鸡冠咀矿区岩体力学参数的确定及数值模拟反演分析_刘先珊.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2254-10鸡冠咀矿区岩体力学参数的确定及数值模拟反演分析*刘先珊1，2，乔士豪1，2，李俊平3，潘玉华1，2，侯泽林1，2，李满1，2(1 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045;2 重庆大学土木工程学院，重庆 400045;3 西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055)摘要:岩体力学参数作为矿井工程设计和施工的基础和依据，其选取的合理性对于预测矿山稳定性及后续支护都有重要意义。以鸡冠咀矿山巷道为主要研究对象，在室内外试验既得数据的基础上，根据正交试验与拉格朗日差分法(FLAC3D)，计算模拟出不同组合下的巷道变形，并开展水平极差分析确定各参数对巷道沉降影响的显著性，最后进行参数反演得出其力学响应规律。结果表明:内摩擦角、弹性模量和黏聚力对巷道围岩变形的影响依次减弱;采空区底板的上浮位移、浅部岩体的下沉位移均随开采深度增加逐步增大。关键词:安全工程;矿山;岩体力学参数;数值模拟;正交反演法;折减系数中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0244*收稿日期:2022 02 18作者简介:刘先珊，教授，从事岩土工程渗流、多场耦合理论及数值方法等研究，。基金项目:国家自然科学基金项目(52279094)0引言矿山赋存环境复杂，开采过程中巷道易出现底板悬空，边墙、顶板开裂及局部顶板离层、垮塌等问题，及时确定开采过程中的岩体参数并开展巷道稳定性研究，是确保矿山开采安全的关键。而力学参数的合理确定是岩体力学工程界的一大难题1。可以说，岩体力学参数选取的合理性直接决定着数值模拟、工程设计的准确性和可靠性2。当前，岩体力学参数确定主要有工程类比法3、原位试验法4、工程岩体分级法5、室内试验法6、正交反演试验法7 等。其中，工程类比法基于相似工程对参数进行取值，精度差且受限于工程经验，可靠性不足;原位试验最直接、最可靠，但周期长、成本高8;工程岩体分级法仍依托于经验取值，且要与原位试验进行对比参照;室内试验的试样尺寸较小，测试参数不能完全代表工程岩体力学参数9。正交试验法作为统计数学的分支，是以概率论数理统计、专业基础知识和实践经验为基础，充分利用标准化的正交表来安排试验方案，并结合数值模拟技术反演获得相应的力学参数10 的一种方法。多年来，国内外学者针对矿山开采过程中的岩体力学参数确定一直开展相应的研究。2002 年，Bakulin 等11 利用正交反演法对各向异性背景下发育的多个裂缝组的参数进行估计确定，根据裂缝和参数之间的差异及关联性，建立了裂缝形态与裂缝强度的关系。2012 年，胡建华等12 运用多项式建立了岩体力学参数与卸荷量变化值的函数拟合模型，获得了采动卸荷岩体力学参数的劣化规律。李宁等13 结合正交试验方法和 FLAC3D数值模拟技术，借助极差分析确定并优化了某铁矿床结构参数。杜永亮等14 选取红岭铅锌矿采场长度、间柱宽度和顶柱厚度3 个因素进行正交试验，结合 Midas及 FLAC3D软件优化采场解结构参数。杨春城15 结合数值模拟方法对某矿分段充填法的采场结构参数进行优化，并将其运用到实际矿山开采中。Yang等16 采用 6 因素 4 水平正交分析方法，分析了不同深度、不同掘进工作面尺寸、不同岩性对水平应力分布的敏感性，为后续钻爆施工方案设计提供了参数参考。朱家锐等17 根据深部围岩巷道支护参数的影响因素，通过正交试验模拟了各因素对于锚网支护效果的影响，得到各因素对巷道围岩变形的影响。胡建华等18 设计了 3 因素 4 水平的支护参数正交试验方案，获得不同参数下的支护效果和变形规律，并以极差分析优选确定了巷道的支护方式与参数。