耿偉樂， 黃俊歆， 郭勝利

(湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421002)

深部高應(yīng)力巷道支護參數(shù)的多因子優(yōu)化

耿偉樂， 黃俊歆， 郭勝利

(湖南工學(xué)院 安全與環(huán)境工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421002)

為選取合理的深部巷道支護方式，采用正交實驗方法分析混凝土噴層厚度、錨桿長度、錨桿間排距及錨桿管徑對巷道頂板、底板及兩幫位移和巷道圍巖塑性區(qū)體積變化的影響。針對四個因素分別設(shè)立五個水平，依據(jù)正交設(shè)計原理，確立25組實驗方案，進行數(shù)值模擬實驗。結(jié)果表明：混凝土噴層厚度和錨桿間排距是影響巷道圍巖變形和破壞的主要因素，錨桿長度和錨桿直徑次之；噴射混凝土可有效封閉圍巖并與圍巖共同作用，減小巷道圍巖變形；隨著錨桿間排距的增大，塑性區(qū)體積逐漸趨于一穩(wěn)定值，呈現(xiàn)明顯的收斂性。結(jié)合相關(guān)規(guī)范及工程實際，得出最優(yōu)的支護參數(shù)組合為混凝土噴層100 mm、錨桿長度1.9 m、錨桿間排距0.8 m×0.8 m、管縫式錨桿直徑40 mm。該研究結(jié)果可以為開挖巷道支護提供參考。

巷道支護； 多因子優(yōu)化； 正交實驗； 極差分析

0 引 言

目前，我國多數(shù)礦山已處在深部接替階段，礦山資源開采與找探礦同步進行，使得巷道開拓量成倍增加。隨著開采深度的增加，原巖應(yīng)力增大，與上部巖體工程地質(zhì)相比，深部巖層構(gòu)造發(fā)育突出、不規(guī)則裂隙增多，巖體呈現(xiàn)出較高的松散破碎性和較低的強度，巷道變形破壞嚴重[1-2]，導(dǎo)致礦山巷道維修支護頻繁，不僅影響了工程進度，威脅著工人人身安全，同時也加大了支護返修成本[3-5]。

深部巖體賦存的特殊地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，導(dǎo)致傳統(tǒng)的巖體力學(xué)理論及破壞準則已不適用[2，4]。而隨著國內(nèi)專家對深部巖體工程的研究，深部的概念及深部巖體評價指標愈來愈清晰明確。何滿潮[6]認為深部巖體應(yīng)屬于非線性力學(xué)系統(tǒng)的范疇，難度系數(shù)及危險指數(shù)可作為深部工程圍巖穩(wěn)定性控制難易程度的評價指標；謝和平等[7]認為相對于深度而言，深部研究應(yīng)更側(cè)重于一種力學(xué)狀態(tài)，并給出了三種臨界深度概念及定義。

我國已形成了一系列具有代表性的支護理論[8]，如軟巖工程支護理論與關(guān)鍵部位耦合組合支護理論、圍巖松動圈理論、內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)理論、圍巖動態(tài)工程的分類理論等。在此基礎(chǔ)上發(fā)展形成了一系列的支護技術(shù)，其中最常用的為U型鋼可縮性支架支護和錨網(wǎng)噴支護[9]。錨網(wǎng)噴支護作為一種能及時封閉圍巖，可提供主動支護，施工簡單、快捷、安全經(jīng)濟的支護方式在目前及未來巷道支護中仍將占據(jù)主要地位[10]。在巷道圍巖變形破壞機理及支護優(yōu)化方面，國內(nèi)學(xué)者依據(jù)工程實際，做了大量的研究工作。郭秀華等[11]運用ANSYS軟件對初期錨噴支護的深部巷道進行非線性數(shù)值計算，得出圍巖支護后的變形與應(yīng)力分布規(guī)律；付玉凱等[12]對巷道的幾何形狀及賦存狀況進行正交模擬實驗，分析其對巷道變形和破壞的影響程度；吳多華等[13-14]采用正交模擬實驗的方式，以圍巖穩(wěn)定性和支護經(jīng)濟成本為指標，得出了合理的支護優(yōu)化參數(shù)；秦忠誠等[15]應(yīng)用正交實驗分析了巷道圍巖力學(xué)參數(shù)對巷道變形與破壞的影響。目前，從巷道的使用功能、服務(wù)年限及圍巖等級方面出發(fā)，選取合理支護方式并優(yōu)化其參數(shù)的研究鮮見。

