拉底过断层区喷锚支护巷道稳定性研究*

冯兴隆，苗元丰 ，李争荣，王贻明 ，刘明武，王志会

(1.云南迪庆有色金属有限责任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083；3.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083)

0 引言

拉底巷道是地下采矿在矿房回采以前，于采场底部开掘的巷道。在矿山巷道布置中，部分拉底巷道不可避免地要布置在断层破碎带附近。断层破碎带的工程物理性质、断层填充物的物化特性都直接影响着断层的活化、发展规律，直接影响拉底巷道的稳定性。含断层泥的破碎带经过掘进用水浸透后，断层泥易吸水膨胀使岩体失稳，断层带岩体强度降低，易发生冒落[1]。因此，矿山的巷道施工需要探明拉底巷道过断层的影响因素规律，采取合理的锚喷支护手段来增强巷道的稳定性，以防止事故的发生，保证施工的安全性，达到安全采矿的目的。

FLAC3D是专门进行岩土工程数值分析的有限差分软件，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟，其具有良好的处理功能，在研究矿山巷道稳定性研究中有着广泛的应用[2]。

针对拉底过断层的巷道稳定，国内外专家学者做了大量研究。J.A.Hudson[3]研究表明断层的存在会较大程度地扰动地应力的局部分布，这种局部应力的扰动是难以测量、表征和外推的，可以在分析时把断层破碎带看做散体介质可以更好更科学地表征断层带的受力行为。贾晓亮等[4]通过 FLAC3D模拟断层端部地应力场分布情况，得出断层倾角、断层性质、断层内摩擦角、煤层弹性模量、煤层泊松比和边界应力比是影响断层端部应力大小的主要因素。Katona[5]通过研究发现围岩体并不是刚体的，而是弹性、塑性与粘性的共同体，所以块体理论对于围岩岩块的相互作用难以分析。穆磊等[6]通过 FLAC3D，从围岩应力、巷道断面收缩率以及塑性区分布进行分析对比，研究巷道支护的设计条件。肖猛等[7]通过 FLAC3D对系统非平衡力的计算和关键部位位移的跟踪表明,围岩可以通过自身应力、应变和能量的调整使整个系统达到稳定状况。彭常成等[8]采用FLAC3D软件模拟了巷道分步开挖时巷道围岩的力学特性及变化状态,分析了巷道锚注支护前后的应力、应变、塑性屈服情况及巷道支护的效果。

拉底过断层的应力显现及变化过程是异常复杂的，由于条件限制，无法直观地观察应力变化过程[9]。本文结合某铜矿实例，根据矿山设计采用的拉低过断层巷道方案，利用FLAC3D数值模拟手段对拉底过断层区喷锚支护巷道稳定性数值模拟分析，并对围岩应力、边帮收敛、顶板沉陷、加厚边帮支护结果、加厚锚杆支护结果进行分析，并根据模拟结果，为矿山拉底过断层提供新的思路和方法。

1 工程数值模型

该矿采用自然崩落法，拉底巷道底部位于3736 m水平。本次拉底巷道支护稳定性分析研究时，拉底巷道围岩的结构呈“碎裂镶嵌结构”，岩体质量相对较好，采用了湿喷进行支护，构造断层相对较小，岩体质量相对较高[10]。

1.1 模型构建

1.1.1 锚杆

在 FLAC3D中对锚杆采用桩结构单元进行模拟，桩单元具有模拟锚杆支护的特性功能。由于桩结构单元所需参数较多，锚杆参数见表1。

1.1.2 喷砼

FLAC3D中喷砼支护可使用 2D结构单元来模拟，喷射混凝土层除了具有薄膜元件的抗拉力外，还具有一定的抗弯和抗扭效应，因此应该使用衬砌结构单元来模拟，其中数值模拟参数见表2。

1.2 本构模型及参数确定

岩体参数利用Hoek-Brown准则折减并进行参数反演后选择（见表3）。

破碎带参数如表4所示。

研究区域断层交汇区地表标高不超过3998 m，取4000 m为地表标高，模型高度和宽度均取为60 m，超过巷道最大尺寸的6倍，以减小边界效应。取3736平面为数值模型的XOY平面，于是地表要施加250 m高覆岩的自重，如图1所示。

