深部开采高地应力区钻孔卸压数值模拟及应用.pdf

Se rie s No ． 4 90 April 2 01 7 金 属 矿 山 METAL MI NE 总 第 4 9 0 期 2 0 1 7年第 4期 深部开采高地 应力 区钻孔卸 压数值模拟 及应用 田莉梅 张英 张景华 1 ． 廊坊师范学院建筑工程学院， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ； 2 ． 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 中国石油天然气管道工程有限公 司， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 摘要为防治三山岛金矿深部开采高应力作用下诱发的岩爆灾害， 设计卸压钻孔方案减小水平地应力对围岩 的影响。运用 F L A C 如建立深部高应力巷道钻孔卸压的数值模型， 分析了巷道钻孔卸压过程 中采场周围岩体的应力 和弹性应变能的变化。结果显示 钻孔卸压后 ， 巷道水平和垂直方向最大应力有效转移， 使巷道顶板和两帮应力均有 显著下降 ， 巷道围岩整体变形量减小， 对缓解岩爆等地压灾害具有明显效果。现场布设的围岩应力监测系统显示， 随 着卸压钻孔的推进， 围岩应力明显减小， 证实钻孔卸压方案达到了卸压效果 ， 提高了围岩稳定性。 关键词深部开采数值模拟钻孔卸压应力转移 中图分类号T D 3 2 2 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 1 2 5 0 2 0 1 7 一 0 4 0 3 1 - 0 5 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n o f Bo r e h o l e s De s t r e s s i n g Te c hno l og y i n Hi g h I n- s i t u S r e s s Zo ne Dur i ng De e p M i ni n g T i a n L i me i Z h a n g Yi n g Z h a n g J i n g h u a 1 ． I n s t i t u t e A r c h i t e c t u r a l C i v i l E n g i n e e r i n g， L a n ffa n g T e a c h e r s U n i v e r s i t y ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C i v i l a n d R e s o u r c e E n g i n e e r i n g， U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 ． C h i n a P e t r o l e u m P ip e l i ne E n g i nee r i n g C o r p o r a t i o n ， L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r e v e n t t h e r o c k b u r s t d i s a s t e r c a u s e d b y t h e h i g h i n s i t u s t r e s s d u r i n g t h e d e e p mi n i n g i n S a n s - h a n d a o Go l d Mi n e ， t h e d e s t r e s s i n g b o r e h o l e s s c h e me i s d e s i g n e d t o d e c r e a s e t h e i n fl u e n c e o f h o ri z o n t a l s t r e s s o n s u r r o u n d i n g r o c k ． T h e n u me ri c M mo d e l o f b o r e h o l e s d e s t r e s s i n g i n h i g h i n - s i t u s t r e s s z o n e i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n F L AC s o f t wa r e． t o a ri a ． 