筆者應(yīng)用正交實驗方法，合理制定實驗方案并對實驗結(jié)果進行有效分析，且考慮巷道的功能定位等，對某鉛鋅礦山深部巷道錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護參數(shù)進行優(yōu)化分析，以確定最優(yōu)的支護參數(shù)。

1 工程背景

此次支護優(yōu)化巷道位于礦山深部約1 000 m處，為深部資源接替工程，肩負資源開采與找探礦使命。巷道圍巖多為大塘組，巖性呈灰色、深灰色隱晶灰?guī)r，局部見燧石條帶幾團塊；擺佐組，巖性呈灰白色、米黃色、肉紅色，粗晶白云巖，局部夾淺灰色灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。該礦山巖石力學(xué)資料顯示，圍巖單軸抗壓強度為65 MPa，彈性模量33 GPa，泊松比0.24，內(nèi)聚力14 MPa，內(nèi)摩擦角48.5°。巷道圍巖BQ分級為Ⅳ級，該巷道所處中段的最大與最小地應(yīng)力分別為43.8 MPa和14.6 MPa，傾角介于8.88°～24.43°之間。支護以錨網(wǎng)噴支護為主，C20混凝土、管縫式錨桿、三心拱型巷道，斷面2.5 m×2.8 m。

2 正交實驗方案設(shè)計

2.1 因素與水平

巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)圍巖所承受應(yīng)力高于自身承載強度時，將于巷道周邊處發(fā)生圍巖變形，并向內(nèi)擴展，形成塑性區(qū)，直觀表現(xiàn)為巷道兩幫及頂?shù)装宓奈灰谱冃蝃16-17]。因此，此次正交實驗選取頂板下沉位移量(s1)、底板位移量(s2)、兩幫水平位移量(s3)、塑性區(qū)體積(V)作為正交實驗指標。依據(jù)錨網(wǎng)噴支護實際工程經(jīng)驗，選取噴層厚度(A)、錨桿長度(B)、錨桿直徑(C)及錨桿間排距(D)作為實驗的關(guān)鍵因素，采用四因素五水平的正交實驗，各因素取值見表1。

表1 正交實驗因素水平

2.2 正交實驗方案

分析因素及水平，結(jié)合工程實際情況，從常規(guī)的正交實驗表中，選用L25(54)正交表，如表2所示，填入各因素及水平，建立25個FLAC3D計算模型進行數(shù)值模擬計算，并將實驗結(jié)果列于表2中。

表2 支護參數(shù)組合正交實驗方案與實驗結(jié)果

Table 2 Orthogonal test design table of support parameter combination

ABCD指標s1/mms2/mms3/mmV/m3601.60.6366.41215.07720.27234.462601.70.7386.93515.17021.91632.763601.80.8407.03715.20722.16634.423601.90.9427.13415.34823.66634.584602.01.0447.75615.34124.90035.242801.60.7406.47615.05921.05237.624801.70.8426.50315.08121.46435.755801.80.9446.57815.21622.32037.730801.91.0367.26515.23624.36235.895802.00.6385.89414.95919.21734.8801001.60.8446.12214.95820.37635.8251001.70.9366.28215.11821.63238.6561001.81.0386.80315.11522.95636.3741001.90.6405.53714.84818.07426.8901002.00.7426.00414.93919.81132.2341201.60.9385.80814.98120.37631.7001201.71.0406.30914.98421.76234.2271201.80.6425.08614.77617.03824.6941201.90.7445.56414.85718.83627.2351202.00.8365.73314.89119.78432.9661401.61.0425.98414.89520.50027.4121401.70.6444.84414.67516.06529.0531401.80.7365.36314.79018.25529.4751401.90.8385.47614.81018.48928.5431402.00.9405.50214.89618.83926.913

