Serial No. 560
现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业
总第 560期
December. 2015
MODERN MINING
2015 年 12 月第 12 期
某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析
赵春涛
中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)
(
3
D
ꢀ
ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 利用 FLAC 软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进行了稳定性分析,
得出硐室围岩松弛区范围、监测点的位移变化规律及支护结构的内力值。 结合硐室稳定性经验判
据,对硐室支护前和支护后进行了稳定性的量化判定,可为硐室开挖和支护参数设计提供参考。
3
D
关键词ꢀ 大型硐室ꢀ 稳定性ꢀ 数值分析ꢀ 监测点位移ꢀ 支护参数ꢀ FLAC
ꢀ
ꢀ 当前冶金矿山领域地下硐室支护设计多以工程
1-2]
,但对于非常规的大型硐室而言,由于
表 2ꢀ 硐室稳定判据
[
相对位移/ %
类比为主
围岩塑性区或松弛区
围岩级别
硐室埋深/ m
工程条件的差异,工程类比的可靠性较差。 数值分
析技术可提供有效的量化分析结果,为硐室开挖和
支护条件下塑性区或松弛
区为贯通、硐周塑性区或松
弛区深度不超过硐室跨度
的 0. 6 倍,围岩整体稳定
50 ~
300
<
50
>300
Ⅲ
[
3-4]
3D
支护提供数据支持
。 为此,本研究基于 FLAC
0. 1 ~
0. 3
0. 20 ~
0. 50
0. 40 ~
1. 20
软件对张家湾铁矿地下选厂硐室开挖和支护过程进
次开挖。 根据对称性,取半模型进行计算,物理模型
见图 2,硐室中部应力等值线见图 3,硐室中部位移
等值线见图 4。
行稳定性分析。
1
ꢀ 项目概况
张家湾铁矿地下选厂立磨硐室,硐室断面形式
为直 墙 圆 弧 拱, 规 格 82 m × 23 m × 31 m, 直 墙
高 24 m,硐室埋深 500 m,硐室为特大型硐室,几何
模型见图 1。 硐室开挖影响范围内的围岩中等稳
定,物理力学参数见表 1。
图 2ꢀ 硐室物理模型
由图 3、图 4 可知:①硐室边墙塑性区和应力松
弛区深度达 17 m,为硐室跨度的 74% ,大于经验判
据的 60% ,边墙不稳定,发生垮塌的可能性极大;②
由于边墙为分部开挖,最大位移点向边墙中下部和
中上部转移,约 40 mm;③拱部应力松弛区约 10 m,
为硐室跨度的 43% ,拱部稳定性较差。
图 1ꢀ 硐室几何模型
表 1ꢀ 围岩物理力学参数
容重
变形模量 泊松 内摩擦角 黏聚力 体积模量 剪切模量
3
/
(kN/ m ) / GPa
比
/ (°)
/ MPa
/ GPa
/ GPa
2
3
8
0. 3
39
0. 7
5
2. 3
2
. 2ꢀ 硐室开挖及支护过程数值分析
2
ꢀ 数值分析
3D
根据毛硐分析结果拟定支护形式为锚喷+局部
基于 FLAC 软件,采用 Mohr-Coulomb 模型作
[
5-8]
预应力锚索支护。 锚杆为 ϕ28 mm 砂浆锚杆,间排
距 1. 2 m,长 6 m。 边墙中上部布置 ϕ15. 2 mm 钢绞
线锚索束,间排距 4 m,长 16 m,锚固长 8 m。 喷射
混凝土厚 250 mm,锚杆及预应力锚索采用 cable 单
元模拟,喷层采用 shell 单元模拟,力学参数见表 3,
喷射混凝土力学参数见表 4。
为岩体本构模型
,硐室稳定性判据见表 2。
2
. 1ꢀ 毛硐稳定性数值分析
毛硐在不支护的条件下,按自上而下的顺序分
次开挖进行稳定性分析,拱部1次开挖,边墙分2
3
ꢀ
ꢀ 赵春涛(1983—),男,工程师,硕士, 066004 河北省秦皇岛市经
济技术开发区龙海道 71 号。
1
76
ꢀ
ꢀ 赵春涛:某铁矿大型地下硐室稳定性数值分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ꢀ
ꢀ 2015 年 12 月第 12 期
图 4ꢀ 毛硐室中部位移等值线(单位:mm)
图 3ꢀ 毛硐室中部应力等值线(单位:MPa)
表 3ꢀ 预应力锚索力学参数
弹性模量 黏结力 剪切刚度
GPa / (kN/ m) / (GP / m)
00 400
面积
抗拉力
/ kN
预紧力
/ kN
2
/
/ m
2
6
0. 001 53
2 000
1 500
表 4ꢀ 喷射混凝土力学参数
弹性模量/ GPa
泊松比
厚度/ mm
标号
C30
3
0
0. 2
200
ꢀ
ꢀ 施工过程:首先施工拱部,然后向下分 3 层施工
边墙,单次掘进进尺 15 m,开挖支护共 20 步,锚喷
支护紧跟工作面,锚索待各层开挖完毕后安装。 施
工过程中对危险点位移进行了监测,点位位置及监
测结果分别见图 5、图 6。 硐室开挖完成后二次应力
