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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2018, 26(6): 771-779 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.771

诱导巷道的围岩松动破坏区数值研究

陈冲,, 李夕兵, 冯帆

1. 中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083

Numerical Study on Damage Zones of the Induced Roadway Surrounding Rock

CHEN Chong,, LI Xibing, FENG Fan

1. School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China

收稿日期: 2017-06-14   修回日期: 2017-08-30   网络出版日期: 2019-01-11

基金资助: 国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”(编号:2016YFC0600706)资助

Received: 2017-06-14   Revised: 2017-08-30   Online: 2019-01-11

作者简介 About authors

陈冲(1989-),男,安徽宿州人,硕士研究生,从事采矿与岩石力学研究工作 , E-mail:chenchongcsu@gmail.com

摘要

当前多数矿山已进入深部开采,而深部硬岩具有高储能、受扰动易破坏的特征,根据这些特点,在矿体中布置巷道诱导岩体破裂,为后续机械开采提供可能。以贵州开阳磷矿为工程背景,利用FLAC3D软件模拟深部巷道开挖,研究断面形状、地应力水平和侧压系数对巷道开挖的影响,从而得出岩体的破裂规律。数值模拟结果表明:巷道断面形状对围岩变形影响较大,而矩形巷道周围岩体产生的位移和塑性破坏区均最大;巷道位移和塑性破坏区随应力水平的增加而增大;围岩破坏和位移随侧压系数的增大表现出先减小后增大的趋势。在高应力水平和高侧压系数下,采用矩形断面方式开挖巷道,围岩产生的位移和塑性破坏区最大,致裂效果最好,有利于机械切割回采。

关键词: 诱导致裂 ; 开挖断面 ; 应力水平 ; 侧压系数 ; 数值模拟 ; 巷道开挖 ; 深部开采 ; 开阳磷矿

Abstract

With more mines into deep mining,hard rock in high geo-stress shows high energy storage and generates fractures easily by disturbances, and also roadway excavation accelerate surrounding rock cracking or even broken,so the fracturing rock can be cutting by mechanical tools.Those characters make it possible to operate continuous mechanized mining in the hard-rock ore-body.In this paper,Guizhou Kaiyang phosphate mine is chosen as an engineering background,the simulations of the roadway excavation damaging process were conducted by FLAC3D,and the displacement and plastic damage zone of surrounding rock of three shape roadway section were studied.The results show that the damage scale of the rectangular section is maximum,as well as the displacement,and that the displacement damage zone scale of surrounding rock increase apparently with the geo-stress levels increasing.The failure and displacement of surrounding rock decrease first and then increase with the increasing of lateral pressure coefficient.In the high stress level and high lateral pressure coefficient conditions,the surrounding rock of rectangular section tunnel excavation has a greater displacement and larger plastic failure zone,and the fracturing effect are optimum.These results present a theoretical basis for the layout and the design of induced roadway and illustrate subsequent fracturing rock can be cut by mechanical tools.

Keywords: induced fracture ; excavation section ; stress level ; lateral pressure coefficient ; numerical simulation ; tunnel excavation ; deep mining ; Kaiyang phosphate mine

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本文引用格式

陈冲, 李夕兵, 冯帆. 诱导巷道的围岩松动破坏区数值研究[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(6): 771-779 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.771

CHEN Chong, LI Xibing, FENG Fan. Numerical Study on Damage Zones of the Induced Roadway Surrounding Rock[J]. Gold Science and Technology, 2018, 26(6): 771-779 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.771

矿产资源为我国工业发展提供了稳定的物质基础,也为国家经济建设作出了突出贡献。随着浅部矿产资源开采殆尽,多数矿山已进入深部开采阶段,但深部开采面临着许多环境和技术难题[1,2]。进入深部开采后,开采环境发生了改变,许多工程实际问题接踵而至,深部岩体的应力条件变得更为复杂,具体表现在深部岩体处于“三高”(高应力、高温和高渗水压)环境和因强烈开采造成的扰动状态,而地下开采活动容易引发岩爆和矿震等地质灾害,因此深部矿体的安全开采面临着严峻挑战[3,4]。深部硬岩矿体通常具有“好凿好爆”的特点,针对这一特点,在矿体内部科学合理地布置相应的巷道,诱导其内部存储的能量有序地释放并使岩体产生破裂,将其称为诱导巷道,巷道的布置如图1所示。

