摘要
對地下礦山開采而言，保證巷道開挖與支護穩(wěn)定是礦山安全生產(chǎn)的前提。隨著開采水
平的不斷深入，以及復(fù)雜多變的地質(zhì)條件的影響，使得采礦巷道的維護更加困難，嚴(yán)重影
響了礦山的安全生產(chǎn)。目前主要用于礦山采礦巷道開挖與支護的設(shè)計方法是_f程類比和經(jīng)
驗的方法，該方法雖簡便易行，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，在運用工程類比法進
行采礦巷道設(shè)計與施工時，很難選得真實反映圍巖性質(zhì)的計算指標(biāo)，再加上地卜結(jié)構(gòu)荷載
分析的復(fù)雜性，使得工程類比法存在著無法克服的缺點。因此本文結(jié)合大冶鐵礦龍洞采區(qū)
生產(chǎn)實際，提出“采礦巷道圍巖變形機理與支護效果數(shù)值模擬研究”課題，從理論上探討
圍巖變形機理與支護效果，以指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
論文首先對大冶鐵礦龍洞采區(qū)研究區(qū)段的地質(zhì)條件進行了概述，在此基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場
_
I二程地質(zhì)勘察與室內(nèi)測試等手段對龍洞采區(qū)_}幾程地質(zhì)與巖石物理力學(xué)性質(zhì)等進行研究，為
數(shù)值分析中參數(shù)的選擇提供依據(jù);其次，運用FLAC3D有限元軟件對龍洞采區(qū)一6m2與一74m
水平巷道分別建立有限元模型，模擬了巷道開挖后圍巖應(yīng)力、應(yīng)變變化狀況，分析了圍巖
變形機理，并使用收斂觀測法監(jiān)測龍洞采區(qū)一74m水平巷道開挖后的周邊位移變化情況，驗
證巷道變形機理的數(shù)值模擬結(jié)論;最后對生產(chǎn)實際應(yīng)用支護參數(shù):50mm噴破、m2錨桿+5Omm
噴硅聯(lián)合支護兩種工況效果，進行了模擬，并以此為依據(jù)對支護參數(shù)設(shè)計提供優(yōu)化建議。
通過上述研究得出以下結(jié)論有:
1、由數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道開挖后，龍洞采區(qū)一62m水平止次應(yīng)力影響范圍在巷道
邊墻外10一巧m范圍內(nèi)，一74m水平影響范圍在4一6m范圍內(nèi)。圍巖主應(yīng)力總體上表現(xiàn)為由
各邊墻的中部、中下部位的壓應(yīng)力集中帶逐步過渡到拱頂、底板一定范圍內(nèi)的拉應(yīng)力分布
區(qū)域。主應(yīng)力方向發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，總體上表現(xiàn)為最大土應(yīng)力與開挖臨空面平行或相切，
最小主應(yīng)力與臨空面近于垂直或正交。洞室開挖過程中，洞室周邊淺部圍巖中出現(xiàn)了厚度
不等的塑性破壞區(qū)，比較而言，以拱頂部位和底板和墻角處塑性破壞較為嚴(yán)重。這些部位
常常也是最大、最小主應(yīng)力集中區(qū)。
2、總體上垂向方向的位移相對較大，最大位移為發(fā)生在拱頂位置的沉降。一62m水平
巷道開挖完后圍巖的最大位移可達(dá)22.7mm。一74m巷道開挖完后圍巖的最大位移可達(dá)
.96mm。一62m水平地段的位移接近洞室周邊允許相對收斂值上限，需加強支護，一7m4水平
圍巖變形值接近開挖允許值下限，一般不需要支護，可只在不穩(wěn)定的特殊地段支護。
3、有限元數(shù)值模擬雖然可以動態(tài)地反映出地下洞室在施工過程中圍巖和支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)
力應(yīng)變和主要變形點位移特征，但只是一種模擬手段，應(yīng)輔以現(xiàn)場監(jiān)控量測來獲得實際施
工中的圍巖力學(xué)動態(tài)和支護體系的工作狀態(tài)信息(數(shù)據(jù))。通過實際監(jiān)控數(shù)據(jù)來調(diào)整工程類
比法的設(shè)計參數(shù)和有限元數(shù)值模擬的參數(shù)取值，從而達(dá)到信息化設(shè)計與施工的經(jīng)濟、快速、
最優(yōu)化要求。本文中對比模擬與實測結(jié)果，一7m4水平巷道的模擬結(jié)果顯示最大垂向位移為
.96mm，與實測最大位移8.m3m非常接近，側(cè)面反映了應(yīng)力釋放程度的把握較為接近實際情
況，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。
4、在開挖不支護條件下，圍巖都有不同程度的塑性破壞區(qū)域出現(xiàn)。在拱頂和底板都是
以張拉性破壞為主，而在邊墻中部和邊墻角都是以剪切性破壞為主。隨著支護措施的變化，
使用錨噴聯(lián)合支護與使用噴硅支護時，噴層未發(fā)生破壞，表明噴層對限制塑性破壞區(qū)的出
現(xiàn)有很好的效果。在支護條件下，一62m水平巷道一次開挖后噴層或聯(lián)合支護，位移量僅
12.2mm;一74m水平巷道一次開挖后噴層或聯(lián)合支護，位移量僅5.3mm。噴硅支護與錨噴
聯(lián)合支護的塑性區(qū)與位移區(qū)別不大，說明在模擬地段的噴層對圍巖塑性破壞的限制效果比
錨桿支護更為顯著。
5、在了解龍洞采區(qū)一62m水平不穩(wěn)定地段和一74m水平采礦巷道工程地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，
結(jié)合位移監(jiān)測結(jié)果，經(jīng)過有限元數(shù)值模擬分析，對龍洞采區(qū)一74m水平巷道的支護建議為:
①主體圍巖質(zhì)量較好，巷道不需支護;②局部巖塊破碎，圍巖質(zhì)量較差斷面采用50mm噴
射混凝土支護。一62米水平巷道的錨噴支護建議為:①局部圍巖質(zhì)量較好的巷道采用50mm
噴射混凝土支護;②巷道主體不穩(wěn)定地段使用長Zm錨桿+拱頂、邊墻噴射50mm混凝土+
鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護。
關(guān)鍵詞:采礦巷道變形機理變形監(jiān)測支護效果數(shù)值模擬




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