黑山铁矿隧道稳定性分析及治理方案研究

2016-08-30付磊

采矿技术 2016年4期

关键词：治理方案稳定性分析数值模拟

付磊

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山市 063009；2.河北钢铁集团矿业有限公司承德黑山铁矿，河北承德市 067412）

黑山铁矿隧道稳定性分析及治理方案研究

付磊1，2

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山市 063009；2.河北钢铁集团矿业有限公司承德黑山铁矿，河北承德市 067412）

摘要：针对黑山铁矿1#隧道的岩石冒落问题，在现场调查和计算分析的基础上，利用数值模拟软件ANSYS，进行了该隧道的位移、应力及应变研究，分析发现隧道出口处岩体的稳定性最差，竖直方向变形最大位超过最大允许位移50mm，岩层中最大剪应力超过了岩石层的最大抗剪强度0.28mPa。根据数值模拟结果制定了灌注水泥砂浆的加固治理方案。实践表明，该方案有效地控制了隧道上方岩体的沉降位移，并减小了隧道岩石层的剪应力，解决了隧道岩石冒落的问题，提高了隧道的稳定性。

关键词：隧道；稳定性分析；数值模拟；治理方案

0 引言

黑山铁矿1#隧道是矿山露天转井下开采工程中露天采场的泄水通道，在雨季露天采场排洪中起重要作用，该隧道在非雨季兼起行人和通车作用，由于隧道围岩裂隙发育，岩石风化严重、岩体强度低，且接近地表，在某次掘进快要通出地表过程中，隧道东出口发生大面积冒落，影响隧道贯通。隧道的冒落问题亟待解决。本文以黑山铁矿1#隧道的岩石冒落问题为背景，在现场调查和计算分析的基础上，利用数值模拟软件ANSYS，进行了黑山铁矿不稳定1#隧道的数值模拟稳定性分析，并根据模拟结果制定了冒顶区治理方案。

1 ANSYS模型建立

本次模拟采用ANSYS数值模拟软件。根据现场实际情况建立1/2三维立体模型，如图1所示，模型高60m，宽82m，上部台阶宽8m，下部台阶宽20m，中部为1/2隧道模型，隧道净高5.5m，宽5m，隧道模拟长度为45m。模拟所用岩体力学参数见表1。

表1　岩石力学参数

图1　三维模型

2 模拟结果及分析

2.1位移分析

模型x、y、z方向的位移云图如图2所示。

图2　位移云图

由图2可知，x方向位移大变形的区域主要是顶部平台与隧道出口处，y方向大变形的区域主要是隧道深部及其上方的边坡顶部位置，z方向位移大变形的区域主要是隧道出口处上方坡体。综合分析可知，由于上部台阶过于陡峭，导致隧道出口处位移变形较大，竖直方向变形最大位移达到了79mm，已超过最大允许位移50mm，可能会造成隧道出口的垮塌。此外，隧道深部位移变形也相对较大，对深部巷道稳定性造成不利影响。

2.2应力分析

模型x、y、z方向应力云图及xy平面剪切应力云图如图3所示。由x、y、z方向应力云图可知，在隧道出口的坡脚处与深部隧道顶底板应力均较大。由xy方向剪切应力云图可知，隧道出口处的上边缘产生剪切应力集中现象，并且隧道深部剪切应力较大。综合分析可知，隧道出口的上边缘及其下边缘的坡脚处应力均较大，特别是隧道上边缘的剪切应力集中现象，剪应力最大处已达到0.625mPa，超过了岩石层的最大抗剪强度0.28mPa，可能造成隧道出口处的剪切破坏。此外，由出口向隧道深部，隧道顶底板的应力也逐渐加大，并有拉应力的出现，最大拉应力达到0.72mPa，造成隧道顶底板的不稳定。

图3　应力云图

2.3应变分析

x、y、z方向应变云图及xy方向剪切应变云图如图4所示。由x、y、z方向应变云图可知，隧道出口的坡脚处与隧道顶底板的应变均较大，由xy方向剪切应变云图可知，隧道出口处的上边缘产生剪切应变集中现象，并且隧道深部剪切应变较大。综合分析可知，隧道出口的上边缘及其下边缘的坡脚处应变均较大，特别是隧道上边缘的剪切应变集中现象，可能造成隧道出口处的剪切破坏。此外，由出口向隧道深部，隧道顶底板的应变也逐渐加大，造成隧道顶底板不稳定。

图4　应变云图

3 冒落区治理方案

该冒落区的治理应遵循以下原则：施工安全可靠，处理工程量小、成本低，施工简单易行，施工工期短，为后续的类似工程提供经验。根据此治理原则，在现场勘察的基础上，结合矿山实际情况，提出了灌注水泥砂浆的方案。

（1）首先封闭隧道内冒落区。在隧道内冒落区喷射混凝土，将冒落区封闭。

（2）第二步灌注砂浆。喷射混凝土养护2 d后，在外部的边坡上对冒落区注浆。对松散体采用固结灌浆法进行充填加固。注浆利用自然高差，依靠重力势能提供压力。注浆设备管路布置如图5所示。固结灌浆的目的是充填松散体的空隙，使其胶结，增强岩体的整体性。

（3）实施超前支护。注浆完毕养护一周时间，为隧道二次掘进的打眼成孔创造了良好的环境。在隧道中打超前锚杆眼，然后安装超前锚杆。

图5　注浆系统布置

（4）二次掘进。在超前锚杆的支护下，进行二次爆破掘进施工。施工采用多打眼、少装药、短掘进的施工方法，并且边开挖边支护。

4 结论

（1）针对隧道岩石冒落问题，通过ANSYS数值模拟软件，对隧道位移、应力及应变进行研究，分析确定了隧道出口处岩体的稳定性最差，竖直方向最大位移达到了79mm，超过最大允许位移50mm，其次为隧道深部顶底板，岩层最大处剪应力已达到0.625mPa，超过了其最大抗剪强度0.28mPa，且最大拉应力达到0.72mPa，岩层不稳定，由此为制定不稳定隧道的治理方案提供一定的理论指导。

（2）根据数值模拟结果，确定隧道冒落区的加固治理方案为灌注水泥砂浆，该方案工艺简单，成本较低，施工安全性好，整体工程量小。矿山实践表明，该方案将隧道上方岩体的沉降位移控制在了50mm范围内，并减小了隧道岩石层的剪应力，将最大剪应力控制在0.28mPa的范围内，增强了隧道的稳定性。

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收稿日期：（2016-03-30）