趙春濤
(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)
某鐵礦大型地下硐室穩(wěn)定性數(shù)值分析
趙春濤
(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)
利用FLAC3D軟件對(duì)張家灣鐵礦地下選廠硐室開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,得出硐室圍巖松弛區(qū)范圍、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值。結(jié)合硐室穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)判據(jù),對(duì)硐室支護(hù)前和支護(hù)后進(jìn)行了穩(wěn)定性的量化判定,可為硐室開(kāi)挖和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。
大型硐室 穩(wěn)定性 數(shù)值分析 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移 支護(hù)參數(shù) FLAC3D
當(dāng)前冶金礦山領(lǐng)域地下硐室支護(hù)設(shè)計(jì)多以工程類比為主[1-2],但對(duì)于非常規(guī)的大型硐室而言,由于工程條件的差異,工程類比的可靠性較差。數(shù)值分析技術(shù)可提供有效的量化分析結(jié)果,為硐室開(kāi)挖和支護(hù)提供數(shù)據(jù)支持[3-4]。為此,本研究基于FLAC3D軟件對(duì)張家灣鐵礦地下選廠硐室開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
張家灣鐵礦地下選廠立磨硐室,硐室斷面形式為直墻圓弧拱,規(guī)格82 m×23 m×31 m,直墻高24 m,硐室埋深500 m,硐室為特大型硐室,幾何模型見(jiàn)圖1。硐室開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的圍巖中等穩(wěn)定,物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 硐室?guī)缀文P?/p>
表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)
基于FLAC3D軟件,采用Mohr-Coulomb模型作為巖體本構(gòu)模型[5-8],硐室穩(wěn)定性判據(jù)見(jiàn)表2。
2.1 毛硐穩(wěn)定性數(shù)值分析
毛硐在不支護(hù)的條件下,按自上而下的順序分3次開(kāi)挖進(jìn)行穩(wěn)定性分析,拱部1次開(kāi)挖,邊墻分2次開(kāi)挖。根據(jù)對(duì)稱性,取半模型進(jìn)行計(jì)算,物理模型見(jiàn)圖2,硐室中部應(yīng)力等值線見(jiàn)圖3,硐室中部位移等值線見(jiàn)圖4。
表2 硐室穩(wěn)定判據(jù)
圖2 硐室物理模型
由圖3、圖4可知:①硐室邊墻塑性區(qū)和應(yīng)力松弛區(qū)深度達(dá)17 m,為硐室跨度的74%,大于經(jīng)驗(yàn)判據(jù)的60%,邊墻不穩(wěn)定,發(fā)生垮塌的可能性極大;②由于邊墻為分部開(kāi)挖,最大位移點(diǎn)向邊墻中下部和中上部轉(zhuǎn)移,約40 mm;③拱部應(yīng)力松弛區(qū)約10 m,為硐室跨度的43%,拱部穩(wěn)定性較差。
2.2 硐室開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程數(shù)值分析
根據(jù)毛硐分析結(jié)果擬定支護(hù)形式為錨噴+局部預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。錨桿為φ28 mm砂漿錨桿,間排距1.2 m,長(zhǎng)6 m。邊墻中上部布置φ15.2 mm鋼絞線錨索束,間排距4 m,長(zhǎng)16 m,錨固長(zhǎng)8 m。噴射混凝土厚 250 mm,錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索采用cable單元模擬,噴層采用shell單元模擬,力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3, 噴射混凝土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。
圖3 毛硐室中部應(yīng)力等值線(單位:MPa)
表3 預(yù)應(yīng)力錨索力學(xué)參數(shù)
表4 噴射混凝土力學(xué)參數(shù)
施工過(guò)程:首先施工拱部,然后向下分3層施工邊墻,單次掘進(jìn)進(jìn)尺15 m,開(kāi)挖支護(hù)共20步,錨噴支護(hù)緊跟工作面,錨索待各層開(kāi)挖完畢后安裝。施工過(guò)程中對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè),點(diǎn)位位置及監(jiān)測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)圖5、圖6。硐室開(kāi)挖完成后二次應(yīng)力分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)的部分?jǐn)?shù)值分析結(jié)果見(jiàn)圖7。
由圖7及相關(guān)模擬結(jié)果可知:①支護(hù)后邊墻松弛區(qū)約8 m,松弛區(qū)范圍減小,約為跨度的38%,拱部最大位移30 mm,邊墻最大位移22 mm,均處于安全范圍內(nèi);②錨索軸力1 430 kN·m,未超過(guò)其設(shè)計(jì)抗拉力,錨索安全,拱部錨桿最大軸力143 kN·m,邊墻局部錨桿超過(guò)了拉力設(shè)計(jì)值;③噴層最大軸力915 kN·m,最大彎矩91.6 kN·m,最大壓應(yīng)力發(fā)生于拱部與邊墻墻角處,為12.5 MPa,未超過(guò)噴層抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值,噴層安全;④邊墻局部錨桿出現(xiàn)了滑移,因錨噴支護(hù)緊跟工作面,使圍巖應(yīng)力未得到一定程度的釋放,因此實(shí)際錨桿軸力應(yīng)小于計(jì)算值,邊墻端部最大軸力169 kN·m,錨桿安全。
圖4 毛硐室中部位移等值線(單位:mm)
圖5 硐室位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置
圖6 位移與開(kāi)挖步關(guān)系曲線
圖7 硐室中部應(yīng)力等值線(單位:MPa)
(1)在不支護(hù)的工況條件下,硐室穩(wěn)定性差,邊墻片幫,拱頂可能發(fā)生小規(guī)模的冒頂和掉塊。
(2)采用錨噴+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)且采用分步開(kāi)挖、分步支護(hù)的工序時(shí),硐室穩(wěn)定性得到了改善,圍巖松弛區(qū)明顯變小。
(3)通過(guò)對(duì)噴層和預(yù)應(yīng)力錨索模擬分析,得出了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度,噴層、錨索即大部分錨桿內(nèi)力均未超過(guò)設(shè)計(jì)值,局部錨桿發(fā)生滑移,需對(duì)施工工序進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50830—2013 冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2013.
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2015-09-15)
趙春濤(1983—),男,工程師,碩士, 066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)龍海道71號(hào)。