1 y z e t h e v a ri a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r e s s a n d e l a s t i c s t r a i n e n e r g y o f t h e s u rro u n d i n g r o c k o f t h e s t o p e d u rin g t h e p r o c e s s o f d e s t r e s s i n g ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e v e r t i c a l a n d h o fiz o n t M ma x i mu m s t r e s s o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k o f t h e r o a d wa y a r e t r a n s f e r r e d e f f e c t i v e l y a f t e r b o r e h o l e s d e s t r e s s i n g ， S O， t h e s t r e s s o f t h e r o o f a n d t w o s i d e s o f t h e r o a d w a y a r e l o we r e d s i g n i f i c a n t l y， t h e wh o l e d e f o r ma t i o n o f s u rro u n d i n g r o c k i s l e s s ， wh i c h i n d i c a t e d t h a t t h e b o r e h o l e s d e s t r e s s i n g i s g o o d t o e a s e t h e r o c k b u r s t d i s a s t e r ． T h e mo n i t o rin g r e s u l t s o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t r e s s mo n i t o ri n g s y s t e m i n t h e fie l d s h o w t h a t wi t h t h e d e v e l o p me n t o f d e - s t r e s s i n g b o r e h o l e s ， t h e s u rro u n d i n g r o c k s t r e s s i s l o w e r e d s i g n i f i c a n t l y， w h i c h f u rt h e r i n d i c a t e d t h a t t h e d e s t r e s s i n g e f f e c t s o f t h e b o r e h o l e s d e s t r e s s i n g s c h e me i s g o o d， an d t h e s t a b i l i t y o f s u rro u n d i n g r o c k i s i mp r o v e d e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r d s D e e p mi n i n g， Nu me r i c a l s i mu l a t i o n ， B o r e h o l e s d e s t r e s s i n g ， S t r e s s t r a n s f e r 随着经济的快速发展 ， 全球对矿产资源的需求也 在增长。经过多年高强度开采后， 大多区域浅部资源 已经枯竭 ， 因此深部采矿是未来不可避免的趋势 ， 但 随着开采深度逐渐增加 ， 深部矿井的开采条件更加复 杂 ， 开采过程中以岩爆为代表的动力灾害逐渐成为一 些矿山安全开采的潜在危害 。 岩爆是在深部高地应力地区开挖巷道或采场后， 由于围岩应力重新分布 ， 在某些 地方产生应力集中， 收稿 日期2 0 1 7 - 0 1 ． 1 7 基金项 目北京高校 “ 青年英才计划” 项 目 编号 Y E T P 0 3 4 1 。 作者简介 田莉梅 1 9 7 9 一 ， 女， 讲师。 导致在 较短 时 间产 生 的猛 烈、 突发 的脆 性 破坏 现 象 J 。 目前岩爆 防治技术 可归纳为长期 防治 战略 性防御 和直接防治 主动解危 2种 ， 长期防治措施 主要是选择合适的开采方法 和工艺、 优化开采顺序 ， 力争消除诱发岩爆的潜在 因素， 直接防治措施包括卸 压爆破 、 岩层注水 、 钻孔卸压及定向裂缝等方法 。 卸压技术是防治岩爆 的积极措施之一 ， 该技术可 以转移巷道 围岩 的高应力 ， 改善巷道 围岩 的应力环 31 总第 4 9 0期 金 橇 矽 山 2 0 1 7年第4期 境 ， 从而达到减小围岩变形的 目的， 特别是在深井巷 道 中具有 良好的卸压效果 。钻孔卸压技术工程量 小 、 施工方便 、 施工速度较快 、 不影响工期 ， 在矿山、 水 电隧道等高应力深地工程 中普遍应用 。