会泽铅锌矿深部矿区巷道围岩稳定性研究.pdf

第 3 2卷第 l 期 2 0 1 4年 1 月 河南 科学 HENA N SCI EN CE Vo l - 3 2 No． 1 J a n ． 2 0 1 4 文章编号 1 0 0 4 3 9 1 8 2 0 1 4 0 1 0 0 8 3 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 5 3 7 ． i s s n ． 1 0 0 4 3 9 1 8 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 1 会泽铅锌矿深部矿区巷道围岩稳定性研究 宋尚鑫 ， 范柱国 ， 李 贤 ， 钱玲玲 ， 宋禹霖 1 ． 昆明理工大学，昆明6 5 0 0 9 3 ； 2 ． 甘肃工业职业技术学院， 甘肃 天水7 4 1 0 2 5 摘要 会泽铅锌矿开采已经进入深部矿段 ， “ 三高” 特征 日益严重．基于对已有资料分析及野外调查， 对 1 0 3 1 矿段 原岩分析研究， 对矿段揭露岩层进行综合分类， 得 出原岩特征 ．通过原位测试， 得出原岩力学参数， 运用 F I Ac 如对 巷道围岩进行稳定性分析计算， 计算结果表明巷道开挖之后， 应力重新分布， 出现应力集中现象， 其中水平应力于边 墙中点处达到最大值，竖直应力分别于底板中点及顶拱处达到最大值 ．岩体的抗压强度大于岩层模拟的最大压应 力， 说明巷道开挖之后是稳定的， 只有局部需要支护， 符合实际开挖情况． 关键词深部开采；巷道；数值模拟；稳定性 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码 A S u r r o u n d i n g Ro c k S t a b i l i t y o f Ro a d wa y s i n Hu i z e Le a d-z i nc M i ne De e p Ar e a S o n g S h a n g x i n ， F a n Z h u g u o ， L i X i a n ， Q i a n L i n g l i n g 2 ， S o n g Y u l i n 1 ． Ku n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Ku n mi n g 6 5 0 0 9 3，Ch i n a 2 ． Ga n s u I n d u s t r y Po l y t e c h n i c C o l l e g e，Ti a n s h ui 7 41 0 25 ，Ga n s u C hi n a Ab s t r a c t Hu i z e P b Z n o r e h a s a l r e a d y e n t e r e d i n t o d e e p b l o c k mi n i n g a l o n g w i t h mo r e s e ri o u s‘ 3 - h i g h ’c h a r a c t e r s ． B a s e d o n r e s e a r c h e s o n e x i s t i n g ma t e ri a l s a n d fi e l d s u r v e y ， we o b t a i n e d t h e c h a r a c t e rs o f p a r e n t al r o c k s b y c l a s s i f y i n g e x p o s e d r o c k s t r a t a ． T h r o u g h o u t i n - s i t u t e s t ， the me c h a n i c al p ara me t e r s o f p are n t a l r o c k s h a s b e d e ri v e d， me a n w h i l e ． Th e a n a l y s i s r e s u l t s o f fl a c 3 D e mp l o y e d o n s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k s o f r o a d wa y s h o w e d t h e s t r e s s e s h a s b e e n r e d i s t r i b u t e d a f t e r e x a c t i o n ， a n d g a v e r i s e t o s t r e s s e s c o n c e n t r a t i o n ．