3 結(jié)果與分析

3.1 極差分析

結(jié)合數(shù)值模擬實驗數(shù)據(jù)，通過極差分析識別各因素對巷道圍巖變形的敏感程度[18-20]，對表2實驗結(jié)果進行分析，得出各考查指標在不同水平下的極差大小，結(jié)果見表3～6。

表3 頂板下沉位移極差分析結(jié)果

表4 底板位移極差分析結(jié)果

表5 兩幫位移極差分析結(jié)果

表6 塑性區(qū)體積極差分析結(jié)果

綜合正交實驗結(jié)果，各因素對巷道頂板位移變形影響的極差大小依次為混凝土噴層厚度、錨桿間排距、錨桿直徑、錨桿長度；對底板位移變形影響的極差大小依次為混凝土噴層厚度、錨桿間排距、錨桿長度、錨桿直徑；對巷道兩幫位移影響的極差大小依次為錨桿間排距、混凝土噴層厚度、錨桿直徑、錨桿長度；對巷道圍巖破壞影響的極差大小依次為混凝土噴層厚度、錨桿間排距、錨桿長度、錨桿直徑。

混凝土噴層厚度為影響巷道圍巖變形和圍巖破壞的主要因素。這是由于巷道開挖，致使原巖應(yīng)力重新分布，及時噴射混凝土可有效封閉圍巖，在巷道表面形成一柔性拱梁圈，與圍巖形成一個整體，防止圍巖風(fēng)化，并對巷道表面提供徑向支護反力，約束圍巖徑向變形，有效抑制巷道圍巖的變形。

錨桿間排距是影響巷道兩幫位移變形的主要因素。在巷道兩幫，噴射混凝土形成的拱梁作用減弱，在重力及圍巖應(yīng)力的作用下噴層與離層巖塊有向臨空面移動的趨勢，由此導(dǎo)致巷道圍巖兩幫位移變形量增大。合理布置錨桿間排距，可使間排距內(nèi)的錨桿、巖層、噴層以一個整體鍥入巖層深處，防止兩幫巖層沿徑向移動。

3.2 直觀分析

為直觀分析各指標隨各因素變化的趨勢，繪制以各水平為橫坐標、各指標平均值為縱坐標的趨勢圖，如圖1所示。

由直觀圖分析可知，隨著混凝土噴層厚度的增加，巷道頂板、兩幫位移與塑性區(qū)體積呈明顯降低的趨勢。隨著錨桿間排距的增大，巷道頂板和兩幫的位移變化速率均呈現(xiàn)先緩慢減小，趨于某一穩(wěn)定值后再增大的趨勢。該結(jié)果表明，當(dāng)錨桿間排距大于某一值后，其對于巷道圍巖變形的影響逐漸減弱，在本次實驗中，當(dāng)錨桿間排距大于0.8 m時，其對巷道頂板及兩幫的支撐作用明顯減弱。塑性區(qū)體積隨著錨桿間排距的增大逐漸趨于一穩(wěn)定值，表明在錨桿與圍巖共同作用下，巷道圍巖塑性區(qū)變化漸趨穩(wěn)定。整體來看，錨桿長度和直徑對巷道圍巖變形和圍巖破壞的影響較小，依據(jù)實際工程經(jīng)驗，錨桿支護和混凝土噴射作業(yè)主要發(fā)生在巷道兩幫及頂部，故所選取因素對底板位移變化影響不大。

3.3 支護參數(shù)優(yōu)化

四項實驗指標中，最主要因素出現(xiàn)次數(shù)為：3次A，1次C；最次要因素出現(xiàn)次數(shù)為：2次B，2次D。對于噴層厚度因素A最優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)為： 5次A5；最次水平出現(xiàn)次數(shù)為：3次A1，1次A2。綜合分析確定其最優(yōu)水平為A5。錨桿長度因素B最優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)為：2次B1，1次B4，1次B5；最次水平出現(xiàn)次數(shù)為：1次B2，3次B4。綜合分析確定其最優(yōu)水平為B1。錨桿間排距因素C最優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)為：5次C1；最次水平出現(xiàn)次數(shù)為：1次C4，3次C5。綜合分析確定其最優(yōu)水平為C1。錨桿直徑因素D最優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)為：2次D3，2次D4；最次水平出現(xiàn)次數(shù)為：5次D1。綜合分析確定其最優(yōu)水平為D3。