本研究针 对三山岛金矿- 7 8 0 m高应力深部开采过程 中出现的 岩爆问题 ， 设计钻孑 L 卸压方案进 行围岩应力卸压 ， 采 用 F L A C ’ 数值模 拟软件模 拟巷道钻孔卸压 中巷道 围岩的应力变化和弹性应变能变化过程 ， 结合围岩应 力监测设备 ， 研究钻孑 L 卸压对改善围岩应力环境 、 防 治岩爆的效果 。 1 工程概况 三山岛金矿是山东黄金集团的主力矿山之一 ， 包 括西山和新立 2个矿区。三山岛西山矿区目前开拓深 度超过 1 0 0 0 m， 开采深度达到 8 2 5 m。地应力测量结 果显示 ， 三山岛金矿深部地应力场以水平构造应力为 主导 ， 最大主应力为 N wS E向。高地应力的条件下 顶板塌落 、 围岩大变形 、 矿柱失稳 、 岩爆等采动灾害发 生的可能性增大。矿岩物理力学试验和研究显示， 围 岩具有强烈的岩爆倾 向性。尤其是- 7 8 0 m 中深孔试 验采场 ， 水平最大主应力达 3 1 M P a ， 并且在巷道掘进 过程中出现了岩爆现象。为保 障试验采场的安 全开 采， 同时为更深部开采过程 中的地压和岩爆灾害控制 提供指导 ， 设计钻孑 L 卸压方案改善围岩应力环境。 2 卸压方案设计 在 1 6 l 0～1 6 7 0线区域沿 2 凿 岩巷道北翼 和中 部施工 l 排应力解除孔 ， 孔径 6 5 mm， 孑 L 深 1 2 n a ， 角 度 9 0。 ， 孑 L 距 0 ． 4 m， 共计 1 3 9个卸压孑 L 。- 7 8 0 m试 验采场卸压方案和卸压钻孑 L 布置如图 1 、 图 2所示， 卸压钻孑 L 沿图 2中的虚线布置 。 3 2 图 1 卸压方案 Fi g．1 De s s t r e s s i ng s c he me 1 一 岩巷道 ； 2 一分段采场 ； 3 一卸压孔； 4 一 上盘三角矿体 ； 5 一矿体界线 ； 6 一下盥三角矿体 图 2 卸压钻孔布置 Fi g ．2 Di s t r i b ut i on o f de s s t r e s s i ng bo r e ho l e s 3 钻孔卸压模拟分析 3 ． 1 数值模型构建 3 ． 1 ． 1 模 型建 立 采用 F L A C 数值模拟软件建立三 山岛金矿三 维模型 ， 其中巷道和卸压孔分布结构如图3所示。模 型标高 自一 7 6 0 m至一 7 9 5 m， 坐标系以垂直于巷道走 向为 轴 ， 巷道走向为 y轴 ， 铅垂方 向为 z轴。模型 尺寸为 4 0 mx 2 0 m 3 5 m， 巷道断面为马蹄形 ， 其尺 寸长 宽 高为 2 0 mx 4 ． 2 mx 3 ． 5 m。模拟卸压孔径 为 6 5 mm， 方 向竖直 向上 ， 孔深为 1 2 m， 卸压孔每隔 0 ． 4 m布设 1 个 ， 共 2 0个钻孑 L 。模型共划分 3 5 7 8 1 3 个单元 ， 6 0 0 8 3个节点 。 图 3 巷道 与钻孔模型 F i g ． 3 Nu me r i c a l mo d e l o f r o a d wa y a n d b o r e h o l e s 3 ． 1 ． 2 物理力学参数 数值模型范围均位于矿体下盘岩体 ， 模拟采用的 力学参数为三山岛金矿下盘围岩的力学参数， 如表 1 所示 。 表 1 下盘 围岩 的力学参数 Tabl e 1 Fo ot wa l l r o c k me c ha ni c a l pa r a m e t e r s 3 ． 1 ． 3 边界条件 根据现场实测数据 ， 三 山岛金矿深部地应力场中 最大水平主应力 、 最小水平主应力 、 垂直主应力随深 度变化的回归方程为 h 2 ． 0 7 40 ． 0 4 1 ， 1 l1 _ i 0 ． 9 7 60 ． 0 2 5 H， 2 0 ． 5 7 30 ． 0 2 6 H， 3 式中， 、 i 、 分别为最大水平主应力 、 最 小水平主应力 、 垂直主应力 ， MP a ； 为深度，m。 依照地应力 回归方程对模型施加梯度应力边界。 3 ． 2 模拟结果分析 通过模拟钻孑 L 卸压过程 ， 对比卸压施工前后巷道 田莉梅等 深部 开采高地应力区钻孔卸压数值模拟及应用 2 0 1 7年第4期 围岩应力和储存的弹性能密度的变化 ， 可以判断钻孔 卸压的效果。在模型 中原点位置做垂直于巷道 走向 的切面， 对该截 面卸压前 后的 方 向应力 水平方 向 、 z方 向应力 竖直方 向 ， 以及 围岩 中弹性 应变 能密度的分布和变化进行分析 ， 结果如下。 卸压前 后 方 向最大应 力分布云 图如 图 4所 示。最大应力较 卸压前 降低 了 1 6 ． 6 ％ ， 卸压 前巷道 顶板应力集 中区范围较广 ， 卸压后仅在卸压钻孔开 口 周边出现小范围应 力集中区域 。巷道两帮水平应力 值也明显减小 ， 有效避免了大变形产生的围岩片帮脱 落情况 h钻 孔 卸 压 后 图 4 钻孔卸压前后 X方向应力对 比 Fi g． 4 Va r i at i on o f X s t r e s s due t 0 t he b or e h ol e s de s t r es s i n g pr o c e s s 卸压前后 z方 向最 大应力分布 云图如 图 5所 示。