I n t h e mi d d l e o f w a l l ， t h e h o riz o n t a l s t r e s s r e a c h e d i t s ma x i mu m．Ho we v e r ， t h e ma x i mu m v e r t i c a l s t r e s s h a p p e n e d a t t h e mi d d l e o f b o t t o m a n d t o p a r c ． T h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f r o c k s i s g r e a t e r t h a n t h e mo d e l e d ma x i mu m c o mp r e s s i v e s t r e s s ， wh i c h t e s t i f i e s t h a t i t i s s t a b l e aft e r e x c a v a t i o n a s l o n g a s l o c a l r e t a i n i n g a n d p r o t e c t i n g h a s e x i s t e d ， a n d t h i s a l s o c o n f o r m t o the a c t u a l c o n d i t i o n s ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； r o a d wa y ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n ； s t a b i l i t y 随着金属矿产资源 的不断开发 ， 地表及浅部矿产资源 已逐渐枯竭 ， 越来越多的矿井将进入深 部开采 ， 如 红透山铜矿 、 凡口铅锌矿、 大红山铜矿 、 金川二矿区等均 已进入深井开采行列， 随着开采深度 的增加 ， 工程灾 害 日趋增多， 如矿井冲击地压、 瓦斯爆炸、 矿压显现加剧、 巷道 围岩大变形、 流变、 地温升高等 ， “ 三 高’ 特 征越 来越 明显， 深部巷道及围岩稳定性问题迫在眉睫『 l ． 会泽铅锌矿 已有 5 0多年的开采历史， 前期 的地质工作主要在 1 5 7 1 m 麒麟厂 和 1 7 6 4 m 矿 山厂 以上进 行， 随着开采深度的增加， 如今地下探 、 采中段 已达 1 0 3 1 m 麒麟厂 和 1 5 8 4 m 矿 山厂 地表高程约 2 6 0 0 m ． 随着探 、 采深度 的不断增加， 地质环境变得越来越复杂， 其中变现为地应力增大， 破碎岩体增多， 涌水量变化 复杂等 ， 这些都是影响地下洞室稳定的关键 因素 ．地下洞室的开挖必然引起围岩的变形和应力重分布I 6 J ， 加 收稿日期 基金项 目 作者简介 通信作者 2 0 1 3 0 9 1 2 国家自然科学基金一云南联合基金重点项 目 U1 0 3 3 6 0 1 宋尚鑫 1 9 8 9 一 ， 男， 安徽毫州人， 硕士， 主要从事水文地质工程地质方面研究 范柱国 1 9 6 3 一 ， 男， 湖北黄冈人， 教授， 主要从事构造地质工程地质方面研究． 8 4 河 南 科学 第3 2 卷 第 l 期 上开挖断面较大， 围岩应力重分布增加， 当应力重分布超 出围岩的强度或 围岩变形过大时， 就会引起 围岩破 坏 ．因此， 系统研究会泽铅锌矿区深部巷道围岩稳定性 问题， 不仅为矿 山安全提出相应的防治技术和安全对 策 ， 而且可以为以后深部矿 山开采提供借鉴方法． 1 研究区地质环境特征 1 ． 1 构造特征 会泽铅锌矿矿 区位于云南省会泽县者海镇 ， 区域上属滇东北的北东向叠瓦状断裂构造带 ， 其构造变形强 烈， 断层发育 ．褶皱不发育或多 已破坏 ， 地层总体倾 向南东， 由西至东倾角变陡， 这是 由于长期以来遭受南 东至北西构造挤压的结果 ． 1 ． 2 原岩特征 在对 已有资料分析及野外调查的基础上， 对研究区 1 0 3 1 矿段原岩分别按工程岩体分级、 水利水电分类、 R MR分类标准进行分类 ．结果表 明， 三种分类结果基本一致， 但局部相异 ， 考虑到各分类标准影响因素有所 差异及测量误差等人为因素造成的， 这些标准都考虑 了岩体的完整性、 结构面的间距和性质 、 地下水 的影响 等因素 ．但工程岩体分级标准对地下水和地应力的影响考虑较少； 水利水 电围岩工程地质分类法未考虑地 应力的影响； R MR分类方法没有考虑高地应力对围岩类别的影响[ 7 - 9 1 ． 为了更好地研究会泽铅锌矿深部岩体围岩的原岩特征， 综合考虑三种分类结果， 同时结合巷道变形破坏 情况、 支护情况， 得 出会泽铅锌矿深部巷道围岩综合分类表 见表 1 ． 