机械开采是采用硬岩切割机对诱导破裂范围内的矿体进行机械切割回采。预拉诱导巷道之后,巷道周围的岩体产生松动破坏,利用岩体裂隙探测工具监测围岩破裂程度,确保安全、高效地完成机械回采工作。为实现硬岩矿体的机械切割回采,有必要对诱导巷道开挖后产生的松动破坏区进行研究。国内外学者均对巷道围岩破坏开展过研究,并取得了诸多成果。例如:加拿大学者Read[5]研究发现巷道开挖后会产生松动圈,巷道围岩中产生破坏区,表明围岩稳定性受到巷道开挖卸载的影响,进而提出相关的松动圈破坏理论;Perras等[6]和Diederichs等[7]基于经验判断依据和数值计算方法,对深部开挖产生的松动破坏区进行了判断和预测;邹红英等[8]利用统计数学模型对开挖隧道松动破坏区进行评估和预测;徐坤等[9]利用声波雷达监测和三维数值软件研究了围岩破坏的松动圈;孙有为[10]通过改变硐室的几何参数,研究了硐室对围岩松动区的影响;李夕兵等[11]研究了高应力岩体受开挖扰动后应力重分布和能量转移与耗散规律,得出在高应力条件下巷道开挖形成松动圈后围岩的破坏范围更大,破裂区的岩石强度降低,有利于机械化开采。

图 1

图 1   诱导巷道的布置示意图

Fig.1   Schematic diagram of induced roadway


本文基于开阳磷矿深部复杂的开采现状,结合前期机械开采试验,利用数值模拟软件研究不同断面、不同应力水平和不同侧压系数对围岩的位移、应力和塑性破坏的影响,从而得到围岩破坏与巷道断面形状、应力水平和侧压系数之间的关系,为诱导巷道的设计和布置提供了一定的理论指导,从而保证布置的诱导巷道达到理想的致裂效果。

1 诱导致裂理论

地下工程掘进开挖过程中岩体原有的应力平衡遭到破坏[12],巷道围岩的应力状态由三维转变成二维,岩体强度明显劣化,而岩体中的切应力不断增加,从而产生应力集中现象。当强度弱化的围岩在应力重分布过程中达到屈服强度时,就会产生塑性变形,岩石发生破裂甚至崩落,并向深部扩展,直至重新达到应力平衡状态,在此过程中巷道周围岩体形成松动破坏区。以初始应力状态为静水压力,半径为a的圆形断面巷道开挖为例,开挖产生的塑性破坏区理论分析如下[13]

(1) 塑性半径可表示为

R0=ap0+ccotφ1-sinφccotφ1-sinφ2sinφ

(2) 塑性区应力可表示为

σr=ra2sinφ1-sinφ-1ccotφ
σθ=1+sinφ1-sinφra2sinφ1-sinφ-1ccotφarR0

式中:p0为初始应力;cφ分别为岩体的摩擦角和黏聚力。

根据巷道围岩的应力分布和破坏情况,可将围岩划分为4个区域,分别为松动区、塑性区、弹性区和原岩应力区,并将松动区和塑性区划归为围岩松动圈(EDZ,Excavation Damage Zone)[14]。以开挖圆形巷道为例,形成的围岩松动破坏区如图2所示。由图2可知,松动破坏区的岩体破坏可划分为裂隙区和微裂隙区,裂隙数量随着与开挖面距离的增加而逐渐减少直至为零;松动破坏区内岩体强度弱化,裂隙发育,有利于采用机械手段进行凿岩和剥落;松动区范围越大,表明围岩的破裂程度越大,反映出诱导致裂效果越显著。

图2

图2   松动圈示意图[14]

Fig.2   Schematic diagram of excavation damage zone[14]


