喬富尚，李寶石，馬浩吉，王朝壘

（1. 山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3. 中礦資源勘探股份有限公司，北京 100089）

1 引言

隨著淺部資源的逐漸消耗，越來(lái)越多的礦山開(kāi)始向深部開(kāi)采進(jìn)行過(guò)渡［1-2］，而在深部開(kāi)采中，會(huì)面臨高應(yīng)力、高井深、高水壓和高溫等環(huán)境，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)不利，使礦山的生產(chǎn)成本增加［3］。為了適應(yīng)當(dāng)前的深部開(kāi)采環(huán)境，礦山的設(shè)備逐漸向大型化方向發(fā)展，這就要求井下建更多的大型硐室與之匹配［4-5］。常見(jiàn)的井下大型硐室主要包括配電硐室、水泵房和破碎硐室等，其服務(wù)年限長(zhǎng)，對(duì)其安全穩(wěn)定性要求較高［6-8］，因此，需針對(duì)深井礦山中的大型硐室進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以保證礦山的安全生產(chǎn)。

針對(duì)深井大斷面硐室的穩(wěn)定性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，李會(huì)明［9］的研究表明影響深井大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性的主要因素為硐室的形狀、圍巖條件、服務(wù)年限和及其支護(hù)方案等；梁權(quán)宇［10］建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)深井大斷面硐室的變形規(guī)律進(jìn)行了研究；程燕學(xué)［11］提出了錨噴注的聯(lián)合支護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性的有效控制；針對(duì)某礦水泵房復(fù)雜的地質(zhì)條件，曹栩［12］提出了立體式工字鋼桁架支護(hù)技術(shù)與注漿加固聯(lián)合技術(shù)，在該大斷面硐室的支護(hù)取得良好效果；LI Chong［13］將雙層拱支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于某礦深部大斷面硐室的支護(hù)中，表明雙拱協(xié)同支護(hù)作用可保證大斷面硐室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這些研究成果揭示了深井大斷面硐室的破壞機(jī)理，對(duì)深井大斷面硐室圍巖的穩(wěn)定性控制具有重要的借鑒意義，但不同礦區(qū)的大斷面硐室面臨不同的復(fù)雜地質(zhì)條件，需針對(duì)不同地質(zhì)條件的大型硐室提出與之相適應(yīng)的支護(hù)方案。

為了解決深井大斷面硐室的穩(wěn)定性問(wèn)題，本文以某銅礦深井大斷面配電硐室為研究對(duì)象，在充分掌握該硐室工程地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，提出“噴射混凝土+鋼網(wǎng)+錨桿+長(zhǎng)錨索”的聯(lián)合支護(hù)方案，并采用數(shù)值模擬的手段對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，為礦山進(jìn)行安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2 工程地質(zhì)情況

某銅礦位于非洲中部國(guó)家贊比亞，礦產(chǎn)資源豐富，該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為330萬(wàn)t/年，建設(shè)周期為5年。為了適應(yīng)當(dāng)前低迷的礦業(yè)環(huán)境，該礦朝著智能化礦山的方向發(fā)展，引用了山特維克等一系列的大型采礦設(shè)備，因此，井下的巷道和硐室均趨于大型化，中央配電硐室為礦山的重要工程，主要用于對(duì)整個(gè)礦區(qū)的井下生產(chǎn)提供電力，其穩(wěn)定性對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有重大的意義。

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該銅礦的配電硐室進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，配電硐室主要賦存在下盤石英巖中，其單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較大（單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為102.5MPa和14.2MPa），硐室周邊較為干燥，地下水對(duì)其影響較小，但該硐室存在2～3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面，其中有一組節(jié)理面對(duì)硐室兩幫的影響較大，這些節(jié)理將巖體劃分為一系列的巖塊，對(duì)硐室的穩(wěn)定性不利。

3 大斷面硐室控制技術(shù)

