李 涛 李明亮 单麒源 巩宪辉 刘炜楠 刘 伟
(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)
随着我国矿产资源不断向深部发展，深部开采巷道围岩稳定性的地压显现规律逐渐变得复杂[1]。为了掌握巷道围岩的地压显现规律，越来越多的学者选择理论分析[2,3]、数值模拟[4-6]和地压监测[7]等技术手段揭示软岩巷道围岩地压活动规律[8,9]。因此，研究不同围岩(侧压系数)对巷道稳定性的地压显现规律影响显得尤为迫切。
在矿山巷道围岩的失稳破坏方面，数值模拟是一种效率很高的辅助分析方法，还可以通过定量和定性表征巷道围岩的破坏程度，直截了当地研究岩体稳定性，由于目前大部分的研究对象较为简单，较少研究软岩巷道围岩的地压活动规律。FLAC3D能充分考虑研究对象(岩石和岩土)的不连续和大变形特性[10-12]，其求解速度很快，不仅可给出模拟对象的应力和变形分布等情况，同时可以利用Midas/GTS软件的前处理功能，本文利用Midas/GTS软件来建立巷道模型，然后将该模型导入FLAC3D中进行开挖分析。
本文采用FLAC3D数值模拟软件，利用Midas/GTS前处理功能，选取摩尔—库仑准则，按照矿山实际情况开挖，基于5种不同围压方案，开挖过程模拟200中段巷道的地压显现规律，同时掌握深部开采软岩巷道的地压显现规律。
1 基本假设
1.1 巷道破坏现象
巷道围岩失稳现象[13]普遍存在于众多矿山中，软岩巷道围岩失稳现象在矿山中更为突出。顶板下沉、扩容、变形、冒、两帮变形收敛、扩容；底板变形、破坏、底鼓等是巷道变形破坏的特殊特征，在三高一扰动条件下容易引起巷道位置发生变化，距离走向、倾向和倾角较远。给众多矿山地下巷道布置、生产和安全等造成了一系列影响和隐患。根据巷道围岩矿压显现基本特征，将巷道诱发破坏大致分为三类：1)顶板下沉，冒顶；2)两帮位移容易收敛，引起巷道片帮(内移)；3)底鼓。
1.2 软岩巷道变形规律
1)软岩巷道变形具有明显的时间效用现象。主要表现为变形速度快，持续时间久，变形趋于稳定后仍会产生较大流变反应。软岩巷道如果不采取及时有效的支护措施，围岩将产生剧烈变形破坏，导致巷道全面失稳。2)软岩巷道围岩变形破坏随埋深的增加而增大，而此过程存在一个临界深度，超过临界深度，软岩的变形将急剧增加。3)软岩巷道变形具有显著的方向性，在不同的应力作用下，变形破坏的方向也不同，巷道自稳时间较短，自稳能力相对较差。4)软岩巷道时常表现为非对称的环向受压现象，巷道变形破坏的主要形式为顶板下沉冒落、两帮收敛变形和剧烈的底鼓。
1.3 软破岩体巷道破坏的影响因素
软岩巷道发生变形破坏主要是由地应力、围岩岩性、节理裂隙、支护结构与参数、地下水等因素相互作用的结果。
在数值模拟过程中，不可能将影响巷道稳定性的因素都面面俱到地考虑进去。因此，本次模拟作了一些必要的假定。
1)将岩体看作连续均质和各向同性的力学介质。2)忽略断层和节理、裂隙等不连续面对巷道稳定性的影响。3)计算过程只对静荷载进行分析且不考虑岩体的流变效应。4)不考虑地下水、地震和爆破振动力对采场稳定性的影响。
由于地下采矿工程所具有的特殊环境和特性，计算模型中很难真实地完全反映和考虑矿山的地质条件和岩体结构条件，也很难根据矿山的实际回采步骤完完全全地进行回采数值模拟。通常为了容易计算，对岩体介质和回采步骤要进行简化处理等步骤。本文探究对象某矿矿区巷道工程地质条件比较复杂，矿区围岩主要以层纹灰岩，结晶灰岩，一般千枚岩，炭质千枚岩和泥质千枚岩为主，本次研究针对200中段围岩的巷道，岩性主要为层纹灰岩，主要进行开挖不支护，从而确定地压显现规律的合理性及可靠性。
2 FLAC3D计算模型的建立
