楊八九，者亞雷，李爭榮，杜桂全

(1.云南亞融礦業(yè)科技有限公司， 云南 昆明 650093；2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司， 云南 迪慶市 674400)

0 引言

有色金屬的開采在我國礦產(chǎn)資源開采中占有較大的比重[1]。礦體的開采受開采技術(shù)條件、礦體賦存環(huán)境、地質(zhì)條件等很多因素的影響。迪慶有色金屬責(zé)任有限公司普朗銅礦采用自然崩落法開采，礦區(qū)有5條大的斷層交錯(cuò)，在這種復(fù)雜環(huán)境中，底部結(jié)構(gòu)能否長期穩(wěn)定是自然崩落法開采的關(guān)鍵。普朗銅礦在斷層區(qū)域Ⅳ類巖體中的穿脈巷道采用2次支護(hù)：第一次支護(hù)采用噴射混凝土—砂漿錨桿—金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，第二次支護(hù)采用噴射混凝土—砂漿錨桿—金屬網(wǎng)—中長錨索支護(hù)，但從目前使用效果來看，均發(fā)生了較為嚴(yán)重的破壞。因此，有必要對(duì)復(fù)雜斷層區(qū)域的支護(hù)方式進(jìn)行分析研究[2-3]。諸多學(xué)者驗(yàn)證了采用數(shù)值模擬手段分析斷層交錯(cuò)區(qū)域巷道、硐室支護(hù)方式的可靠性[4]，可以通過數(shù)值模型分析不同支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)變化的影響[5]。

1 基于FLAC3D的巷道復(fù)雜斷層實(shí)體單元建模

復(fù)雜地層中地下洞室工程環(huán)境惡劣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，通常被眾多的地質(zhì)斷層切割，斷層破壞了巖體的完整性，降低了巖體強(qiáng)度，成為了洞室結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)的主要因素，因此處于復(fù)雜地質(zhì)斷層中的地下洞室圍巖穩(wěn)定一直是國內(nèi)外巖土工程界關(guān)心的熱點(diǎn)問題。普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)巖層中斷層縱橫交錯(cuò)，必須采用三維建模才能反映底部結(jié)構(gòu)實(shí)際布局，同時(shí)還要考慮施工開挖方法，且當(dāng)多條任意形態(tài)的斷層穿過底部結(jié)構(gòu)，由于地質(zhì)斷層與洞室結(jié)構(gòu)相交的任意性，三維數(shù)值離散化工作將更加紛繁復(fù)雜。

在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法中，一般采用特殊界面單元或薄層實(shí)體單元模擬斷層。本次采用斷層實(shí)體單元建模法，對(duì)普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。該方法將斷層寬度內(nèi)的網(wǎng)格細(xì)分作薄層實(shí)體單元處理，按實(shí)際斷層材料參數(shù)賦值，跟主體介質(zhì)材料一樣按彈塑性模型計(jì)算。該方法考慮了斷層厚度的影響，能夠比較真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際情況。

本次建模范圍為普朗銅礦首采區(qū)穿脈N4-S9底部結(jié)構(gòu)，包括FI-1、FII-1、FII-2、FIII-1、FIII-25條縱橫交錯(cuò)的斷層，根據(jù)底部結(jié)構(gòu)分區(qū)結(jié)果對(duì)建模區(qū)域內(nèi)的不同區(qū)域進(jìn)行分別賦予參數(shù)。模型x軸方向垂直于礦體走向，與穿脈平行，長度為1200 m，y軸為礦體走向方向，長度為1000 m；z軸為豎直方向，底部標(biāo)高3500 m，頂部為平均地表標(biāo)高3950 m。建模平面見圖1，模型共計(jì)1 029 204個(gè)六面體單元和1 056 362個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立的整體模型見圖2和圖3。

圖1 建模底部結(jié)構(gòu)平面

圖2 建模分區(qū)及斷層分布

圖3 斷層與底部結(jié)構(gòu)

2 支護(hù)方案

2.1 鋼拱架加固

隨著我國隧道修建中遇到越來越多的軟弱圍巖問題，錨噴支護(hù)以后，隧道仍發(fā)生隧底隆起、邊墻較大內(nèi)移、初支開裂嚴(yán)重、滲水甚至塌方等。為了克服這些困難，出現(xiàn)了將鋼架（型鋼拱架或格柵鋼架）增設(shè)在初期支護(hù)中。鋼架的主要作用是在短時(shí)間內(nèi)給予圍巖強(qiáng)有力的支護(hù)，約束圍巖的位移，控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

本次模擬的出礦進(jìn)路為三心拱斷面，規(guī)格為4.6 m×4.4 m。在噴錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上在模型出礦進(jìn)路出礦點(diǎn)位置加入4排鋼拱架，拱架與裝礦進(jìn)路斜交。拱架采用HW200×200的型鋼，架拱間距為0.5 m，拱架之間采用橫向拉筋連接，拱架采用彎鉤錨桿固定。拱架上部空采用單層鋼筋混凝土加固，混凝土強(qiáng)度為C30。施工時(shí)應(yīng)依次架設(shè)拱架，綁扎鋼筋，然后將拱架與鋼筋整體澆筑，兩幫澆筑厚度 300 mm。

2.2 鋼管混凝土加固

本次模擬方案在出礦進(jìn)路內(nèi)側(cè)出礦點(diǎn)位置的巷道兩幫及拱頂設(shè)置壁厚為10 mm，直徑為300 mm的鋼管混凝土，并進(jìn)行整體澆筑混凝土，兩排鋼管混凝土邊對(duì)邊間距為 0.5 m，模擬的出礦進(jìn)路斷面尺寸與鋼拱架加固方案一致。

