趙小平 白本祥 高創(chuàng)州 呂 軍 鄧 柯

(金川集團股份有限公司，甘肅金昌737104)

金川集團股份有限公司是我國的鎳生產(chǎn)基地，其下轄的龍首礦東部采場已回采至1 100 m中段，距地表垂直高度已超過600 m，隨著開采深度的增加，受采掘擾動影響，地壓活動明顯，應力狀態(tài)復雜，巷道變形嚴重，返修工程量增加，導致生產(chǎn)成本增加。鑒于上述問題，應該深入研究并優(yōu)化金川礦區(qū)深部巷道的噴錨網(wǎng)支護參數(shù)，以此來提高深部巷道的噴錨網(wǎng)支護強度，避免巷道發(fā)生大變形，減少巷道返修次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。

1 工程概況

龍首礦礦體賦存于超基性巖體中，圍巖主要為混合巖，其次是大理巖和片巖、片麻巖等。礦區(qū)巖石破碎，穩(wěn)定性差，采用脈外開拓方式，無軌巷道設計凈斷面規(guī)格為4.6 m×4.3 m，1 100 m中段雙軌運輸巷道設計凈斷面達到4.8 m×4.1 m，距離地表垂直深度600～1 000 m。目前，局部巷道變形嚴重，返修頻繁，不但返修費用增加而且影響礦山的正常生產(chǎn)。

目前，深部脈外巷道一般采用雙層噴錨網(wǎng)支護，錨桿采用18 mm的螺紋鋼錨桿，長度2.25 m，網(wǎng)度1 m×1 m，梅花形布置，緊固端采用滾壓直螺紋，并配套相應的螺帽;墊板采用厚10 mm普通鋼板制作的蝶形墊板，墊板尺寸為200 mm×200 mm;金屬網(wǎng)采用6.5 mm鋼筋在地表根據(jù)施工需要焊接而成，施工中網(wǎng)片之間牢靠連接。混凝土強度等級為C20，雙層噴錨網(wǎng)支護厚度200 mm。巷道設計施工圖如圖1所示。但因深部巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地壓活動明顯，以前慣用的噴錨網(wǎng)支護參數(shù)已經(jīng)不足以維持巷道的正常使用壽命，因此有必要在數(shù)值模擬的基礎上，探求更加合理的噴錨網(wǎng)支護參數(shù)。

圖1 運輸巷道設計施工示意Fig.1 Design and construction schematic diagram of haulage roadway

2 模型的建立

2.1 計算所采用的力學模型

在巖體的破壞分析模型中，三維有限元軟件提供了多種力學模型。經(jīng)過大量的研究表明，對于巷道的變形破壞分析，莫爾庫倫塑性模型［1］更接近于客觀實際，該理論認為巖石的破壞是由剪應力引起，而且?guī)r體所受的正應力與剪應力之間存在下列的函數(shù)關系:

式中，τ為巖體所受到的剪應力;σ為巖體所受到的法向應力，即正應力。

莫爾庫倫準則是一系列極限莫爾圓的包絡線。該本構模型表明，在莫爾應力圓到包絡線上及包絡線以外則巖體發(fā)生破壞，在包絡線以內巖體不發(fā)生破壞。

2.2 力學參數(shù)

通過參閱有關金川銅鎳礦工程地質與巖石力學性質的研究資料［2-4］，模擬研究中所采用的力學參數(shù)見表1。

表1 模擬計算所采用的參數(shù)Table 1 Parameters used in simulation

2.3 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)巷道的開挖斷面規(guī)格，并結合實際的巖石力學參數(shù)與選定的破壞理論準則，建立三維有限元模型［5］。巷道斷面為直墻半圓拱［6］，凈斷面規(guī)格4.8 m×4.1 m，雙層噴錨網(wǎng)支護。模型大小為10 m×65 m×60 m，即沿巷道中心線水平方向取10 m(y方向)，垂直巷道水平方向取65 m(x方向)，巷道垂直方向取60 m(z方向)，共生成節(jié)點18 546個，計算單元15 920個。模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計算機模擬巷道網(wǎng)格劃分Fig.2 Model diagram of roadway simulation