为了较好完成计算需要和提高计算精度，本次计算采用的模型尺寸为开挖区域[14]的6倍～7倍。根据矿区巷道的规格和断面形式，结合岩石力学相关理论，建立三维有限差分法模型。其模型大小为：16.8 m×16.8 m×16.8 m，即垂直巷道走向方向取16.8 m(x方向)，沿巷道方向取16.8 m(y方向)，铅垂方向取16.8 m(z方向)，根据矿区巷道的主要破坏情况和研究的影响因素，本研究选取200中段为研究对象，巷道埋深约600 m，根据巷道上部覆岩岩性，利用高度与载荷的关系，对模型上部施加10 MPa的均布荷载。共计95 812多个节点，91 872个单元体。单元网格划分和模拟巷道示意图如图1,图2所示。
3 计算方案及力学参数
根据地应力显现规律，针对200中段围岩的巷道有五种地应力显现方案，本次数值计算对五种方案分别进行计算模拟：方案一：围压为0.5γH；方案二：围压为1.0γH；方案三：围压为1.5γH；方案四：围压为2.0γH；方案五：围压为2.5γH。
判断材料进入塑性阶段准则通常用屈服准则[15]，岩石和岩土材料的屈服准则经过众多学者数十年的研究与推算，提出的表达式有几十种之多。其中主要以摩尔—库仑定律为基础的摩擦屈服准则在岩石力学与工程中被广泛的应用。本文亦采用摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)弹塑性本构模型，根据现场地质调查和室内岩石力学试验等手段确定岩体力学参数，由于FLAC3D中采用体积模量和剪切模量来准确描述弹性模量和泊松比，所以根据式(1)计算体积模量和剪切模量。(E,ν)与(K,G)的转换关系如下：
(1)
其中，K为体积模量；G为剪切模量；E为弹性模量；υ为泊松比。
以室内试验得出的岩石物理力学参数和岩体质量评价RMR值为基础[16]，采用最新的Hoek-Brown准则，对岩石物理力学参数进行工程折减弱化处理，计算分析出矿山各岩性的岩体力学参数见表1。
表1 矿岩宏观岩体力学参数计算结果
4 数值模拟分析
4.1 不同围压下的巷道应力场分析
为了研究整个巷道围岩应力变化情况，本文模拟分析了巷道围岩两侧腰线、底鼓和顶板3种不同位置，不同围压下巷道围岩应力变化规律如图3所示。
由图3可知，巷道围岩应力分布与不同围压(侧压系数)有着密切关系，随着侧压系数的增大，巷道两侧、底板和顶板的最大水平主应力逐渐增加，研究表明，随着侧压系数的增大，巷道地压显现越明显。
4.2 不同围压下的巷道位移场分析
为了研究整个巷道位移变化情况，本文模拟分析了巷道围岩两侧腰线、底鼓和顶板3种不同位置，不同围压下巷道位移变化规律。限于篇幅，仅列出图4和图5(围压为0.5γH)，分别为巷道开挖之后，巷道拱顶处的垂直、巷道底板处、巷道顶板两侧中间和巷道左右两帮中间位置的水平位移监测曲线。从图中可以看出，巷道的水平位移要大于垂直位移，说明巷道开挖后发生偏帮较严重。由图6～图8可知，巷道底板处、巷道侧帮及巷道顶帮与侧压系数的关系。
4.3 不同围压下的巷道塑性区分析
为了研究整个塑性区变化情况，本文模拟分析了巷道围岩两侧腰线、底鼓和顶板3种不同位置，不同围压下巷道开挖后最大剪切增量分布如图9所示。
由图9可知，不同围压条件下巷道围岩塑性区变化不同，巷道围岩塑性区变化规律与不同围压(侧压系数)有着密切关系，随着侧压系数的增大，巷道两侧、底板和顶板的塑性区逐渐增加，研究表明，随着侧压系数的增大，应力集中越容易，在巷道开挖后产生的变形越来越大，巷道地压显现越明显。
5 结语
本文通过对某矿山软岩巷道进行数值模拟，本次模拟采用设计巷道的标准形态进行模拟，即200中段单轨平巷，断面尺寸为2 400 mm×2 800 mm，巷道的边角形态在局部比较复杂，在巷道和围岩交界部位变化较大，因此在局部应引起足够的重视，揭示了巷道开挖后的地压显现规律，研究结果如下：1)不同围压(侧压系数)条件下巷道围岩塑性区变化不同，由于围压的不断加大导致巷道开挖后产生的变形逐渐变大。2)巷道围岩应力分布和侧压系数有密切的关系，随着不同围压(侧压系数)的增大，巷道地压显现越明显。3)随着侧压系数不断地增大，巷道底板处、巷道侧帮及巷道顶帮的水平位移大于垂直位移，说明巷道开挖后发生偏帮较严重。