1 马坪组 C ， m 灰色灰岩 ， 岩体结构类型比较 苎 誊 登 队 w 1 ro ck 会 泽ate go r铅 锌y o f d矿ee 醋H u ize lea d⋯ 节理裂隙不发育 ； 当夹有软弱夹层时， 具有软岩岩_ 二 二 _ _ - 层的特征．以Ⅲ类岩体为主 ． 2 摆佐组 C b 灰 白色 、 米黄色 、 肉红色 中粗 晶白云岩夹 浅灰色灰岩及 白云质灰岩 ， 受到软弱 结构面 以及地质构造的影响， 微裂隙发育， 结构疏 松 ， 巷道出现不 同程度的破坏 ， 需进行相应支护 ． 以Ⅳ类岩体为主 ． 3 大塘组 C 。 d 灰色隐晶灰岩， 节理裂隙发育， 但岩石本身较为致密 ， 岩体整体较完整 ， 稳定性较好 ．一 般不需要支护， 但局部有软马 弓 结构面， 会产生局部岩体破坏， 在布置巷道工程的时候应该避开该类型的软弱 结构面或一定程度的支护 ．以Ⅲ类岩体为主 ． 1 ． 3 原岩力学特征 通过对 1 0 3 1中段坑道岩体进行原位试验 直剪试验及岩体变形试验 ， 得出原岩理学特征 ， 其 中各试验 点位置和岩性见表 1 ， 岩体剪切试验结果见表 2 ， 岩体变形试验结果见 3 ． 表 2 岩体剪切试验结果表 T a b ． 2 Th e r e s u l t s o f s h e a r t e s t s o n r o c k 2 深部矿区巷道围岩变形破坏特征研究 表 3 岩体变形试验 结果表 Ta b．3 Re s u l t s o f r o c k ma s s d e f o r ma t i o n 如前所述 ， 随着采矿深度的增加， 进入深部开采后巷道围岩应力重分布， 将遭遇数倍于其强度的应力状 态， 巷道围岩将不可避免地要遭受破坏 ．为 了研究会泽铅锌矿巷道围岩高应力状态对巷道 围岩变形破坏的 影响， 本文采用 F L A G 3 D进行数值模拟f 9 1 ， 分析其变形破坏特征 ． 宋尚鑫，等会泽铅锌矿深部矿区巷道围岩稳定性研究 一 8 5 2．1边界条件确定 根据前面 围岩分类 的结果及巷道 围岩原岩力学特征，分别对103 l中段的马坪组C椰灰岩、摆佐组 C ，b灰岩和大塘组C。d灰色隐晶灰岩进行数值模拟 ．数值模拟 的巷道断面为拱形，根据采矿设计说明，其 中巷道断面尺寸为2．65mx2．4 In，其 中，上顶拱高0．8m ，边墙1．8 5m高，底部宽为2．4 1 3 1 ．文献[10]指出，局 部开挖对距离巷道3 。 5倍跨度范 围内对 巷道围岩应力和应变的产生影响．故考虑到会泽铅锌矿巷道断面 的 一 些其他影响 因素，因此，模拟岩层范围宽高为50mx50IT I；模拟巷道 的长度50I T I．模型的垂直压应 力，按巷 道上覆岩体的自重考虑，由实际的原岩资料，岩体的垂直应力取25．9MPa ． 根据已有地应力的数 据，运用线性内插法，从而得出1031中段最大主应力方向约70 。E 大小为29．9MPa，最小主应力方向约 N20 。E 数值为25．7MPa，其他参数取值见表4 ．模型边界条件采用位移约束，约束各个面的位移，应力分别 施加于模型的六个面，采用六面体单元，单元划分按照从模型外边界到巷道逐渐加密的原则，模型计算时采 用M ohr -- Coulomb应变准则．分别在顶拱中点、边墙顶角、边墙中点、边墙底角、底板中点，设置观测点，以 便记录观测巷道围岩变形特征． 表4计算模型围岩物理力学性质参数表 Tab．4Param eter sofm echani ca lchar acter sinnum ecalwal lm cksim ulation 2．2 模拟结果分析 图1为马坪组灰岩计算模型图，由图2可知，马坪组灰岩水平方 向位移变化范围为 一 3．32 ～ 3．32cm正负值 分别表示位移方向向右向左，由图3可知，其竖直方向位移变化范 围为 一 1．67 ～ 2．11cm正负值方 向同上． 通过对数值模拟计算结果的分析得知，巷道顶拱中点、边墙顶角、边墙中点、边墙底角、底板中点的水平位移 分别为1．9x10 3 ，2．9，3．1，1．6，1．310 -3 em．其中最大位移产生于边墙中点，位移量为3．1cm ．巷道顶拱中 点、边墙顶角、边墙中点、边墙底角、底板中点的竖直位移分别为1．7，5．7x10 ～ ，2．7x10 ～ ，1．0，2．1cm．其 中最 大位移产生于底板中点，位移量为2．1 cm．由图4、图5可知水平方向应力变化范围为 一 13．62 36．91MPa负 值为压应力，正值为拉应力，竖直方向应力变化范围为 一 13．9l 一 46．04MPa其中负值表示压应力．水平应 力在边墙终点附近处相对集中，压应力最大值为36 ．91 MPa，表现为压应力集中现象．竖直应力在底板中点 处出现应力重分布现象，应力最大值为4 6．04 MPa，应力为压应力，方向向上 ．除底板外，巷道顶拱同样出现 压应力集中显现，拱顶时达到最大值．图6为拱顶水平位移 曲线图，由于篇幅有限，其他位移模拟计算结果 图未 一一 列出． 图1马坪组灰岩计算模型正视图 Fi g ．