卸 压后 最 大 垂 直 应 力较 钻孑 L 卸 压 前 减 小 了 2 0 ％ ， 顶板应力集中区基本消除， 巷道底部与边帮交 接处的应力集中区消失 ， 顶板塌落等潜在危害大幅降 低 ， 围岩整体稳定性显著增强。 图 6为卸压前后围岩中的弹性应变能云图。弹 性应变能最大的区域分布于顶板位置 ， 卸压前后围岩 最大弹性应变能密度的大小 由 1 ． 1 8 6 9 l O J ／ m 减 小至 1 ． 0 8 3 7 1 0 J ／ m ， 巷道掘进扰动 区域 内弹性能 密度显著减小 ， 超过可能诱发岩爆预警值 1 x 1 0 J ／ m 的区域基本消失 ， 说明钻孔卸压在实现围岩应力转移 的同时， 能够显著防治巷道 围岩 的潜在岩爆灾害。 4围岩应 力监测 围岩应力监测是测量 由于采动而产生 的岩层 内 部应力场的变化 、 研究采场 内部地压作用规律的重要 ，，、 兰 诔 h 钻孔卸 J 图 5 钻孔卸压前后 z方向应力对 比 Fi g ． 5 Var i a t i o n o f Z s t r e s s du e t o t he bo r e ho l e s de s t r e s s i ng pr o c e s s 一7． 93l 0 l 2 0000 l 0 4． 0000 l 0‘ 6． 000 0 x l 0‘ 8． 000 0 l 0 1 000 0 1 0、 l 83 7 l 0 h 钻 孔 卸 J -F ． 图 6 钻孔 卸压前后巷道周 围弹 }生 应变能对 比 Fi g ． 6 Var i a t i o n o f e l a s t i c s t r a i n e n e r g y du e t o t h e b or e hol e s d e s t r e s s i ng pr o c e s s 手段之一， 町用以评价卸压J - 程效果， 并为采矿过程 中的围岩稳定性评价及支护设计优化提供科学依据 ， 对矿山的安全生产具有重要指 导 意义 “ 川 。 4 ． 1 监测布置方案 在一 7 8 0一 试验采场共布置 8个测点 ， 如图 7所 _， 丁 0 0 0 0 0 0 0 O 0 I I I 1 l 1 l l l 4 0 O 0 0 0 0 0 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 5 5 5 0 5 0 5 0 0 2 3 3 3 2 2● 5● 一 一 一 一 一 一 一 一 一 0 0 0 O 0 0 、 }l I I X 8 0 O 0 0 0 5 0 0 0 0 0 7 2 0 0 0 0 0 6 8 5 0 5 0 0 0 2 2 2●●5 一 一 一 一 一 ～0，一 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 _-____}__-l 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 9 0 0 0 0 0 O 0 0 O 0 0 8 0 0 0 O O O 0 0 O 0 0 7 9 5 0 5 0 5 O 5 0 5 0 5 4 6 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 ● 0 0 O 0 0 O l l I l l l 5 X 0 0 0 0 O 9 6 0 0 0 0 0 6 6 0 0 0 0 0 8 m m m m m 一 0 2 4 6 8●● 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 }}___l l XX 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 O 0 0 0 0 O 0 O 0 0 7 O O 0 0 0 0 O O O 6 7 5 O 5 0 5 0 5 O 5 0 5 5 5 4 4 3 3 2 2 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 总第 4 9 0期 金 属 矿 山 2 0 1 7年 第 4期 图 7- 7 8 0 m 水 平 应 力 监 测 点 布 置 Fi g． 7 Di s t r i b utio n o f s t r e s s m e a s ur e me nt s ys t e m on 一7 80 m l e ve l 1 ～8 一测点编 号 其中 1 号 、 2号测点布置在 l号凿岩巷道北翼顶 板， 现场采集到的围岩应力数据情况能够反映出 2号 凿岩巷道顶板垂直卸压孔对最大水平 主应力的解除 效果 ； 4号 、 5号 、 6号测点布置在 1号 、 2号采场间矿 柱帮壁 ， 能够监测 2号凿岩巷道卸压孔施工及 1 号采 场回采矿柱内垂直应力的变化情况。 