李俊平等19 应用 FLAC3D正交数值模拟采场结构参数对于采场本身稳定性的影响，建立了多指标综合评价模型并优化了巷道布置方案。王永高等20 利用正交试验设计方法，研究不同矿房、矿柱尺寸，以及充填体不同沉降率时，围岩塑性区的显现规律。刘冬等21 通过现场观测、节理扫描和声波测试确定矿体特征，结合数值模拟技术与 Hoek-Brown 强度准则、反分析法确定了采场结构参数。上述研究表明，基于正交试验初步获得相应围岩的参数数据，并在此基础上结合反演分析和工程实际数据确定最终的力学参数，可为开采的稳定性预测提供重要的科学依据。Zhuang 等22 基于 FLAC3D构建三维数值模型，开展正交反演分析，构建了 MAFSA SV 样本4522第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023库，提出基于多策略人工鱼群算法优化的支持向量回归(Support Vector egression，SV)位移反分析参数识别模型，为围岩力学参数的确定提供了一种新的技术手段。考虑到实际矿山开采过程中的强扰动，地压大、开裂显著、巷道变形大，巷道岩体的力学参数变异性大23等问题，在预测矿山采场的稳定性和描述矿山开采过程中的力学响应上，有必要依托正交试验，结合室内测试及现场监测进行参数优化。图 1鸡冠咀地区地质简图Fig 1Geological sketch of Jiguanzui area本文以湖北某矿山鸡冠咀矿区为例，结合室内外岩石力学试验数据，引入正交试验方法对 5 种既定影响因素进行方案设计;构建鸡冠咀矿山开采的三维数值模型，模拟不同参数组合下的巷道响应规律，确定不同因素的敏感性后开展水平极差分析;最后根据结果进行参数反演，得到最优化参数下矿山开采过程中巷道力学响应结果。1工程地质概况鸡冠咀矿区属剥蚀堆积残丘地形，海拔标高22 135 m，中部地势高，东、西、北三面地势低。中部牯羊山、猫儿岭、鸡冠山等剥蚀残丘形成近北东向展布的条带状垅岗地形，其他地区均为冲、湖积堆积湖盆区。鸡冠咀铜金矿区除西南部有零星露头外，地表 80%以上的地区为第四系松散沉积物覆盖。据钻探和坑探工程揭露，第四系覆盖层下分布有三叠系下统大冶组(T1 2J3)、三叠系中下统嘉陵江组(T1 2J4)、三叠系中统蒲圻组(T2p)、侏罗系上统马架山组(J3m)和白垩系下统灵乡组(K1l)的地层。地质简图见图 1。鸡冠咀铜金矿位于西边，主要与大理岩残留体有关，矿石为大理岩含矿，近矿围岩为大理岩，其他为玢岩。工作区处于大冶复式向斜南翼的次级褶皱(石头咀 铜绿山 大青山)隐伏向斜的西段。区内发育有北西西向、北北东向的褶皱构造和北北东向、北西西向、北东东向 3 组断裂构造。印支期形成的北西西向构造奠定了区内地质构造格架的基础，燕山运动以来的北北东向构造叠置于早期的构造之上，彼此复合叠加，构成了区内有规律又复杂的构造格局。根据现场开采情况可知部分段开采后，巷道出现了底板悬空，边墙、顶板开裂(缝宽约 10 cm)，局部顶板离层、垮塌，局部边墙倾倒的现象。根据现场巷道变形图(图 2)，斜井东边墙、顶板及西边墙顶角55222023 年 7 月刘先珊，等:鸡冠咀矿区岩体力学参数的确定及数值模拟反演分析Jul，2023附近开裂、离层(见图 2(a);巷道顶板开裂、离层或坍塌，巷边在支承压力作用下脱层(见图 2(b)。可见，及时进行反演分析和参数确定并进行岩体变形研究，保证开采后的矿山稳定性是关键，其中实验室预先测量参数的结果见表 1。图 2矿山开采中的围岩破坏图Fig 2Failure diagram of surrounding rock in mining2数值建模由地质简图可知，矿体赋存情况纵横交错，较为表 1巷道岩岩体力学参数Table 1Mechanical parameters of roadway rock mass材料名称密度/(gcm3)单轴抗压强度t/MPa弹性模量E/GPa泊松比含矿矽卡岩3.19129.3849.0540.23玢岩2.58118.9143.1310.21矽卡岩3.07135.1755.6410.19复杂，在尽可能保证矿体边界准确的情况下，建立如图 3 所示的模型。