工程学院,辽宁 鞍山 114051 摘 要 针对张家湾地下选矿厂开挖引起的围岩应力变化及相关力学问题,采用 FLAC3D数值分析方法,研究了阶梯形硐室群随开 挖工作面推进的围岩应力场变化特征和主应力旋转变化特征。 结果表明,围岩应力场的扰动主要集中在开挖工作面前后各约 0.5 倍硐室宽度范围内；开挖面前方硐室顶部和底部的偏应力高度集中,开挖面后方边墙部位的偏应力在一定范围内递增；主应力旋转 主要位于工作面前方,但不同的初始主应力分布会导致不同的应力分布规律。 关键词 地下选矿厂； 围岩应力； 硐室； 应力分布； 主应力方向 中图分类号 TU456文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.04.007 文章编号 0253-6099201804-0027-05 Dynamic Distribution of Surrounding Rock Stress during Excavation of Underground Mineral Processing Plant ZHANG Jie, LU Zeng-xiang, YANG Yu-jiang School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning, China Abstract Aiming at the stress variation and the related mechanical problems of surrounding rock mass caused by the excavation of chambers in underground mineral processing plant, the characteristics of variation in surrounding rock stress field and rotation of the principal stress with the advancement of excavation workface of chambers in stepped arrangement, were studied by using FLAC3Dnumerical analysis . Results showed that the disturbance of the stress field in surrounding rock was mainly concentrated within the distance of 0.5 times of the chamber width in the front and the back of the workface. And the deviatoric stress was highly concentrated on the top and bottom of the chamber in the front of excavation face, and increased progressively within a certain range in the sidewall behind the excavation face. The rotation of the principal stress mainly occurred in the front of the workface and different distribution of the initial principal stress could lead to different stress distribution law. Key words underground mineral processing plant； surrounding rock stress； chambers； stress distribution； principal stress direction 地下选矿厂硐室群开挖扰动破坏了围岩原始应力 平衡,产生应力动态调整现象,其应力状态及分布规律 对硐室群围岩破裂损伤研究具有重要意义。 硐室群开 挖过程中应力的变化影响着围岩的力学行为［1］,综合 考虑应力状态与围岩损伤,建立新的岩石过程行为力 学理论［2］,可为大型地下工程稳定性研究提供可靠的 理论基础。 国外专家学者对围岩卸荷应力扰动做了大 量研究［3-4］,国内专家也对开挖围岩的主应力量值及 方向对围岩的扰动特征进行了研究［5-9］,认为开挖过 程中硐室围岩应力大小和方向的不断变化,是围岩中 细微裂隙产生并扩展的关键。 