分布及支护结构的部分数值分析结果见图 7。
图 5ꢀ 硐室位移监测点位置
由图 7 及相关模拟结果可知:①支护后边墙松
弛区约 8 m,松弛区范围减小,约为跨度的 38% ,拱
部最大位移 30 mm,边墙最大位移 22 mm,均处于安
全范围内;②锚索轴力 1 430 kN·m,未超过其设计
抗拉力,锚索安全,拱部锚杆最大轴力 143 kN·m,
边墙局部锚杆超过了拉力设计值;③喷层最大轴力
图 6ꢀ 位移与开挖步关系曲线
# # # #
◆
—1 点; —2 点; —3 点; —4 点
■ ▲ ●
于拱部与边墙墙角处,为 12. 5 MPa,未超过喷层抗
压强度的设计值,喷层安全;④边墙局部锚杆出现了
滑移,因锚喷支护紧跟工作面,使围岩应力未得到一
9
15 kN·m,最大弯矩 91. 6 kN·m,最大压应力发生
1
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现代矿业
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3
ꢀ 结ꢀ 论
(
1)在不支护的工况条件下,硐室稳定性差,边
墙片帮,拱顶可能发生小规模的冒顶和掉块。
2)采用锚喷+预应力锚索支护且采用分步开
(
挖、分步支护的工序时,硐室稳定性得到了改善,围
岩松弛区明显变小。
(
3)通过对喷层和预应力锚索模拟分析,得出
了支护结构的安全度,喷层、锚索即大部分锚杆内力
均未超过设计值,局部锚杆发生滑移,需对施工工序
进行进一步优化设计。
参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献
[
1]ꢀ 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质
量监督检验检疫总局. GB 50830—2013ꢀ 冶金矿山采矿设计
规范[S]. 北京:中国计划出版社,2013.
[
[
[
[
[
[
[
2]ꢀ 邹喜正. 煤矿巷道围岩稳定性分类[M]. 徐州: 中国矿业大学
出版社,1995.
3]ꢀ 刘ꢀ 波,韩彦辉. FLAC 原理、实例与应用指南[M]. 北京:人民
交通出版社,2005.
4]ꢀ 梁海波,李仲奎,谷兆祺. FLAC 程序及其在我国水电工程中的
应用[J]. 岩石力学与工程学报,1996(3):225-230.
5]ꢀ 徐干成,郑颖人. 岩石工程中屈服准则应用的研究[J]. 岩土工
程学报,1990(1):108-111.
6]ꢀ 刘ꢀ 琳,王志国,艾立新,等. 基于 FLAC 数值模拟的边坡稳定
性分析[J]. 现代矿业,2014(3):62-64.
7]ꢀ 姬志勇,闫永赋,豆ꢀ 昆. 锚杆设置方式对白云矿边坡稳定性
的影响[J]. 现代矿业,2014(1):94-96.
图 7ꢀ 硐室中部应力等值线(单位:MPa)
8]ꢀ 吴ꢀ 姗,宋卫东,张兴才,等. 全尾砂胶结充填体弹塑性本构模
型实验研究[J]. 金属矿山,2014(2):31-35.
定程度的释放,因此实际锚杆轴力应小于计算值,边
墙端部最大轴力 169 kN·m,锚杆安全。
(收稿日期 2015-09-15)
ꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁ
(
上接第 160 页)围岩体的基本质量级别为Ⅱ级,洞
能力较好,一般情况下,矿柱承载力安全系数大于 1
(较安全),但遇到断层、破碎带时应留有足够厚的
保护矿柱。
径 10 ~ 20 m,可稳定数日到 1 个月。 因此,对于开
采厚度不大的矿体,围岩的自稳性较好,要求做好安
全放矿工作;但在与蚀变闪长岩与矽卡岩的正接触
带地段,回采过程中应注意防范发生冒顶事故。
参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献
[
[
1]ꢀ 王强志,高永涛,吴顺川,等. 基于综合安全系数的强度折减法
的改进[J]. 金属矿山,2015(7):43-47.
(
2)矿柱承载力。 在矿山下部矿段开采矿柱承
载力分析中,应将上部矿岩及土的自重作为地压考
虑,经计算,矿柱承载力安全系数为 1. 78,较安全。
2]ꢀ 杨家冕,刘人恩,王ꢀ 星. 数值模拟在分层充填法采场参数选
择中的应用[J]. 金属矿山,2013(3):29-31.
4
ꢀ 结ꢀ 论
[3]ꢀ 张月征,纪洪广,侯昭飞. 基于莫尔ꢂ库伦强度理论的岩石冲击
危险性判据[J]. 金属矿山,2014(11):138-142.
(
1)中段高度为 50 m 时,若矿房较宽,塑性破
[
4]ꢀ 钟ꢀ 刚,韩方建. 平水铜矿采空区稳定性数值分析[J]. 金属矿
山,2004(3):8-10.
坏域的面积过大,采空区可能发生较大范围的冒落
和塌陷。 因此,矿房宽度、采空区暴露面积不宜过
大。
(
收稿日期 2015-09-07)
(
2)采场稳定性分析表明,岩体质量、围岩自稳
1
78
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