某銅礦井下大型配電硐室寬度為8.9m，高度為5.3m，其中直墻段高度為3.3m，斷面形狀為三心拱斷面，在維護(hù)過(guò)程中受地下水、地應(yīng)力等因素的影響，其穩(wěn)定性制約因素較多，且配電硐室附近分布有水泵房、水倉(cāng)等大型硐室，為了保證某銅礦深井大型硐室支護(hù)的經(jīng)濟(jì)和安全性，某銅礦井下大斷面配電硐室在支護(hù)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代礦山大型硐室支護(hù)理念，遵循以下幾個(gè)原則：（1）支護(hù)的及時(shí)性。（2）需考慮支護(hù)體與圍巖的共同作用。（3）控制原則。（4）易于施工且成本低。

綜合考慮上述幾點(diǎn)，再結(jié)合某銅礦主礦體和西礦體各類大型硐室的支護(hù)形式，決定采用“樹(shù)脂錨桿+鋼網(wǎng)+噴射混凝土+錨索”聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法和理論計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算得到的配電硐室支護(hù)參數(shù)如下：

（1）金屬網(wǎng)。通過(guò)對(duì)該配電室的工程地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)局部存在破碎帶，因此，需采用金屬網(wǎng)對(duì)破碎帶區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。金屬網(wǎng)材料為A3鋼，鋼筋直徑為6mm，網(wǎng)格為100mm×100mm，網(wǎng)片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長(zhǎng)度不小于200mm。

（2）噴射混凝土。根據(jù)工程類比法，該硐室應(yīng)噴射的混凝土厚度為50mm，結(jié)合沖切破壞作用和黏結(jié)破壞作用計(jì)算的噴層厚度，綜合分析認(rèn)為某銅礦深井大斷面配電硐室的噴層厚度取為50mm，且混凝土等級(jí)為C25。

（3）錨桿。采用樹(shù)脂錨桿進(jìn)行支護(hù)，施工位置為兩幫及拱頂，間排距為1000mm×1000mm，長(zhǎng)度為2200mm，直徑為20mm。

（4）長(zhǎng)錨索。該硐室加強(qiáng)支護(hù)采用5000mm長(zhǎng)的錨索支護(hù)，錨索直徑為15.24mm，支護(hù)網(wǎng)度：間排距2000mm×2000mm，且錨索的方向應(yīng)與巷道壁相互垂直。

圖1 配電硐室支護(hù)剖面圖

圖2 配電硐室錨桿和錨索分布圖

4 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型的建立

由于硐室的形狀為三心拱，F(xiàn)LAC-3D建立三心拱模型較為復(fù)雜，因此，本文采用CAD建立三心拱硐室模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將其導(dǎo)入到有限差分軟件FLAC-3D軟件中進(jìn)行計(jì)算，劃分好網(wǎng)格的模型如圖3所示。根據(jù)圣維南原理，硐室的開(kāi)挖一般會(huì)對(duì)周圍3～5倍的巖體產(chǎn)生影響，而硐室的寬度為8.9m，高度為5.3m，因此整個(gè)模型的長(zhǎng)度為80m，寬度為40m，高度為60m，其中沿X方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，沿Y方向?yàn)閷挾确较?，沿Z方向?yàn)楦叨确较?。為了提高?jì)算機(jī)的計(jì)算效率，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，靠近巷道中心越近，網(wǎng)格劃分的越密集；距離巷道中心越遠(yuǎn)，網(wǎng)格劃分的越稀疏，整個(gè)模型共劃分網(wǎng)格單元112000個(gè)，節(jié)點(diǎn)116481個(gè)。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

4.2 數(shù)值模擬方案的選擇

為了對(duì)比配電硐室在不支護(hù)情況和支護(hù)情況下的穩(wěn)定性，需分別建立硐室模型，方案1對(duì)硐室不進(jìn)行支護(hù)，方案2中對(duì)硐室采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式，如圖3所示為硐室在支護(hù)和不支護(hù)情況下的數(shù)值計(jì)算模型。整個(gè)模型的在計(jì)算過(guò)程中的開(kāi)挖與支護(hù)步驟如下：