在地下选矿厂建设工程中,阶梯形硐室群布置相 对集中［10］,开挖过程中应力动态分布更为复杂。 随着 开挖面持续推进,围岩应力的发展变化导致硐室出现 不同的破坏模式,使硐室群围岩稳定性控制更为困难。 因此,对硐室群围岩的应力动态分布规律进行研究,可 为其整体稳定性分析提供参考依据。 1 地质条件及工程概况 张家湾铁矿床位于辽宁省鞍山市境内,矿床为层 状盲矿体,矿体走向长 2 450 m,厚度 20～73 m,矿石以 条带状构造为主,主要由磁铁石英岩及角砾岩等组成。 矿体分布连续,坚硬稳固,仅局部受到构造作用而出现 裂隙错动和挤压破碎。 矿床地表覆盖层的厚度约 50～ ①收稿日期 2018-01-16 作者简介 张 杰1990-,男,河北保定人,硕士研究生,主要从事地下工程支护理论与技术研究。 通讯作者 路增祥1965-,男,陕西富平人,教授,硕士研究生导师,博士,主要从事金属矿山地下开采与地下工程支护理论与技术方面的 教学与研究。 第 38 卷第 4 期 2018 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №4 August 2018 ChaoXing 100 m。 地下选矿厂硐室群围岩稳固,以混合花岗岩为主, 完整性较好,地下选矿厂埋深约 520 m,地下水不发 育。 选矿厂设备硐室群呈阶梯形布置,规模巨大。 设 计硐室断面形状为1/3 三心拱,净宽度 B0＝21 m,墙高 15 m。 为简化计算,选取两相邻设备硐室为研究对象, 硐室的空间结构见图 1单位mm。 21000 22000 150007000 输送巷 上台阶嗣室 自磨机 22000 150007000 旋流器 球磨机 下台阶嗣室 21000 13225 15000 图 1 相邻硐室空间结构示意 地下选矿厂围岩主要为花岗岩,强度较高,岩体完 整,无断层分布,结构面不甚发育,岩体的物理力学参 数见表 1。 表 1 岩体物理力学参数 岩体密度 / kgm -3 弹性模量 / GPa 内摩擦角 / 粘聚力 / MPa 泊松 比 抗拉强度 / MPa 2 600.08.036.08.70.325.0 2 计算模型 2.1 模型建立 为消除边界条件对模拟计算结果的影响,对图 1 所示的相邻硐室,按四周边界距硐室中心3～5B0的 尺寸,建立准三维简化计算模型,模型尺寸为 280 m 280 m 40 m, 共划分为 91 440 个网格单元, 97 251 个节点,见图 2。 280 m 280 m X Z 图 2 模型及网格划分示意 由于硐室群埋深较浅,矿区构造应力不明显,假 设围岩为理想弹塑性材料,初始应力场为自重应力 场,采用 Mohr-Columb 本构模型,并规定应力方向以 拉应力为正、压应力为负。 建模时,硐室开挖的边界条 件采用位移条件,并在模型边界上施加速度约束条件, 另外,根据上覆岩层的自重在上边界施加 10.0 MPa 的 载荷。 2.2 锚固方案 为确保地下硐室群围岩稳定,根据其厂区地质条 件、类比已建地下水电站工程,确定初期支护参数。 硐 室顶拱、边墙及底部均布置有间距为2 m 2 m 的 Φ32 砂浆锚杆,锚杆长度 6 m。 顶部的锚索预应力设计值 均为 2 000 kN,锚索长度 16 m,采用全粘结锚索,布置 间距为 4 m 4 m。 锚墩混凝土强度设计标准为 C35, 砂浆设计强度等级为 M35。 数值计算中锚索及锚杆计 算参数如表 2 所示。 砂浆抗剪强度参数满足预应力锚 索不致拉坏的条件。 表 2 锚杆及锚索计算参数 支护 种类 弹性模量 / GPa 抗拉强度 / MPa 截面积 / m2 砂浆周长 / m 预应力 / kN 砂浆锚杆150.05000.000 80.20 预应力锚索200.02 5000.001 530.52 000 2.3 开挖方案及监测点布置 模型设置为渐进开挖,在上台阶硐室开挖及支护 完成的前提下,逐步开挖下台阶硐室,每步开挖 4 m, 在每步开挖完成后及时进行支护。 根据卡斯特纳方 程,得出硐室在未进行支护时围岩允许的最大变形量 ur。 当围岩的变形量 u＞ur时,硐室围岩内部将产生破 碎而导致围岩失稳破坏。 据此确定初次支护时间。 为了解开挖卸荷过程中围岩应力-应变特征,通过 试算确定出硐室群围中潜在的最大应力位置,并在两 相邻硐室岩柱两侧Y＝ 20 m 处设置监测点,用数字 进行编号,布置方式如图 3 所示。 