周 偉 帥金山 柯 波 胡 勇 任高峰 張聰瑞

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室；3.湖北三鑫金銅股份有限公司）

湖北三鑫金銅礦屬于銅金鐵矽卡巖礦床，采用分段空場嗣后充填采礦法開采，礦體劃分為礦房和礦柱，按礦房、礦柱兩步驟回采。由于礦房、礦柱（頂?shù)字┥a(chǎn)效率不均衡，遺留有大量的礦柱資源，其占比達(dá)到儲量的40%～50%，且各采場間相互擾動影響較大，安全隱患突出。為回收礦柱資源在充填體內(nèi)開鑿采準(zhǔn)巷道，巷道受爆破擾動、深部圍巖高應(yīng)力等多因素影響，且充填體強(qiáng)度比巖體低、上部圍巖穩(wěn)定性差，巷道支護(hù)工藝參數(shù)需要進(jìn)一步研究探索。

已有學(xué)者對深部礦體的錨桿支護(hù)方案做了大量研究。例如，董方庭［1］等首次提出巷道圍巖松動圈支護(hù)理論；王衛(wèi)軍［2］等結(jié)合錨桿支護(hù)的時空效應(yīng)總結(jié)了深部大變形巷道錨桿支護(hù)的理論方法；侯俊［3］等基于松動圈理論，并結(jié)合現(xiàn)場試驗對破碎巖體的錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。對NPR 材料的吸能錨桿的應(yīng)用研究也取得較大進(jìn)展，例如，何滿潮［4-5］等對NPR 錨桿的材料結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為進(jìn)行了研究，并在現(xiàn)場項目中開展應(yīng)用；陶志剛［6］等對層狀板巖隧道中NPR錨索支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了模擬分析；李景文［7］等對各類吸能錨桿的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了詳細(xì)對比。

目前，何滿潮院士及其研究團(tuán)隊研制的NPR 錨桿/索，主要應(yīng)用于煤礦以及隧道大變形控制，在金屬礦山深部開采中，對巷道圍巖大變形的控制應(yīng)用尚屬空白。NPR 錨桿支護(hù)是利用NPR 材料的負(fù)泊松比特性以及恒阻大變形的結(jié)構(gòu)特點，對巷道圍巖進(jìn)行吸能支護(hù)。由于在深部開采中，金屬礦和煤礦以及隧道的圍巖特性有很大區(qū)別，利用NPR 錨桿支護(hù)是否能滿足礦山的支護(hù)需求，還需更多的試驗研究。本研究采用NPR 吸能錨桿進(jìn)行錨桿支護(hù)數(shù)值模擬，分析支護(hù)參數(shù)的可行性，確定最優(yōu)的錨桿支護(hù)參數(shù)，最終達(dá)到提高支護(hù)效率、降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)安全的目的。

1 NPR錨桿支護(hù)原理

1.1 錨桿支護(hù)的時空效應(yīng)

圍巖變形過程存在時間和空間效應(yīng)，錨桿所受荷載在圍巖變形過程中逐漸增加到彈性極限后，發(fā)生塑性拉伸，直至斷裂。但在深部大變形巷道中，大部分錨桿并未達(dá)到彈性極限時，巷道已經(jīng)發(fā)生了大變形，塑性區(qū)的邊界已經(jīng)超過錨桿的錨固長度，使支護(hù)效果大大減弱。深部巷道圍巖在高應(yīng)力的作用下，塑性區(qū)的邊界位置與錨固力隨時間發(fā)展可分為3個階段［8-9］。

