覃 凱,尚振華,朱青凌

(1.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083; 2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司,湖南 長沙 410005; 3.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，地下礦山的開采深度有逐年增加的趨勢[1-3]，造成礦山巷道支護面臨越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。目前，節(jié)理發(fā)育的礦山，多數(shù)巷道支護均采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護方式[4-7]，一方面可以有效控制地壓，另一方面，可以預防巷道局部碎塊冒落傷人。但由于錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護方式較單一支護方式的成本要高的多，只有結合礦山實際的工程地質(zhì)情況，充分認識節(jié)理發(fā)育、節(jié)理面性狀的情況下，優(yōu)化支護參數(shù)，才能在一定程度上降低礦山的支護成本[8-10]。

本文結合國內(nèi)某銅礦實際的工程地質(zhì)情況，在大量節(jié)理面數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析的基礎上，確定不同巖體的優(yōu)勢結構面，并利用節(jié)理巖體支護分析軟件UNWEDGE對鑿巖硐室的支護參數(shù)進行優(yōu)化，以為該礦山節(jié)省支護費用。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

某銅礦礦床主要分布于北西向構造裂隙帶中，以隱伏似層狀、透鏡狀疊加極厚形態(tài)產(chǎn)出并賦存于金礦下部NE側(cè)的傾斜方向上，剖面上從SW向NE自下而上呈右形“疊瓦狀”斜列。銅礦床平面分布范圍在27～16線之間，共有大小礦體20個；其中主礦體5個，平均厚度多大于40～80 m，礦體垂直賦存標高為+850～-100 m以下。目前開采的地下礦體標高介于0～-100 m之間。

礦床工程地質(zhì)條件屬以堅硬半堅硬塊狀巖類為主、局部夾薄層軟弱巖石的簡單類型。+100～-100 m水平之間的銅礦床主要埋藏于潛水面以下的原生帶中，裂隙較為發(fā)育。銅礦體與頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)相同，主要是中細?；◢弾r和少量花崗板巖(Ⅲ類圍巖)，局部夾雜的軟弱巖石多為英安玢巖(Ⅳ類圍巖)。

該銅礦采用地下開采方式，主要采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法。礦塊一般為垂直走向布置，分礦房礦柱二步驟回采。礦房長(50～75)m×寬15 m×高100 m，礦柱長(50～75)m×寬15 m×高100 m。沿采場高度100 m分兩段鑿巖(每段高50 m)。

1.2 支護概況

采場頂部的鑿巖硐室采用兩側(cè)條形柱布置形式，其中條形柱厚度為2～3 m，見圖1。

圖1 兩側(cè)條形柱布置形式

由于該銅礦沒有統(tǒng)一的支護標準，鑿巖硐室的支護位置和支護方式均視工程地質(zhì)條件而定。頂板多采用螺紋鋼錨桿或管縫式錨桿+噴射混凝土支護，部分節(jié)理不發(fā)育的位置無支護，兩種錨桿的直徑分別為20 mm和40 mm，長度分別為2.2 m和1.8 m，支護間排距約為0.8 m×0.8 m；側(cè)幫則均采用素噴支護，起噴高度為距地板1 m位置，采用C20混凝土，噴層厚度80 mm左右。由于節(jié)理面發(fā)育，支護設計不完善，在鑿巖硐室施工過程中多次出現(xiàn)冒頂和側(cè)幫垮落事故。

2 優(yōu)勢結構面分析

首先，采用測線法和體積密度法分別在該銅礦0， -50 m中段鑿巖硐室對其周邊礦的結構面特征進行現(xiàn)場調(diào)查，收集相關資料和數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)礦體和圍巖節(jié)理、裂隙現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，采用Dips軟件分別確定了鑿巖硐室及周邊的優(yōu)勢結構面(見圖2)。其中，礦巖的優(yōu)勢結構面主要為159°∠56°和285°∠81°兩組。另有一些零星節(jié)理，產(chǎn)狀為69°∠59°不發(fā)育，等密度值較小。