1 2 3 4 5 6 8 9 10 7 20 m20 m 图 3 监测断面记录点位置示意 82矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 3 计算结果分析 3.1 偏应力分布规律 经典的弹塑性理论中,体积和形态发生改变是物 体在外力作用下变形的两种表现形式,偏应力主要控 制材料的塑性变形和破坏［18］。 设 σii ＝ 1,2,3为 3 个相互垂直的主应力,规定 σ1≥σ2≥σ3,则 P00 0P0 00P ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ＋ σ1 -P 00 0σ2 -P 0 00σ3 -P ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ＝ σ100 0σ20 00σ3 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 式中 P＝σ1 ＋σ 2 ＋σ 3/3。 第一项为球应力,可导致微元 体积的改变；第二项为偏应力,控制微元形状的改变。 式1中最大主偏应力在应力张量中起主导作 用,故采用其为偏应力指标,即 σdev ＝ σ 1 - 1 3 σ1 ＋ σ 2 ＋ σ 3 2 故本文采用 σdev作为偏应力,对地下选矿厂的围 岩偏应力分布规律进行研究。 3.1.1 开挖硐室的偏应力特征 硐室的开挖卸载会导致其围岩应力的重新分布和 局部区域的应力集中,在应力集中的部位开始出现裂 缝,并逐步向围岩内部发展［9］。 当阶梯形硐室群开挖下台阶硐室至监测面位置 时,通过数值计算,可得到硐室群围岩扰动应力场特 征。 硐顶监测点 6 的偏应力状态如图 4 所示。 由图 4 可知,开挖面向前推进时,硐室顶部监测点 6偏应力 逐渐增大；当开挖面到达监测面时,偏应力明显增大, 达到 7.5 MPa；继续开挖,围岩卸荷导致偏应力急剧下 降,达到 1.3 MPa 左右,最终偏应力由最初的 4.7 MPa 降低到 1.4～1.6 MPa,并且应力扰动沿围岩内部方向 递减。 开挖步数 9 6 3 0 0246810 应力/ MPa 围岩边界 围岩内部2.0 m 图 4 监测点偏应力状态 显然,应力场的扰动主要集中在工作面前后约 0.5B0宽度范围内。 围岩卸荷时应力突降,岩体强度 降低,原岩损伤破裂在高偏应力下继续发展,在此区域 初次支护及其他工程措施应予以重点关注。 图 5 为下台阶硐室开挖至监测面时,硐室顶部、底 部及硐室边墙偏应力分布云图。 由图 5 可知,开挖面前 方硐室顶部和硐室底部偏应力最为集中；沿开挖面后方 硐室顶部和底部偏应力有一定幅度的下降。 开挖面后 方边墙部位偏应力一定范围内递增,且邻近上台阶硐室 一侧的边墙监测点 8偏应力较大,约为 9.6 MPa。 图 5 监测点偏应力分布情况 a 硐室顶部和底部； b 硐室边墙两侧 3.1.2 相邻硐室偏应力特征 根据相邻硐室偏应力数值计算结果,阶梯形硐室 群偏应力场云图如图 6 所示。 从图 6 可以看出,硐室 两侧拱角和底角处偏应力最为集中,上台阶硐室右底 角监测点 4和下台阶硐室左拱角监测点 7的偏应 力最大,最大值约为 16.4 MPa 和 15.3 MPa。 在上台阶 硐室开挖完成后,下台阶硐室逐步开挖过程中,偏应力 分布受硐室群效应影响,相邻硐室群之间呈扩散状向 边墙两侧传递；沿竖直方向,距离两硐室间岩柱越远偏 应力越小,且扩散较均匀；硐室周边应力集中部位呈蝶 形分布,两侧偏应力明显大于硐室中部。 图 6 阶梯形硐室群偏应力分布 92第 4 期张 杰等 地下选厂硐室开挖过程围岩应力动态分布特征分析 ChaoXing 在已完成开挖的上台阶硐室影响下,偏应力在下 台阶硐室边墙两侧分布并不均匀。 开挖前,下台阶硐 室左侧边墙监测点 8比右侧边墙偏应力稍大。 随着 开挖进行,两侧应力值以相同速率增长,并向围岩内部 呈递减的趋势,两者应力差值稳定在 0.5～0.7 MPa 之 间,与图 5 分析结果一致。 3.2 硐室围岩主应力变化规律 围岩损伤不仅受开挖面附近高度集中的偏应力影 响,也受应力主轴旋转控制。 岩体内部裂隙的发育随 着主应力量值变化而改变,在应力主轴旋转作用下会 造成围岩损伤的累积［3］。 通过数值计算,硐室群开挖面推进过程中的围岩监 测点主应力变化规律及主应力方向的变化如图 7 所示。 