1Thefr ontviewofnu m ericalsimulationonC柙l imestone 图2马坪组灰岩水平方 向位移等值线图 F i g ．2T hehorizontaldisplacem entcontour m apofC3mlim estone 一 8 6 一 河南科学 第32卷第1期 图3马坪组灰岩竖直方 向位移等值线图 Fi g ．3Tverticaldisplat ’em entcont our m apofC3mlimestone 图5水平方向应力等值线图 Fi g ．5Thehorizontalstr ess contourm ap 图4竖直方 向应力等值线图 F i g ．4Theverticalstl sscontour m ap 摆佐组白云岩和大塘组灰岩模拟结果见表5、表6、表7． 图6拱顶水平位移曲线图 F i g ．6Horizontaldisplacem entcul Neoftopare 表5摆佐组白云岩和大塘组灰岩位移应力计算结果 Tab．5Resultsofstress computationofBaizuoFmdolomiteandDatangFml imestone 表6摆佐组白云岩各观测记录点最大位移统计表 Tab．6Maxim umdisplacementsinBaizuoFm fr omobser vation poi nts 表7大塘组灰岩各观测记录点最大位移统计表 Tab．7Maxim umdisplacementsinDatan gF mlimeston e f r om observ ation poi nts 对比1031段三组岩性岩石模拟结果，虽然各组应力位移大小各不相 同，但具有相同变化趋势，即水平 应力于边墙中点处出现应力集中现象，水平位移于此达到最大值；竖直应力分别于底板中点及顶拱处 出现应 肀 2 0 1 4年 1 月 宋尚鑫， 等 会泽铅锌矿深部矿区巷道围岩稳定性研究 一 8 7 一 力重分布后的应力集中现象 ， 竖直位移分别在这两处附近达到最大值 ． 3 结论与建议 通过对会泽铅锌矿矿区 1 0 3 1中段巷道 围岩分类和数值模拟得到 以下结论 1 1 0 3 1中段巷 道围岩主要为马坪组 C ， m 灰色灰岩 ， 综合分类 以Ⅳ类 岩体为主； 摆佐组 C 1 b 白云岩 夹 浅灰色 灰岩及 白云质 灰岩 ， 综合分类 以Ⅳ类岩体为主 ； 大塘组 C d 灰色隐晶灰岩 ， 综合 分类 以Ⅲ类岩 体 为主 ． 2 数值模拟结果表明 巷道开挖之后， 应力重新分布， 分别出现应力集中现象 ， 其中水平应力于边墙中点 处达到最大值， 竖直应力分别于底板中点及顶拱处达到最大值 ．水平 向位移大于竖直方 向位移 ． 3 岩体 的抗压强度大于岩层模拟的最大压应力 岩层模拟 的最大压应力是指通过模拟 ， 确定实际上岩层 承受的最大压力 ， 说明巷道开挖之后是稳定的， 只有局部需要支护 ， 这也与实际开挖之后情况符合 ． 本文建议 由于在巷道开挖过程 中引起应力重分布， 尤其是边墙 中点及顶底板处， 故建议在 以后开挖时 做好支护 ， 以防产生破坏 引起 生命财产威胁 ．在运用数值模拟 时边界条件取值 比较理想化 ， 对实际岩石受 力分析具有局限性， 边界条件取值 尚需进一步完善 ． 参考文献 靖洪文， 李元海， 许国安． 深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[ J ] ． 岩土力学， 2 0 0 7 ， 2 6 6 8 7 7 8 8 8 ． F a i r h u r s t C ． D e f o r m a t i o n ， y i e l d ， r u p t u r e a n d s t a b i l i t y o f e x c a v a t i o n s a t g r e a t d e p t h [ C] ／ ／ F a i r h u s t C ． R o c k b u r s t a n d S e i s ma c i t y i n Mi n e s ． Ro t t e r d a m A A B a l k e ma ， 1 9 9 0 1 1 0 3 1 4 ． 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． 钱七虎． 非线性岩石力学的新进展深部岩体力学的若干问题[ C ] ， ， 中国岩石力学与工程学会． 第八次全国岩石力学与 工程学术大会论文集． 北京 科学出版社， 2 0 0 4 ． 钱鸣高． 2 0年来采场围岩控制理论和实践的回顾[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ， 1 9 1 1 - 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