目标开挖主体为含矿矽卡岩(中间深色区域)，其余岩体为矽卡岩(浅色区域)与玢岩(白色区域)。其中施工巷道绝大多数处于玢岩内，极少数巷道存在于矽卡岩中。模型高度为 847m，为忽略模型边界的影响，选取厚度为 63 m，宽度为 350 m，模型除顶部设置为自由边界外，其余面均设置为位移边界。施工巷道拱高为 1.25 m，直墙高1.25 m、宽 2.5 m，共计 20 处。图 3矿山开采模型图Fig 3Mining model diagram常见的本构模型有莫尔 库伦模型、修正剑桥模型、Cysoil 模型等。莫尔 库伦模型作为运用最广泛的一种本构模型，大量用于描述土体和岩石剪切破坏情况。模型的屈服准则是考虑了正应力或平均应力作用下最大剪应力或单一应力的屈服理论24，材料发生屈服破坏取决于剪切面上的剪应力与正应力之比。基于上述描述，采用莫尔 库伦本构模型，对应表达式如下。fs=1 3N+2cN槡=0(1)式中fs为剪切损伤状态函数;为内摩擦角，();1、3为最大主应力和最小主应力，MPa;N=(1+sin)/(1 sin);c 为黏聚力，MPa。3正交方案设计结合工程经验并根据数值模型的计算要求，选取弹性模量 E、内摩擦角 和黏聚力 C 三类参数类型进行折减，由前述可知，岩石分为矿体、玢岩和矽卡岩 3 种，其中 3 种岩石的弹性模量 E 及内摩擦角 分别共用折减标准，黏聚力 C 的折减系数根据岩体不同再次划分为 C(矽卡岩)、C(玢岩)、C(矿体)。因此本次正交试验共选取 E、C(矽卡岩)、C(玢岩)和 C(矿体)5 个因素作为变量。参考有关研究和参数折减取值的经验25 30，其中密度、泊松比 的折减系数取 1，不同岩体的弹性模量 E、内6522Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期摩擦角 及黏聚力 C 分别取5 个水平。结合现场变形初步分析判断，巷道垂直方向的位移为主要位移变化量，因此本文选取不同开挖回填步骤下巷道的最大沉降量作为参数确定的反映标准，具体正交试验方案见表 2。本次试验采取 5 因素 5 水平的正交表 3正交试验表Table 3Orthogonal test table试验编号弹性模量 E矽卡岩黏聚力矿体黏聚力玢岩黏聚力内摩擦角 巷道最大沉降量/mm11111111.821222212.531333321.041444438.0515555102.062123426.572234567.882345133.092451220.0102512315.2113135230.1123241323.0133352431.8143413546.8153524132.3164142545.6174253145.2184314237.0194425339.5204531432.4215154363.3225215480.3235321555.5245432143.0255543257.7试验方案 L25(55)，组合结果见表 3。4正交反演分析4.1试验结果结合表 2 的折减系数形成相应的岩体力学参表 2因素与水平数表Table 2Table of factors and levels水平数EC矽卡岩矿体玢岩10.61/31/21/20.720.51/51/31/30.630.41/81/51/50.540.31/111/81/80.450.21/151/101/100.375222023 年 7 月刘先珊，等:鸡冠咀矿区岩体力学参数的确定及数值模拟反演分析Jul，2023数，建立 25 个数值计算模型，计算每个工况下全巷道的最大位移量，见表 3。4.2极差分析试验采取的是 L25(55)正交表，实际共有 55个方案，根据工程经验，项目实施中做了 25 次，即最佳方案可能出现在这 25 次中。一般情况下，各因素最好的组合即为最佳方案，但实际实施中不一定要选取理论最值，还应考虑到因素