在一定程度上，軟件中用戶賬號(hào)需要與學(xué)生本人具有同等法律效力，特別在審批、簽到等環(huán)節(jié)。這是軟件能夠順利運(yùn)行推廣的前提條件。因此，學(xué)院需要明確告知學(xué)生該賬號(hào)在學(xué)生管理工作中的重要性，提醒同學(xué)關(guān)注賬號(hào)安全并簽訂協(xié)議。

（1）計(jì)算硐室在原巖應(yīng)力情況下的應(yīng)力狀態(tài)。

（2）原巖應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算完成后，對(duì)整個(gè)模型的位移和速率清零，開(kāi)始對(duì)硐室進(jìn)行開(kāi)挖2m。

（3）繼續(xù)開(kāi)挖2m長(zhǎng)的硐室，然后對(duì)不支護(hù)情況下的硐室不采取任何支護(hù)形式，對(duì)支護(hù)情況下的硐室采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)上一段開(kāi)挖的2m區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。

（4）再開(kāi)挖2m，對(duì)不支護(hù)情況下的硐室不采取任何支護(hù)形式，對(duì)支護(hù)情況下的硐室采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)上一段開(kāi)挖的2m區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。

（5）重復(fù)步驟（4）中的過(guò)程，直至該配電硐室開(kāi)挖完成。

4.3 邊界條件

配電硐室的頂部為上覆巖層，因此，在硐室的頂部施加應(yīng)力邊界條件，所施加的應(yīng)力大小為28.28MPa；模型的底部為固定邊界條件，設(shè)置其X、Y和Z方向的位移均為0；模型的前后左右四個(gè)面分別設(shè)置為位移邊界條件，其中前后兩個(gè)面分別設(shè)置為沿Y方向的位移為0，左右兩個(gè)面分別設(shè)置為沿X方向的位移為0。

4.4 巖體物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)在室內(nèi)進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)可得到巖石的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)其物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，得到巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

表1 某銅礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

分別按照上述步驟模擬某銅礦深部大型配電硐室在支護(hù)與不支護(hù)情況下的穩(wěn)定性，主要從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布幾個(gè)方面對(duì)該配電硐室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。為了更加直觀地反映支護(hù)效果的好壞，通過(guò)在Y=20m的位置作一個(gè)剖面，來(lái)分析該剖面上的圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布情況。

4.5.1 位移分析

如圖4和圖5所示為配電硐室在不支護(hù)和支護(hù)情況下的水平位移和豎直位移分布云圖，從圖中可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隨著硐室的開(kāi)挖，應(yīng)力得到釋放，圍巖發(fā)生變形，硐室的頂板圍巖發(fā)生下沉，底板圍巖出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，兩幫圍巖向硐室內(nèi)側(cè)擠壓，發(fā)生片幫。

（2）對(duì)比在支護(hù)與不支護(hù)情況下硐室的豎直位移和水平位移的數(shù)值，不支護(hù)情況下，硐室頂板、兩幫及底板的最大變形量分別為11.95cm、8.45cm和12.81cm；硐室在進(jìn)行支護(hù)后，硐室頂板、兩幫及底板的最大變形量分別為3.05cm、2.42cm和3.13cm。對(duì)比不支護(hù)與支護(hù)情況下硐室頂板、兩幫及底板變形情況，采取支護(hù)方式后，硐室的頂板、兩幫和底板的最大變形量分別減小74.47%、71.36%和75.57%。