表1 使用桩单元模拟锚杆的属性参数

表2 喷浆使用衬砌模拟的属性参数

表3 折减后岩体参数

表4 断层的力学参数

1.3 边界条件及地应力反演

断层破碎带看做散体介质可以更好更科学地表征断层带的受力行为，模型四周边界滚支固定，底部边界完全固定，地表作为自由面不做处理，以此作为模型的边界条件。

通过FLAC3D的梯度功能，推导出原始平衡点，通过对模型施加水平应力、重力，运行平衡状态，记录中间主应力SXX、最大主应力SYY和竖直主应力SZZ。数值模拟所得地应力和实测地应力结果对比见表5。

图1 数值模型几何布局

表5 应力反演值与实测值对比统计

对比发现，数值模拟演算所得地应力与实测地应力较为接近。

1.4 巷道监测设计

在巷道断面的顶底板中央、巷道侧帮的上边界、中点和下边界设置监测点，分别监测z向和y向的收敛。同样，监测也分为断层穿过的破碎区和相对完整区两部分。

2 模拟结果分析

2.1 围岩应力

顶板和侧壁是拉底巷道的支护区域，对于不同断层宽度下断层区和正常围岩区的顶板、侧壁围岩最大应力进行提取，见表6。

表6中的最大主应力均出现在边帮，而边帮的最大剪应力和最小主应力是最小的。最大剪应力、最小主应力均出现在顶板，因而顶板的拉应力比较小。原因是地应力的水平成分是主应力，对于侧帮有较大影响，侧帮最大收敛图也显示了相同的规律，说明在此种情况下，支护的重点不能仅仅放在顶板上，对于边帮支护也要适当加厚、适当加密锚杆。

表6 不同断层宽度下顶板和侧壁围岩应力

2.2 边帮收敛

数值模拟显示，边帮收敛最大值出现在巷道中间长度处，在整个断层区与完整区的不同开挖阶段遍历所有点的收敛值，得到边帮最大收敛结果如图2、图3所示（图中supported表示使用提出的方法支护结果，no support表示无支护），得到边帮收敛位移云图，如图4所示。

图2 边帮最大收敛（断层区）结果

由图2所示，断层区支护前后巷道边帮最大收敛对比可见，支护后边帮的收敛减少，但范围有限。表明在该铜矿水平应力是主应力方向且远大于竖直应力的情况下，支护厚度不足，应当进一步加厚。

由图3所示，完整区支护前后巷道边帮最大收敛对比可见，完整区边帮的收敛较之断层区略小，但最大值依然大于2 cm。同断层区边帮收敛规律类似，支护后边帮的收敛减少，但减少范围有限。

由图4可看出，整体的边帮收敛抑制效果很明显，两帮的各自最大收敛值减少明显，收敛值位于较高区间的范围也得到了很大控制。同时，最大收敛值减少有限，也说明对于水平应力时主应力的拉底巷道中间长度段的边帮支护应当适当加厚。

图3 边帮最大收敛（完整区）结果

图4 有无支护时边帮收敛对比

2.3 顶板沉陷

类似边帮收敛监测的方法，对比不同宽度下、不同开挖阶段的断层区和完整区顶板沉陷的最大值，得到顶板最大沉陷示意图，如图5、图6所示，得到顶板沉陷云图，如图7所示。

图5 顶板最大沉陷（断层区）

图6 顶板最大沉陷（完整区）

图7 有无支护时顶板沉陷对比

由图5可知，支护后，顶板最大沉陷得到了有效控制。而且，支护前不同宽度断层下顶板沉陷差距较大；支护后不同宽度下顶板最大沉陷值比较接近，即选用不同的安全系数支护后能够比较好地将最终沉陷值控制在选定的不同沉陷区间内。