根據(jù)實測結果［4，7-9］，金川礦區(qū)地應力以水平應力為主，目前龍首礦開采深度已達600 m以上，因此，水平應力為18.86 MPa，垂直應力為14.17 MPa。根據(jù)龍首礦巖石應力分布特征設置模型邊界條件。對模型四周邊界節(jié)點的x、y、z方向分別設置約束，相當于固定支座約束，在圍巖與混凝土間建立接觸面，并進行固定約束，并對錨桿端部施加預應力。

3 計算結果分析

3.1 計算方案

根據(jù)巷道支護方案，以最大限度節(jié)省材料為原則，分別按照1.8 m、2.25 m、3 m 3種錨桿長度和0.75 m ×1.0 m、1.0 m ×1.0 m、1.5 m ×1.0 m 、1.5 m×2.0 m 4種安裝網(wǎng)度以及200 mm的混凝土噴射厚度，選擇12種組合方案進行模擬計算。

3.2 計算結果分析

結合現(xiàn)場施工順序，12種組合模型的數(shù)值計算結果見表2。

從模擬計算結果來看，12種支護方案中，方案4的最大壓應力為32.45 MPa，最大拉應力為9.12 MPa，此方案巷道壁承受的應力最大;方案9中最大壓應力為18 MPa，最大拉應力為7.47 MPa，此方案為12種方案中巷道壁承載的應力最小。而且從計算結果可以看出，當錨桿安設網(wǎng)度相同的情況下，錨桿長度越長巷道壁承受的應力值越小;當錨桿長度相同的情況下，安設網(wǎng)度越小，巷道壁承載的應力越小。但從數(shù)值模擬云圖分布結果可以看出，方案11可使巷道壁應力與位移分布均勻，而且在技術上可行、經(jīng)濟上比較合理，因此，該方案為模擬計算最優(yōu)方案，即錨桿長度采用3 m、安設網(wǎng)度采用1.5 m×1.0 m、噴射混凝土厚度為200 mm是金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護合理方案。方案11的數(shù)值模擬計算云圖分布如圖3所示。

表2 各種支護方案數(shù)值模擬參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of numerical simulation parameters of all supports

4 工程應用

圖3 方案11的數(shù)值分析云圖Fig.3 Numerical analysis contours of scheme 11

龍首礦現(xiàn)有井下主要巷道總長達78 km(不包括在建工程)，其中1 100 m中段運輸巷道承擔著東中采區(qū)礦石以及基建施工中的廢石運輸任務，因此人員、車輛流動量大，運輸任務繁重。在1 100 m中段有200 m的雙軌運輸巷道，設計凈斷面規(guī)格為4.8 m×4.1 m(寬×高)，因該段巷道設計服務年限長，加之地壓大、巖石節(jié)理裂隙發(fā)育、流變特性強等特點，致使巷道收斂變形嚴重，車輛安全間距不夠，直接影響著1 100 m中段礦石及毛石的運輸作業(yè)，同時也存在安全隱患。因此，為了保證1 100 m中段運輸系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行，曾多次對該段巷道進行返修，但由于特殊的地質條件和復雜的巖體力學特性，致使以前慣用的噴錨網(wǎng)參數(shù)已經(jīng)很難奏效，最終陷入“壞了再修、修了再壞”的死循環(huán)。

綜上所述，該段巷道所處的地質條件和巖石特性基本代表了金川礦區(qū)深部巷道支護的客觀不利條件，因此將本次模擬研究的結果應用在該段巷道的支護中，不但可以有效的提高1 100 m中段運輸巷道的抗地壓能力，延緩巷道收斂變形、減少返修次數(shù)，同時也驗證了本次模擬研究結果在金川礦區(qū)深部巷道支護中的可行性。對1 100 m中段雙軌運輸巷道噴錨網(wǎng)支護參數(shù)改進前后的效果進行分析，見表3。

表3 1 100 m中段雙軌運輸巷道噴錨網(wǎng)支護參數(shù)改進前后支護效果對照Table 3 Comparison before and after spray-anchor-net support parameters improved in double-rail transportation roadway of 1 100 m level

經(jīng)過對1 100 m中段雙軌運輸巷道噴錨網(wǎng)支護參數(shù)改進前后的效果對比，可以看出，采用模擬研究得出的噴錨網(wǎng)支護參數(shù)后，巷道抗地壓能力明顯增強，收斂變形減緩，同時巷道壁受力較均勻，巷道斷面形狀規(guī)格保持較好，應力集中減弱，從而較好的維持了支護混凝土體的完整性。