（1）初始穩(wěn)定階段。此時塑性區(qū)的邊界沒有到達(dá)錨固基礎(chǔ)，錨固力最大，錨桿所受荷載隨塑性區(qū)發(fā)展不斷變大。

（2）逐漸削弱階段。此時塑性區(qū)邊界發(fā)展至錨固基礎(chǔ)，錨固力逐漸下降，支護(hù)能力也隨之下降。

（3）支護(hù)失效階段。此時塑性區(qū)邊界超過錨固基礎(chǔ)，錨固力喪失，僅剩圍巖與錨固劑間極小的摩擦阻力，錨桿支護(hù)基本失效。

深部大變形巷道的錨桿支護(hù)需考慮時間和空間效應(yīng)，當(dāng)塑性區(qū)的發(fā)展超過有效錨固長度時，無論錨桿是否破壞，支護(hù)效果都會受影響，而只考慮錨桿的支護(hù)密度與支護(hù)強(qiáng)度，并不能取得良好的支護(hù)效果。塑性區(qū)與錨固段相對位置如圖1所示，錨固力變化如圖2所示。

1.2 NPR錨桿結(jié)構(gòu)組成

NPR 錨桿結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由緊固螺母、托盤、恒阻錐體、套管和桿體組成。當(dāng)荷載作用于NPR錨桿自由端時，若作用力大于恒阻錐體的摩擦助力，則套管產(chǎn)生位移，恒阻錐體在套管內(nèi)壁滑移時，產(chǎn)生NPR 材料的負(fù)泊松比效應(yīng)，使之具有更高的屈服強(qiáng)度［10］。

1.3 NPR錨桿支護(hù)原理

NPR錨桿支護(hù)也分為3個階段［11-12］。

（1）圍巖變形前，安裝NPR 錨桿。巷道開挖破壞了原有穩(wěn)定的巖體，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象并出現(xiàn)塑性區(qū)。在深部巷道巖體未出現(xiàn)大變形前，安裝NPR 錨桿。如圖4中（a）所示。

（2）圍巖變形過程中，“讓壓”釋放變形能。當(dāng)大變形產(chǎn)生的力超過錐體的恒阻范圍時，錐體與套管摩擦滑移，釋放變形能，避免瞬時沖擊過大使錨桿斷裂進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)失效。如圖4中（b）所示。

（3）圍巖變形后，“高阻”保持穩(wěn)定。初期劇烈沖擊變形能“讓壓”釋放之后，圍巖緩慢的變形能小于NPR 錨桿錐體的恒阻力時，此時圍巖在支護(hù)的作用下保持穩(wěn)定。如圖4中（c）所示。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 有限元計算模型建立

本次選擇FLAC3d進(jìn)行巷道受力變形數(shù)值模擬分析，選取三鑫金銅礦-670 m 中段區(qū)間，巷道開挖過程屬于一次開挖，且開挖后馬上進(jìn)行支護(hù)，開挖過程的變形量可忽略不計。數(shù)值模擬計算區(qū)域為80 m×12 m×60 m，中間設(shè)置加密區(qū)，共43 628 個單元格，模型如圖5所示。

2.2 本構(gòu)模型及物理力學(xué)參數(shù)選取

本次數(shù)值模擬中，因NPR 錨桿的特殊結(jié)構(gòu)，需用FLAC3d中fish 語言重新定義錨桿單元，包括幾何、力學(xué)以及錨固劑參數(shù)，其軸向剛度K為

式中，A為錨桿截面積，m2；E為彈性模量，GPa；L為錨桿長度，m。

礦體和圍巖選用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 模型，根據(jù)地質(zhì)資料并結(jié)合現(xiàn)場壓力試驗的結(jié)果，利用強(qiáng)度折減法對礦巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行處理［13］，見表1。

2.3 地應(yīng)力計算

通過線性回歸的方法探究深部巖體的地應(yīng)力分布規(guī)律，分析最大水平主應(yīng)力σmax、最小水平主應(yīng)力σmin、垂直主應(yīng)力σh與埋深變化的關(guān)系規(guī)律。線性回歸方程形式為

?