圖2 礦巖的赤平投影和優(yōu)勢結構面

3 支護參數(shù)優(yōu)化

3.1 支護參數(shù)選取

目前，該礦的鑿巖硐室的支護形式大體上可分為以下3種：

(1) 不支護：主要為早期的鑿巖硐室，以及只掘進了較短距離的鑿巖硐室；

(2) 素噴：鑿巖硐室側(cè)幫的主要支護形式，采用C20混凝土，噴層厚度50 mm左右；

(3) 錨網(wǎng)噴：鑿巖硐室頂板的主要支護形式，采用螺紋鋼錨桿和管縫式錨桿，二者的直徑分別為20 mm和40 mm，長度分別為2.2 m和1.8 m，間排距約為0.8 m×0.8 m。

由于該礦暫未對以上支護材料進行系統(tǒng)的試驗和測試，因而，本文根據(jù)國內(nèi)類似礦山支護材料的試驗結果，并結合深部銅礦的實際支護情況，得出該礦山支護材料的力學性質(zhì)，見表1和表2。結合該礦山實際的巖體力學參數(shù)，并參考相關文獻和節(jié)理面發(fā)育的實際情況，對節(jié)理面的力學參數(shù)取值，見表3。

表1 錨桿的幾何參數(shù)和力學參數(shù)

表2 金屬網(wǎng)和噴射混凝土的幾何參數(shù)和力學參數(shù)

表3 節(jié)理面物理力學參數(shù)

3.2 鑿巖硐室穩(wěn)定性分析

該礦主要采用兩側(cè)條形柱的鑿巖硐室，排柱長×寬=2 m×6 m，排柱間距10 m。鑿巖硐室最大斷面為長×寬=15 m×10 m。而深部銅礦節(jié)理面較為發(fā)育，礦巖主要發(fā)育有3組節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為：159°∠56°,285°∠81°,69°∠59°。在節(jié)理面的切割作用下，實際生產(chǎn)中鑿巖巷道頂板和側(cè)幫也主要表現(xiàn)為塊狀垮落。目前，礦山采用Φ20 mm的螺紋鋼錨桿(或Φ40 mm管縫式錨桿)+50 mm的噴射混凝土支護頂板，采用5 cm的噴射混凝土支護側(cè)幫。

本文采用加拿大Rocscience系列巖土專業(yè)軟件中的UNWEDGE計算巷道或硐室的穩(wěn)定性。UNWEDGE 是一個適用于結構不連續(xù)及地下開挖所形成的三維楔體穩(wěn)定性分析的交互式軟件，用于分析巖體中存在不連續(xù)結構面的地下開挖問題，計算潛在不穩(wěn)定楔體的安全系數(shù)，分析支護對楔體的穩(wěn)定性影響[11-12]。

雙排柱鑿巖硐室開挖斷面周邊的塊體分布見圖3。在節(jié)理面的切割作用下形成了5塊楔形塊，分別位于開挖斷面的頂板、底板、側(cè)幫和其中一側(cè)的拱肩位置。在不支護情況下，頂板和側(cè)幫的塊體均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，頂板的安全系數(shù)為0.62，側(cè)幫的安全系數(shù)為0.82，而其他塊體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。按照礦山當前的支護參數(shù)支護后，鑿巖硐室頂板的安全系數(shù)從1以下上升至2.0以上，但側(cè)幫的塊體只有50 mm的噴射混凝土支護，其安全系數(shù)為0.8～0.9之間，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該區(qū)域在開挖過程中容易出現(xiàn)應力集中，出現(xiàn)剪切破壞，因此，擴幫過程中可能會出現(xiàn)局部垮冒。