對于實驗指標s1，通過分析比較各因素水平后，選取A5B1C1D4為最優(yōu)組合；對于實驗指標s2，選取A5B1C1D3為最優(yōu)組合；對于實驗指標s3，選取A5B5C1D3為最優(yōu)組合；對于實驗指標V，選取A5B4C1D4為最優(yōu)組合。綜合考慮分析各因素水平和實驗指標可得出該巷道的支護參數(shù)最優(yōu)組合為A5B1C1D3。由直觀分析圖1可知，影響因素A混凝土噴層厚度的變化對巷道圍巖變形量的影響較小。參照相關(guān)規(guī)范和實踐經(jīng)驗，一次噴層過厚混凝土脫落較嚴重，選取噴層厚度為A3100 mm；考慮錨桿長度對巷道兩幫位移量影響較大，選取錨桿長度B41.9 m；錨桿間排距對各指標的影響直觀分析圖中顯示在間排距為0.8 m×0.8 m處，其位移變化速率最小，隨著間排距的增大，錨桿對于頂板和兩幫圍巖的約束降低，使得其表面位移逐漸增大，故選取錨桿間排距為C30.8 m×0.8 m；結(jié)合礦山目前支護實際，選取管徑為D340 mm的管縫式錨桿。

a 頂板下沉位移

b 底板位移

c 兩幫位移

d 圍巖塑性區(qū)體積

Fig. 1 Tendency of indicators under various factors at different level

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)實驗方案進行FLAC3D數(shù)值計算和正交實驗極差分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和工程施工實際，綜合考慮支護巷道的功能、服務(wù)年限、安全性和經(jīng)濟性，確定該巷道支護參數(shù)為A3B4C3D3，即混凝土噴層100 mm、錨桿長度1.9 m、錨桿間排距0.8 m×0.8 m、管縫式錨桿直徑40 mm。

(2)所選取的四個因素中，混凝土噴層厚度和錨桿間排距的變化對巷道圍巖變形影響最大，說明一定厚度的噴射混凝土可有效封閉圍巖并與圍巖共同作用，減小巷道圍巖變形；隨著錨桿間排距的增大，錨桿作用區(qū)域內(nèi)所提供的支護抗力減小，致使巷道頂板及兩幫位移明顯增大；而在圍巖應(yīng)力重分布影響及原巖應(yīng)力作用下，巷道圍巖塑性區(qū)向圍巖深處發(fā)展，其體積隨錨桿間排距的增大而增大，并最終趨于一穩(wěn)定值。

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(編校 荀海鑫)

Multi-factor optimization of high stress roadway support in deep mines

GengWeile,HuangJunxin,GuoShengli

(School of Safety & Environmental Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China)

This paper is devoted to optimizing the parameters of deep mine roadway support by analyzing the influence of concrete thickness, anchor length, anchor interval and anchor diameter on the change in the displacement of roadway roof, floor, and the two sides using orthogonal experiment. The study involves setting five levels for each factor, developing twenty-five text schemes based on the principle of orthogonal experimental design, simulating the test, analyzing the deformation and failure of roadway rock and thereby identifying the most reasonable support parameters. The results show that the main factors affecting roadway deformation and failure are concrete thickness and anchor interval, followed by anchor length and diameter; the shotcrete could contribute to the reduced deformation of roadway surrounding rock by effectively blocking the surrounding rocks and acting in combination with the surrounding rocks; and an increased anchor interval tends to give the plastic zone volume a stable value, suggesting an obvious convergence. The work combined with the relevant specifications and engineering practice gives the optimal support parameters combination: concrete thickness of 100 mm, anchor length of 1.9 m, anchor interval of 0.8 m×0.8 m , and the anchor diameter of 40 mm. The research could provide a reference for excavation roadway support.

roadway support; multi-factor optimization; orthogonal experimental; extreme difference analysis

2017-04-07

湖南省教育廳科學(xué)研究資助項目(15C0358；16C0438)

耿偉樂(1987-)，男，河南省許昌人，助教，碩士，研究方向：巖土與建筑安全，E-mail：gwle0418@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.008

TD353

2095-7262(2017)05-0481-05

A