2.3 圍巖注漿加固

普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)有5條大的斷層交錯(cuò)，節(jié)理較為發(fā)育，為注漿加固提供了便利。通過室內(nèi)試驗(yàn)，針對(duì)不同的巖性，注漿后圍巖自身強(qiáng)度能提高10%～30%，結(jié)合現(xiàn)場松動(dòng)圈的測試，普朗銅礦松動(dòng)圈約為 2.5 m，本次注漿模擬方案對(duì)巷道兩幫及拱頂3.0 m的范圍進(jìn)行注漿，將注漿區(qū)域圍巖強(qiáng)度提高15%，達(dá)到提高圍巖內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量的目的。

3 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算過程所采用的參數(shù)均通過大量的試算和經(jīng)驗(yàn)折減來確定。普朗銅礦首采區(qū)底部結(jié)構(gòu)處于5條斷層構(gòu)成的三角區(qū)域，巖體質(zhì)量分級(jí)屬于Ⅱ區(qū)，模擬分析中所采用的計(jì)算參數(shù)見表1。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同方案出礦口位移分析

從圖4～圖6各方案出礦進(jìn)路各方向位移云圖可以看出，當(dāng)出礦進(jìn)路通過斷層時(shí)，在支護(hù)后會(huì)發(fā)生一定的位移變形。巷道頂板主要以下沉為主，兩幫及底板主要向巷道臨空面鼓出。巷道兩幫位移量較頂板位移量大，而底鼓現(xiàn)象最為嚴(yán)重，方案一采用鋼拱架支護(hù)后頂板，最大下沉量為21.86 cm，兩幫最大鼓出位移量為25.31 cm，底鼓最大位移量為51.50 cm；方案二采用鋼管混凝土支護(hù)后，頂板最大下沉量21.72 cm，兩幫最大鼓出位移量為25.60 cm，底鼓最大位移量為51.88 cm；方案三采用圍巖注漿支護(hù)后，頂板最大下沉量9 cm，兩幫最大鼓出位移量為9 cm，底鼓最大位移量為19 cm。

表1 不同分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

從圖7、圖8中出礦進(jìn)路兩幫及頂板監(jiān)測點(diǎn)位移曲線可以看出，對(duì)出礦進(jìn)路加固后，方案一兩幫最大位移為12.5 cm，頂板最大位移為9.5 cm；方案二兩幫最大位移為12.5 cm，頂板最大位移為7.5 cm；方案三兩幫最大位移為 7 cm，頂板最大位移為6 cm。說明圍巖注漿加固的巷道變形抑制效果明顯好于鋼拱架及鋼管混凝土支護(hù)。

4.2 不同方案出礦進(jìn)路應(yīng)力分析

從圖9各方案出礦進(jìn)路整體應(yīng)力云圖可以看出，3種方案支護(hù)后，出礦進(jìn)路拱腳位置均有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，方案一最大應(yīng)力值為12.75 MPa，方案二為13.3 MPa，方案三為13.2 MPa；支護(hù)后巷道兩幫及頂板均有拉應(yīng)力出現(xiàn)，方案一最大拉應(yīng)力值為2.22 MPa，方案二為2.16 MPa，方案三為1.0MPa。僅有方案三頂板的拉應(yīng)力值小于折減以后礦區(qū)圍巖自身的抗拉強(qiáng)度值1.06 MPa，所以從應(yīng)力分布規(guī)律看，圍巖注漿加固要優(yōu)于其它兩個(gè)方案。

圖4 方案一出礦進(jìn)路X-Y-Z方向位移云圖

圖5 方案二出礦進(jìn)路X-Y-Z方向的位移云圖

圖6 方案三出礦進(jìn)路X-Y-Z方向的位移云圖

圖7 各支護(hù)方案的出礦進(jìn)路兩幫監(jiān)測點(diǎn)位移曲線

圖8 各支護(hù)方案的出礦進(jìn)路頂板監(jiān)測點(diǎn)位移曲線

4.3 不同方案出礦口塑性區(qū)分析

各方案的出礦口圍巖塑性區(qū)分布如圖10所示。模擬計(jì)算得出：采用鋼拱架加固支護(hù)后，出礦口圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)的體積分為1.35 m3，采用鋼管混凝土支護(hù)后塑性區(qū)體積為1.04 m3，圍巖注漿支護(hù)后塑性區(qū)體積為0.93 m3，所以從塑性區(qū)分布規(guī)律看，圍巖注漿加固要優(yōu)于其他2個(gè)方案。

圖9 出礦進(jìn)路整體應(yīng)力云圖

圖10 各支護(hù)方案的出礦口圍巖塑性區(qū)分布

通過對(duì)普朗銅礦復(fù)雜斷層巖體中底部結(jié)構(gòu)出礦進(jìn)路、出礦口3種支護(hù)方案下的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布的對(duì)比分析，認(rèn)為采用圍巖注漿加固可改變巖石自身的強(qiáng)度，比鋼拱架和鋼管混凝土支護(hù)更能有效控制斷層區(qū)域圍巖的變形。

5 結(jié)論

（1）普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)巖體中斷層縱橫交錯(cuò)，采用鋼拱架、鋼管混凝土支護(hù)不能有效抑制圍巖變形，支護(hù)效果不佳。

（2）通過注漿使圍巖形成較為完整的整體，提高圍巖自身的力學(xué)性能，能有效地控制斷層區(qū)域圍巖的變形。

（3）對(duì)復(fù)雜斷層巖體中的底部結(jié)構(gòu)支護(hù)方式的研究，為迪慶有色斷層交錯(cuò)區(qū)域出礦進(jìn)路的加固提供了參考。