2 数值模型建立

诱导巷道开挖会造成围岩破坏,进而在围岩中形成松动破坏区。然而,诱导巷道的开挖断面形状、地应力水平和侧压系数均会对巷道围岩的应力状态产生影响,因此所产生松动圈的形式也会不同。松动破坏区理论研究对于指导诱导巷道设计和布置具有重要的实际工程意义,而采用数值模拟软件对开挖诱导巷道的破坏情况进行分析是一种简单有效的方法。

FLAC3D是一款三维数值分析软件[15],以显式有限差分计算为核心原理,常应用于岩土工程与地下矿山等相关领域,该软件适合模拟岩石材料的塑性变形和地下巷道的开挖过程。本文利用FLAC3D软件模拟分析了不同开挖断面(圆形、矩形和半圆拱形)、不同应力水平(600,800,1 000 m)和不同侧压系数(0.5,1.0,1.5)下的诱导巷道开挖情况,从围岩的位移、应变分布和塑性破坏围岩的体积进行分析,得到不同开挖工况下的围岩松动破坏规律。

开阳磷矿分布有4种不同类型的矿岩,从上到下依次为白云岩、磷矿石、砂岩和红页岩,选择在矿体中进行诱导巷道开挖,模拟巷道开挖后围岩破裂特征,矿体物理力学参数如表1所示。

表1   矿体物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical parameters of orebody

参数数值参数数值
弹性模量E/GPa25密度ρ/(kg·m-3)2 760
泊松比ν0.22黏聚力c/MPa1
摩擦角φ/( º)30抗拉强度σt/MPa3

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根据开阳磷矿地质资料,建立了三维岩体模型如图3所示。由于开挖引起的扰动会对一定范围内的岩体造成显著影响,因此建模中模型尺寸不得小于开挖半径的3~5倍,确定模型尺寸如下:长×宽×高为10 m×10 m×10 m。模拟过程中选择3种开挖断面的形状,分别为圆形、矩形和半圆拱断面,开挖断面的截面积均取4 m2,圆形巷道半径为1.13 m,矩形巷道长、宽均为2 m,半圆拱形巷道直墙高与拱高均为1.06 m,巷道宽度为2.12 m。

李文成等[16]对开阳磷矿的地应力进行了监测和统计分析,得到以下结论:开阳磷矿的地应力以水平方向为主,最大主应力随埋深的增加而增大。对最大水平主应力(σhmax)、最小水平主应力(σhmin)和垂直主应力值(σz)随深度变化情况进行统计分析,得到线性回归方程:

σhmax=2.76+0.028H
σhmin=1.83+0.017H
σz=0.74+0.014H

诱导巷道开挖数值分析的主要步骤如图4所示。

3 数值分析与结果讨论

诱导巷道的断面形状、地应力水平和侧压系数对松动破坏区的范围大小有一定影响,基于此,首先对不同断面的诱导巷道进行研究,得出致裂最佳的开挖断面;然后对不同应力水平下的巷道开挖进行研究,得到适宜采用诱导致裂的中段水平;同时研究不同侧压系数的诱导巷道围岩破裂情况,得到侧压系数与开挖破坏区之间的规律。通过对不同工况下诱导巷道开挖进行数值计算,对比分析不同工况下围岩的位移和塑性区以及产生塑性破坏的岩体体积,得到产生的松动破坏区最佳工况和最佳岩体致裂效果,为后续现场诱导致裂试验和机械连续开采提供理论依据。

图 3

图 3   计算模型(以圆形断面为例)

Fig.3   Numerical model(taking circular section as an example)


图 4

图 4   数值模型计算流程图

Fig.4   Flow chart of numerical model calculation


3.1 不同开挖断面

图 5

图 5   不同断面巷道的位移与塑性区分布

Fig. 5   Displacement and plastic zone distribution of surrounding rock under different excavation sections

DISP 表示岩体开挖产生的位移,Block State表示计算模型单元的弹塑性状态,None表示未产生塑性破坏,shear-p和shear-n分别表示迭代前后产生剪切塑性破坏的区域,tension-p和tension-n表示迭代前后产生拉伸塑性破坏的区域


巷道选择在矿体内部开挖,采深取600 m,根据矿区地应力统计规律,计算得到水平方向应力σx=19.56 MPa,竖向应力σz=9.14 MPa,沿开挖方向应力σy=12.03 MPa,分别从3种不同断面的位移和围岩塑性破坏区分布等方面对围岩破坏进行分析。

