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。

1 項(xiàng)目概況

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)

2 數(shù)值分析

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)

3 結(jié) 論

(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)。