围岩应力监测采用山东洛赛尔 的 Z L G H型钻孔 测力计 和 G S J 一2 A型振 弦式数据技术采集仪 ， 如图 8所示。 图 8钻子 L 测力计和采集仪 Fi g ． 8 Bor e hol e St r e s s me t e r an d dat a a c qui s i tion i ns t r ume nt 4 ． 2监测结果分析 对 8个测 点分别开展为期 7 0 d的监测， 根据钻 孑 L 卸压的施工安排 ， 共采集 l 2期监测数据。图 9和 图 l 0分别为水平应力监测点和垂直应力监测点在卸 压过程中的应力变化曲线。 监 测 日期 图 9 水平应力变化 曲线 Fi g． 9 Vada tion o f ho r i z o nt al s t r e s s 一 l 号测点 ； 一2号测点 ； ▲ 一6号测点 ； v 一7号测点 ； 一8号测点 l 、 2 、 6 、 7 、 8号测点布置在竖直钻孔 ， 安装的钻孔 3 4 应力计监测顶板 中水平应力 的变化情况。卸压孔使 1 、 2 、 6 、 7号孔刷边围岩 中的 向 垂直巷道走 向 水 平应力得以释放 ， 围岩水平应力随着中部卸压孑 L 的布 置逐渐减小 ， 在卸压孔施工完成逐渐趋于稳定。8号 监测点距离卸压孔较远， 卸压周期也 比较晚 ， 所 以前 期监测数据较为平稳 ， 在后期周边卸压孔成型后水平 应力有小幅降低， 但其距离南翼爆破区域较近 ， 南翼 矿体爆破开采后 ， 8号测点水平应力大幅度降低。 监 测 日 期 图 l 0 垂直应力变化曲线 F i g ． 1 0 Va r i a t i o n o f v e r ti c a l s t r e s s 一 3号测点 ； 一4号测点 ； ▲ 一5号测点 3、 4、 5号测点应力计监测 围岩垂直应力变化情 况。3号监测点位于钻孑 L 卸压区域的中部位置 ， 随着 卸压作业 的推进 ， 垂直应 力逐渐减小并最 终趋于平 稳。4、 5号监测点处于卸压作业的边缘 区域 ， 前期周 边围岩垂直应力受卸压作业影响较小 ， 中期垂直应力 显现出较大幅度降低 ， 后期垂直应力增大主要是 由于 周边矿体开采作业主导。南翼爆破开采使 4、 5号测 点处岩体成为主要支撑体 ， 导致其垂直应力升高。 5 结论 1 数值模拟和应力监测都显示钻孑 L 卸压对于 改善深部开采过程中围岩高应力环境具有 良好 的适 用性 ， 同时能够对岩爆等地压灾害进行有效控制。 2 监测结果与数值模拟 中钻孑 L 卸压对水平应 力 、 垂直应力的影响趋势基本同步 ， 说 明卸压方案具 有 良好的效果 ， 同时验证数值模拟对于卸压效果的分 析具有较大的参考价值 ， 在未来深部开采中的地压管 理中， 可以进行预开挖模拟分析以研究地压控制方案 的可行性。 参考文献 [ 1 ] 刘斌 ， 侯大德 ， 孙国权． 高地应力 巷道卸压控 制技 术 A B A Q U S 模拟[ J ] ． 金属矿山， 2 0 1 5 I 】 4 5 5 o ． L i u B i n ， H o u D a d e ， S u n G u o q u a n ． A B A Q U S s i mu l a t i o n o f p r e s s u r e l i e f c o n t r o l t e c h n o l o g y f o r h i s h s t r e s s r o a d w a y [ J ] ． M e t a l M i n e ， 2 0 1 5 I 1 4 5 5 0 ． 田莉梅等 深部开采高地应力区钻孔卸压数值模拟及应用 2 0 1 7年第 4期 [ 2 ] 郑贺 ， 王猛 ， 徐少辉 ． 深 部巷道围岩钻孔 卸压与 围岩控制技 术研究 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 1 4， 4 1 5 5 1 5 5 ． Z h e n g He， W a n g Me n g， Xu S h a o h u i ． Re s e a r c h o n s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s u r e r e l i e f i n d e e p r o a d wa y b y b o r e h o l e a n d i t s c o n tr o l t e c h n o l o g y [ J ] ． M i n i n g S a f e t y ＆E n v i ro n m e n t a l P r o t e c t i o n ， 2 0 1 4 ， 4 1 5 5 1 5 5 ． [ 3 ] 蔡美峰， 冀东， 郭奇峰． 基于地应力现场实测与开采扰动能量 积聚理论的岩爆 预测研 究[ J ] ． 岩石 力学 与工程 学报 ， 2 0 1 3 ， 3 2 1 0 1 9 7 3 - 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