由图6可知，由于完整区围岩本身的沉陷就比较小，支护后控制沉陷的空间有限。

由图7可知，从整体沉陷来看，支护后沉陷值不仅更小，且分布更为均匀，说明支护对于顶板沉陷而言是十分有效的。

2.4 加厚边帮支护结果

将边帮喷砼厚度加厚 25 mm后，所得最大边帮收敛见表7。

表7 边帮加厚支护后最大收敛值对比

从表7可以看出，边帮支护加厚25 m后，巷道边帮最大收敛值改善并不明显，甚至部分情况下并未减少，这种现象与该铜矿水平应力是最大主应力有关，且不能反映全局的收敛分布。整体分布较均匀，收敛值较大的范围比较少是支护效果的关键。

2.5 加密锚杆支护结果

使用加密锚杆，并对加密锚杆支护前后巷道周边应力和变形极值进行监测，结果如下。

2.5.1 围岩应力

最大拉应力相比减少，且拉应力得到了明显降低。最大主应力均出现在边帮，而边帮的最大剪应力和最小主应力最小。最大剪应力、最小主应力均出现在顶板。原因是该矿区地应力的水平成分是最大主应力，对于边帮有较大影响，图8所示的侧帮最大收敛图也显示了相同的规律。说明顶板破碎带和边帮支护都要适当加厚、加密锚杆。

2.5.2 边帮收敛

在整个断层区与完整区的不同开挖阶段监测收敛值，得到边帮最大收敛结果。由图8所示，支护后边帮的收敛减少，但减少范围有限，这和应力分析中边帮的拉应力最大是对应的；表明在该铜矿水平应力是主应力方向且远大于竖直应力的情况下，边帮变形较大。完整区支护前后巷道边帮最大收敛对比可见，完整区边帮的收敛较之断层区略小，但最大值依然大于2 cm；同断层区边帮收敛规律类似。

2.5.3 顶板沉陷

监测不同宽度下、不同开挖阶段的断层区和完整区顶板沉陷的最大值，总结绘图如图8～图10所示。

图10所示，支护后顶板最大沉陷得到了有效控制。断层区在支护后，不同宽度下顶板最大沉陷值较接近，即选用不同的安全系数支护后能够将最终沉陷值控制在选定的不同沉陷区间内。完整区围岩本身的沉陷较小，支护后控制沉陷的空间有限。从整体沉陷来看，完整区支护后沉陷值更小且分布更均匀。说明支护对于顶板沉陷控制十分有效。

图8 最大边帮收敛

图9 有无支护时边帮收敛分布

虽然支护对于最大边帮收敛值减小效果有限，但最大值只是一点的反映。由图9可以看出，此时整体的边帮收敛抑制效果很明显，两帮的各自最大收敛值减少明显，收敛值位于较高区间的范围也得到了很大控制。同时，最大收敛值减少有限，也说明对于水平应力是主应力的拉底巷道中间长度段的边帮支护应当适当加厚。

3 结论

（1）结合矿山巷道实际，利用 FLAC3D软件对拉底过断层区喷锚支护巷道稳定性展开研究。对于既定的边帮收敛，采用支护后，边帮的收敛减少但有一定限度，完整区边帮的收敛较之断层区略小。对于顶板的沉陷，对比不同宽度下、不同开挖阶段的断层区和完整区顶板沉陷的最大值，可以得出结论：在支护前，不同宽度断层下顶板沉陷差距较大，支护后，不同宽度下顶板最大沉陷值较接近。此外，在加厚一定的边帮支护的基础上，最大值收敛不明显。

图10 最大顶板沉陷示意

（2）利用FLAC3D加密了一定的锚杆支护后，测得发现最大主应力出现在边帮，顶板沉陷相对于之前变小，边帮收敛比起加密支护前变小。证明了加密锚杆支护是有效增强巷道稳定性的手段，与实际矿山生产中相呼应。

（3）FLAC3D模拟结果与矿山巷道理论设计基本符合，对于拉底过断层巷道的稳定性可以起到很好的指导作用，将FLAC3D应用于研究巷道稳定性是完全可行的，对于矿山的安全生产具有指导意义。