圖4 配電硐室水平位移分布

圖5 配電硐室豎直位移分布

4.5.2 應(yīng)力分析

如圖6和圖7所示為某銅礦大型配電硐室在不支護(hù)與支護(hù)情況下的應(yīng)力分布情況，在開(kāi)挖之前，硐室處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨著硐室的開(kāi)挖，硐室周圍的應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力進(jìn)行重分布，越靠近巷道中心，應(yīng)力集中程度更大，越遠(yuǎn)離巷道中心，應(yīng)力越接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，這也與圣維南原理相符合，距離開(kāi)挖區(qū)域越遠(yuǎn)，硐室的開(kāi)挖對(duì)其影響越小。

圖6 配電硐室最大主應(yīng)力分布

圖7 配電硐室最小主應(yīng)力分布

不支護(hù)情況下硐室最大主應(yīng)力值為54.18MPa，最小主應(yīng)力為31.49MPa，且最大主應(yīng)力近于水平方向，對(duì)硐室進(jìn)行支護(hù)后，硐室的最大主應(yīng)力為67.29MPa，比不支護(hù)情況還高；但在不支護(hù)情況下，硐室頂?shù)装宄霈F(xiàn)了0.0034MPa的拉應(yīng)力，表明在采用支護(hù)方式后，對(duì)硐室的受力情況影響不大。

4.5.3 塑性區(qū)分析

如圖8所示為某銅礦大型配電硐室在不支護(hù)情況和支護(hù)情況下的塑性區(qū)分布情況，無(wú)論硐室是否進(jìn)行支護(hù)，硐室兩幫的塑性區(qū)分布呈完全對(duì)稱分布，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍也基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布的規(guī)律。且剪切破壞主要發(fā)生在硐室的周邊及硐室內(nèi)壁，而拉伸破壞主要發(fā)生在沿硐室壁的一層圍巖，遠(yuǎn)離硐室壁只出現(xiàn)局部的拉伸破壞。

支護(hù)前，硐室的塑性區(qū)面積較大，硐室頂板、兩幫及底板的塑性區(qū)半徑分別為5.25m、2.34m和5.92m。對(duì)硐室進(jìn)行支護(hù)后，硐室的頂板、兩幫及底板的塑性區(qū)半徑分別為2.84m、1.72m和3.99m。與不支護(hù)情況進(jìn)行對(duì)比，硐室的頂板、兩幫及底板塑性區(qū)分別減小45.90%、26.49%和32.60%。這些都表明，在采用合理的支護(hù)形式后，硐室的穩(wěn)定性得到有效控制，特別是硐室的頂板塑性區(qū)半徑明顯減小。

圖8 配電硐室塑性區(qū)分布

5 結(jié)論

（1）結(jié)合某銅礦大斷面配電硐室的服務(wù)年限及開(kāi)采技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)代礦山大型硐室支護(hù)的理念，并根據(jù)工程類比法和相關(guān)理論提出了該配電硐室支護(hù)的設(shè)計(jì)依據(jù)，提出了“噴射混凝土+鋼網(wǎng)+錨桿+長(zhǎng)錨索”的聯(lián)合支護(hù)方案。

（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法和理論計(jì)算法對(duì)某銅礦大斷面配電硐室的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，確定噴射混凝土厚度為50mm；錨桿的支護(hù)參數(shù)為：采用樹(shù)脂錨桿，錨桿直徑為20mm，錨桿長(zhǎng)度為2200mm，錨桿間排距為1000×1000mm；錨索的支護(hù)參數(shù)為：錨索直徑為15.24mm，錨索孔直徑為49mm，長(zhǎng)度為5000mm，間排距為2000×2000mm，局部采用鋼網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（3）數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果表明，采用“樹(shù)脂錨桿+鋼網(wǎng)+噴射混凝土+錨索”聯(lián)合支護(hù)方式后，硐室的穩(wěn)定性得到明顯改善，塑性區(qū)面積大大減小，硐室的變形量在可控制的范圍之內(nèi)，能保證硐室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可為類似工程進(jìn)行合理支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。