开挖步数 0 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -21 2046810 应力/ MPa 开挖步数 0 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -21 2046810 应力/ MPa a b 最小主应力 中间主应力 最大主应力 最小主应力 中间主应力 最大主应力 图 7 监测点的主应力量值及方向变化曲线 a 硐室顶部监测点 6； b 硐室边墙监测点 8 图 7 表明,硐室开挖引起了顶拱和边墙不同程度 的应力释放和主应力方向旋转。 随着开挖面向前推 进,硐室顶部最小主应力从初始水平方向逐渐旋转到 初始最大主应力方向,而中间主应力则逆时针旋转至 初始的最小主应力方向,最大主应力则由垂直方向旋 转至与硐室轴线方向相同。 与此对应,边墙监测点最 大主应力方向几乎没有旋转,而中间主应力和最小主 应力沿水平方向逆时针旋转了 90。 从图 7 还可以发现,开挖面距离监测面约 0.5B0 宽度时,主应力开始反弹增加。 当开挖至监测面,硐室 各监测点围岩应力突然释放,硐室顶部最大主应力增 幅更为明显,边墙中部监测点 8中间主应力增幅更 大。 随着开挖步数增加,在监测面后方约 0.5B0宽度 处,开挖引起的围岩扰动开始减小,最小主应力和中间 主应力变化趋势基本稳定,硐室顶部最大主应力缓慢 增加,边墙中部最大主应力继续增加。 分析计算结果表明,围岩主应力方向在下一步开 挖中旋转强烈,且顶拱和边墙部位主应力方向调整均 表现为最大和最小主应力方向最终接近平行于硐室开 挖面,而中间主应力方向则接近垂直于开挖面。 应力 旋转主要位于开挖面前方,并且顶部和底部偏应力集 中。 开挖面前方主应力方向的旋转会改变硐室围岩体 中裂纹的扩展方向,并加剧围岩的损伤和强度损失。 3.3 硐室群围岩最大主应力分布特征 岩体裂隙的产生、发展及贯通大致是沿着最大主 应力方向或与其呈一定夹角［9,11］,因此最大主应力是 应力场变化的关键。 图 8 为阶梯形硐室群开挖完成后围岩最大主应力 分布云图。 图 8 最大主应力分布云图 由图 8 可知,受最大主应力分布的影响,硐室顶部 和底部基本处于受压状态,在拱角及底角部位应力最为 集中,最大值为 34～35 MPa。 由于硐室群附近不存在较 大的结构面,硐室四周的应力松弛变化比较均匀,但底 部较为明显,最小主应力值为 4.0～5.0 MPa；但在硐室底 部中间的局部区域出现了最大值不超过 1.3 MPa 的拉 应力,这并未超过硐室群围岩体本身的抗拉强度。 图 9 为下台阶硐室开挖过程中最大主应力应变率 等值线云图。 从图 9 可以看出,已完成开挖的上台阶硐 室受相邻硐室开挖影响,其硐室顶部围岩监测点 1 变形量从 24 mm 增加到 34 mm,而硐室底板监测点 5 图 9 最大主应力应变率等值线和速度矢量云图 03矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 变形量基本不变；下台阶硐室开挖完成后,硐室顶部 监测点 6位移量稳定在 31 mm 左右,底板监测点 10变形量达到 30 mm 左右。 施加支护结构后,硐室群的总体变形趋势是向内 变形,拱顶下沉,底板回弹,两侧边墙向内变形。 各监 测点的围岩应力状态呈现出压应力为主、拉应力为辅, 且拉应力较为分散地出现在硐室底部中间区域,宽度 5～6 m,平均深度约 10 mm,设计的支护方案较好地改 善了阶梯形硐室群围岩的应力状态。 4 结 论 1 超大断面硐室开挖面前后约 0.5B0宽度范围 内应力扰动最大,原岩损伤很可能在此区域继续发展, 是初次支护控制的重点。 2 开挖面前方顶部和底部偏应力高度集中,开挖 面后方边墙部位偏应力在一定范围内递增；开挖面前 方主应力的旋转,改变了硐室围岩体中的裂纹扩展方 向,加剧了围岩体的损伤和强度损失。 3 硐室围岩中的裂纹扩展、损伤与强度弱化受开 挖工作面附近的主应力和偏应力以及应力主轴旋转控 制,为地下硐室前期设计中硐室主轴方向的选择提供 一定参考。 4 硐室群开挖的最大主应力分布变化特征表明, 相邻硐室的开挖相互扰动,能够引起硐室内壁向内变 形,先开挖硐室的顶板变形量约 10 mm,而后开挖硐室 的顶板变形量达 30 mm。 采用本文给出的硐室支护方 案后,硐室围岩的应力状态总体上呈现出以压应力为 主的特征,仅在硐室底部中间局部区域出现 1.3 MPa 左右的拉应力,说明对改善围岩应力状态起到了较好 的作用。 参考文献 ［1］ Read R S. 20 years of excavation response studies at AECL′s Under- ground Research Laboratory［J］. 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