5为不同开挖断面的围岩变形与塑性破坏分布图,由图可知,矩形断面的位移最大(1.99 mm),分布在顶部,其次是半圆拱断面(1.88 mm),分布在两帮,而圆形断面最小(1.66 mm),分布在两侧。地下岩体的破坏模式主要有剪切破坏和拉伸破坏,FlAC3D软件能够将计算后的模型的弹塑性状态呈现出来,为有效判断巷道围岩的破坏形式提供了依据,由图5可知,3种不同开挖断面巷道开挖后均有剪切和拉伸破坏,巷道的顶底板塑性破坏区域较两帮大,表现为剪切破坏,而拉伸破坏集中在巷道两侧。为了准确地判断3种巷道断面的围岩松动破坏区情况,利用软件内置fish语言编写塑性区的体积统计,得到3种开挖断面围岩破裂的体积,矩形断面剪切破坏和拉伸破坏的岩体在3种断面中均最大,塑性区体积为36.18 m3,是圆形断面塑性破坏区体积的2倍多,半圆拱断面的围岩破坏体积为27.54 m3,介于二者之间。

对比3种开挖断面,可以得到矩形断面开挖方式围岩移动最大,并且塑性破坏的松动破坏区范围更大,巷道周围的岩体破坏更多。因此,开挖诱导巷道时,应选择矩形断面的巷道,岩体能够产生更大的松动破坏区,围岩诱导致裂的效果更好。

3.2 不同应力水平

岩体的应力状态影响着其破坏模式,一般情况下地应力随着埋深增加而增大。对开挖断面的研究表明,矩形断面产生的松动破坏区最大,有利于诱导致裂,因此选取矩形断面,研究不同地应力条件下矩形巷道围岩的破裂情况(图6),应力水平选择600,800,1 000 m 3种情况,对数值模型赋对应的应力条件进行计算,同样选择围岩产生的位移、塑性区分布及岩体破坏体积3个特征量作为巷道开挖致裂分析指标。

图6

图6   不同应力水平下巷道的位移与塑性区分布

Fig. 6   Displacement and plastic zone distribution of surrounding rock under different geo-stress levels

DISP 表示岩体开挖产生的位移,Block State表示计算模型单元的弹塑性状态,None表示未产生塑性破坏,shear-p和shear-n分别表示迭代前后产生剪切塑性破坏的区域,tension-p和tension-n表示迭代前后产生拉伸塑性破坏的区域


由图6可知,600,800,1 000 m应力水平下的位移分别为1.99,2.72,3.48 mm,表现出随应力水平的增加,位移逐渐增大,最大位移量出现在巷道的两侧,巷道的顶底部较小。随着深度的增加,巷道周围的塑性区范围逐渐增大,顶底部主要表现为剪切破坏,两侧表现为拉伸破坏,顶底部的塑性区明显大于两侧,并且随着应力水平的增加而增大,以巷道为中心的断面的塑性区分布由椭圆形变为方形;塑性破坏的岩体体积随应力水平增加而增大,600 m水平下的围岩破坏体积为36.18 m3,约为1 000 m水平的1/2,800 m水平下的围岩破坏体积为 46.64 m3,由此可见随着深度的增加,围岩的剪切与拉伸破坏区增加。

巷道围岩的位移和塑性破坏范围随着深度的增加而显著增大,在高应力水平下诱导巷道对周围岩体的致裂效果更明显,且深度大的巷道顶底部塑性破坏区端部区域平滑,更有利于致裂后进行机械均匀切割。

3.3 不同侧压系数

岩体在工程开挖之前的应力状态称为原岩应力,包括岩体的自重应力、构造应力和水压力、温度压力等。其中,自重应力和构造应力占主导,自重应力与岩体的埋深有关,前文已述;而构造应力主要由地质构造运动产生,构造应力会改变岩体应力场,体现在不同区域水平应力与垂直应力(即侧压系数,K)不同[17]。因此,有必要研究侧压系数对巷道开挖的松动破坏区的影响,本次试验选择矩形断面开挖方式,侧压系数取0.5、1.0和1.5,竖向应力和沿开挖方向应力分别为σz=14.74 MPa,σy=12.03 MPa,保持不变,而3种侧压系数下对应的水平方向应力依次为7.37,14.74,22.11 MPa。