圖3 螺紋鋼錨桿支護后鑿巖硐室周邊楔塊及剪應力分布

3.3 支護參數(shù)優(yōu)化

由于該礦鑿巖硐室支護參數(shù)沒有經(jīng)過系統(tǒng)的設計，在生產(chǎn)過程中，多個鑿巖硐室都出現(xiàn)過不同程度冒頂和側(cè)幫垮落事件。此處采用冶金行業(yè)錨噴網(wǎng)支護經(jīng)驗公式計算鑿巖硐室的支護參數(shù)。

(1) 錨桿的長度：L=N×(1.3+W/10)。

(2) 錨桿間距：D≤0.5L。

(3) 錨桿直徑：d=L/110。

N為圍巖影響系數(shù)，其取值見表4。

表4 圍巖影響系數(shù)取值

由于鑿巖硐室主要布置在礦巖中，屬于Ⅲ類圍巖，計算得支護參數(shù)為L=2.3 m、D≤1.15 m(取1 m)、d=20 mm；但是一旦鑿巖硐室出現(xiàn)英安玢巖(Ⅳ類圍巖)，則支護參數(shù)為L=2.53 m、D≤1.26 m(取1.25 m)、d=23 mm。因此，在沒有英安玢巖的情況下，礦山目前所采用的支護參數(shù)可以滿足鑿巖硐室頂板的安全需求，但側(cè)板的安全系數(shù)不足。

結合該銅礦實際情況，利用UNWEDGE軟件分別計算不同混凝土厚度(50～120 mm)、不同錨桿間排距(0.7×0.7)m～(1.2×1.2)m的情況下鑿巖硐室整體的安全系數(shù)，具體結果見表5。

表5 不同支護參數(shù)下鑿巖硐室整體的安全系數(shù)

從表5中可以看出：該銅礦在目前支護參數(shù)下(0.8 m×0.8 m的網(wǎng)度)，管縫式錨桿和螺紋鋼支護的鑿巖硐室安全系數(shù)分別在2.3左右和2.8左右，安全系數(shù)明顯偏高，其支護成本較大。因此，結合礦山安全需求，在保證鑿巖硐室安全系數(shù)不低于1.5的前提下，考慮適當增加錨桿的間排距。

所以，在不改變現(xiàn)有支護設備和支護工藝的前提下，建議采用錨桿加全斷面噴射混凝土聯(lián)合支護方式，錨桿布置方式為全斷面布置，具體參數(shù)為：螺紋鋼錨桿長2.2 m，間排距1 m×1 m，噴射混凝土按C20設計，噴層厚度為50 mm，局部破碎部位掛金屬網(wǎng)，并將噴層厚度增加至80 mm；管縫式錨桿長1.8 m，間排距1 m×1 m，噴層厚度調(diào)整為80 mm，局部破碎部位掛金屬網(wǎng)，并將噴層厚度增加至100 mm。

4 結 論

(1) 利用測線法和體積密度法對鑿巖硐室及其周邊礦巖進行了節(jié)理裂隙調(diào)查，并采用Dips軟件確定了礦巖的3組優(yōu)勢結構面，為其支護參數(shù)優(yōu)化提供了基礎數(shù)據(jù)。

(2) 根據(jù)實際的節(jié)理發(fā)育情況，利用UNWEDGE軟件計算和分析了該礦山當前支護參數(shù)下鑿巖硐室的穩(wěn)定性，結果表明其頂板的安全系數(shù)均超過2，不利于支護成本的控制，而側(cè)幫的安全系數(shù)小于1，不能滿足安全要求。

(3) 采用冶金行業(yè)錨噴網(wǎng)支護經(jīng)驗公式計算了鑿巖硐室的理論支護參數(shù)，結果表明該礦山目前的螺紋鋼錨桿長度基本滿足要求，而管縫試錨桿長度不足。

(4) 按照正交分析的思路，設計和優(yōu)化了不同支護參數(shù)時鑿巖硐室的整體穩(wěn)定性，在保證其安全系數(shù)在1.5的前提下，按照錨桿的類型分別設計了不同的支護參數(shù)，降低了礦山的整體支護成本。

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