以上結果表明，采用模擬研究得出的噴錨網(wǎng)支護參數(shù)對金川礦區(qū)深部巷道的支護具有較好的改善效果，見圖4所示。

圖4 巷道改進前后支護效果對比Fig.4 Comparison of supporting effects before and after roadway improved

5 結論

(1)通過數(shù)值模擬研究，驗證了目前金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護參數(shù)的可行性，為后續(xù)研究指明了方向。

(2)從數(shù)值模擬研究結果可以看出，金川礦區(qū)深部巷道底板變形現(xiàn)象明顯，因此今后在深部巷道的支護研究中還應該重點探究經(jīng)濟、合理的巷道底板的封底加固措施。

(3)通過12種方案的分析比較，采用方案11可以使巷道壁應力與位移相對較小，同時又分布均勻，因此可以有效的提高巷道的穩(wěn)定性。故金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護的經(jīng)濟合理參數(shù)為:錨桿長度3 m、安設網(wǎng)度1.5 m×1.0 m、噴射混凝土厚度為200 mm。

(4)通過實踐驗證，模擬研究得出的噴錨網(wǎng)支護參數(shù)對提高金川礦區(qū)深部巷道的穩(wěn)定性具有比較明顯的效果，可在深部巷道的支護中采納并不斷改進。

［1］ 廖椿庭，施兆賢.金川礦區(qū)原巖應力測試及研究［J］.巖石力學與工程地質學報，1983(1):103-112.Liao Chunting，Shi Zhaoxian.Measurement of tecnotic stress and its application for mining design in Jinchuan Mine.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engieering，1983(1):103-112.

［2］ 何滿潮.深部開采工程巖石力學的現(xiàn)狀及其展望［C］∥中國巖石力學與工程學會:第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集.北京:科學出版社，2004:88-94.He Manchao.Status and prospect of deep rock mechanics in mining engineering［C］∥ Chinese Society of Rock Mechanics and Engineering:The Eighth National Rock Mechanics and Engineering Science Conference.Beijing:Science Press，2004:88-94.

［3］ 周新貞.軟巖巷道支護實踐［J］.煤礦支護，2006(3):38-39.Zhou Xinzhen.Practical support of soft rock roadway［J］.Mine Support，2006(3):38-39.

［4］ 岳國均，郭 瑞.軟巖巷道支護技術的應用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010(8):110-112.Yue Guojun，Guo Rui.Soft rock roadway supporting technology［J］.Modern Mining，2010(8):110-112.

［5］ 張紅衛(wèi)，李更新，戶春峰，等.高應力軟巖巷道支護研究［J］.科技信息，2010(15X):333.Zhang Hongwei，Li Gengxin，Hu Chunfeng，et al.Support research of high stress soft rock roadway［J］.Science ＆ Technology Information，2010(15X):333.

［6］ 張朝陽.軟巖巷道支護的探索實踐［J］.煤炭技術，2009(2):52-53.Zhang Chaoyang.Exploration and practice of soft rock roadway support［J］.Coal Technology，2009(2):52-53.

［7］ 吳正海，張燦彪，李新杰，等.高應力構造帶巷道卸壓錨注支護數(shù)值模擬及應用研究［J］.中國礦山工程，2012(4):24-28.Wu Zhenghai，Zhang Canbiao，Li Xinjie，et al.The simulation and application of pressure relief bolt-grouting support of tunnel in high stress tectonic belt［J］.Chinese Mine Engineering，2012(4):24-28.

［8］ 陳 榮，彭偉東，等.砂固結預應力錨桿的試驗及其數(shù)值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2000，19(3):330-333.Chen Rong，Peng Weidong，et al.Testing study and numerical simulation on sand-consolidated-anchor-prestressed bolt［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19(3):330 ～333.

［9］ 孫曉明，何滿潮.深部開采軟巖巷道耦合支護數(shù)值模擬研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，2005，34(2):166-169.Sun Xiaoming，He Manchao.Numerical simulation research on coupling support theory of roadway within soft rock at depth［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2005，34(2):166-169.