图7

图7   不同侧压系数下巷道的位移与塑性区分布

Fig. 7   Displacement and plastic zone distribution of surrounding rock under different lateral pressure coefficients

DISP 表示岩体开挖产生的位移,Block State表示计算模型单元的弹塑性状态,None表示未产生塑性破坏,shear-p和shear-n分别表示迭代前后产生剪切塑性破坏的区域,tension-p和tension-n表示迭代前后产生拉伸塑性破坏的区域


由图7可知,巷道围岩应力侧压系数的改变对围岩变形和塑性区分布均有影响,其中塑性区影响较为显著,围岩的位移基本不随侧压系数的增大而改变。当侧压系数K≤1时,巷道顶部的位移最大;当侧压系数K=1.5时,最大位移分布在巷道的两帮,顶底板的位移较小,最大位移为1.38 mm。围岩的最大拉应变随着侧压系数的增大而显著增大,围岩的最大压应变随着侧压系数的增大表现出先减小后增大的趋势。当K=0.5时,拉应变主要分布在顶底部,而压应变分布在两侧,当K>0.5时应力分布情况则与之相反。不同侧压系数诱导巷道开挖后截面围岩的塑性区分布呈近似多边形(K=0.5)或椭圆形(K=1.0,1.5),以剪切破坏模式为主。当K=0.5时,围岩破坏区的体积为38.37 m3,大于K=1.0的破坏区体积(29.46 m3),巷道围岩的弹塑性状态可以从塑性区分布图中判断,岩体拉伸破坏主要发生在顶底板而剪切破坏发生在两帮,塑性区形状在水平方向近似为长轴的椭圆;当K=1.0时,巷道附近的岩体均有拉伸破坏;当K=1.5时,围岩破坏体积明显增大,为52.17 m3,拉伸破坏主要发生在两帮而剪切破坏发生在顶底板,塑性区形状在竖直方向近似为长轴的椭圆。

侧压系数对岩体中巷道的开挖位移、围岩破坏范围及破坏模式均有影响。当K<1.0时,拉伸破坏区主要分布在顶底板;当K>1.0时,则恰好相反;当K=1.0时,位移和塑性破坏体积均最小,围岩的松动破坏区最小,致裂效果最差;当K=1.5时,产生的塑性破坏区最大,因此在高侧压系数下进行开挖诱导巷道致裂效果最佳。

4 结论

本文以磷矿体诱导致裂后机械化开采为目的,通过对不同工况下围岩变形和塑性分布情况进行研究,得到以下结论:

(1)3种开挖断面的最大位移分布在巷道两帮,而矩形断面开挖方式围岩位移值最大,圆形断面最小;圆形断面的塑性破坏区体积最小,半圆拱形断面较大,矩形断面最大;竖直方向破坏区较大,主要表现为剪切破坏,水平方向破坏区较小,主要为拉伸破坏。

(2)随着应力水平的增加,巷道的位移和塑性破坏区也增大。塑性区形状在竖直方向近似为长轴的椭圆状,当应力水平从600 m增加至800 m时,岩体的松动破坏体积增加近一倍;当应力水平从800 m增加至1 000 m时,岩体破坏量增加幅度降低。

(3)围岩的位移和塑性破坏区随着侧压系数K的增大呈现出先减小后增大的规律。当K≤1时,围岩的顶部位移最大;当K>1时,两帮位移最大;当K<1时,拉伸破坏区分布在顶底板,剪切破坏区分布在两帮,与K>1时分布相反。

研究松动区诱导破裂理论对机械化连续采矿有着重要意义,通过对不同工况下巷道开挖进行数值模拟研究得出在高应力水平、高侧压系数(K>1)下进行矩形断面的巷道开挖,围岩的诱导致裂效果最好,有利于采用机械切割。随着对松动圈理论研究的不断深入,合理利用深部高地应力条件,对破裂的矿体进行机械切割回采,有助于实现硬岩矿山的机械连续开采。

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