式中，σ為應(yīng)力值，MPa；H為深度，m；k、b為線性方程參數(shù)。

湖北三鑫金銅礦與大冶鐵礦地理位置相近，參考大冶鐵礦的地應(yīng)力測試結(jié)果［14-15］，并將其應(yīng)用到本次 數(shù) 值 模 擬 計 算 中 ：σmax= 0.042H,σmin=0.028H,σh= 0.027H。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

3.1 錨桿直徑分析

為有效控制巷道圍巖的變形，錨桿必須給圍巖以可靠的支護(hù)阻力。數(shù)值模擬研究表明，在其它條件一定時，錨桿支護(hù)阻力的大小與桿體直徑成正比，也就是說，直徑越大，支護(hù)阻力和錨桿支護(hù)剛度越大，對支護(hù)越有利。另一方面需考慮錨桿直徑與鉆孔直徑的合理匹配，根據(jù)相關(guān)礦山的經(jīng)驗以及湖北三鑫金銅礦巖石力學(xué)條件，鉆孔與錨桿直徑相差6～12 mm，錨固力較大?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，鉆孔小，成本相應(yīng)低?？紤]施工機(jī)具因素，目前常用的錨桿鉆機(jī)鉆孔孔徑為28～32 mm，為減少錨固劑的用量，鉆孔孔徑選為30 mm。因而錨桿直徑為22 mm。

3.2 錨桿長度分析

通過控制錨桿支護(hù)密度以及其他參數(shù)一定的條件下，分析錨桿長度對巷道圍巖變形的影響。不同錨桿長度對巷道位移變化情況如圖6 所示。隨著錨桿長度的增加，巷道底鼓量的變化不大，但對巷道頂板下沉量以及兩幫的相對移近量影響較大，即適當(dāng)增加錨桿長度對控制巷道圍巖變形較為有利。當(dāng)長度從1.6 m 增加至1.8 m 時，頂板最大下沉量從322 mm 變化至303 mm，兩幫最大移近量從282 mm 變化至255 mm。而從1.8 m 增加至2.0 m 時僅對兩幫的相對移近量有影響，綜合經(jīng)濟(jì)成本考慮，錨桿長度為1.8 m。

3.3 錨桿間距分析

采用上述數(shù)值模擬計算結(jié)果的最優(yōu)錨桿長度，控制錨桿排距以及其他參數(shù)一定的條件下，分析錨桿間距對巷道圍巖變形的影響。不同間距對巷道位移變化情況如圖7所示。隨著錨桿間距的減小，對頂板下沉量有明顯改善，當(dāng)間距從1.2 m 減小至0.8 m時，頂板下沉量從318 mm 減小至303 mm，但兩幫移近量和底鼓量沒有明顯變化，可見適當(dāng)增加頂板錨桿的支護(hù)密度，有利于控制巷道變形。

3.4 錨桿排距分析

通過控制錨桿其他參數(shù)一定的條件下，分析錨桿排距對巷道圍巖變化的影響。不同排距對巷道位移變化情況如圖8 所示。對于0.8、1.0、1.2 m 三種排距來說，排距0.8 m 時圍巖變形及穩(wěn)定性與排距1.0 m的錨桿布置方案相差不大，排距超過1.0 m 后結(jié)果變化相對較大，由此可以認(rèn)為在錨桿排距達(dá)到一定密度后，減小排距對控制圍巖穩(wěn)定性作用不明顯，在保證巷道安全使用的前提下，結(jié)合實際情況，確定錨桿排距為1.0 m，視巖體情況適當(dāng)減小排距。

3.5 應(yīng)力分析

巷道無支護(hù)與支護(hù)方案優(yōu)化后的巷道最大主應(yīng)力如圖9 所示。分析得出，無支護(hù)時巷道頂板、兩幫以及底板應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，在支護(hù)過后，巷道的最大主應(yīng)力有明顯變化，錨桿支護(hù)的效果明顯。

4 結(jié) 論

（1）本研究基于3 組不同錨桿參數(shù)的支護(hù)方案，通過FLAC3d數(shù)值模擬軟件，模擬不同支護(hù)方案在-670 m 中段充填體內(nèi)巷道的變形情況，根據(jù)三鑫金銅礦的實際情況，優(yōu)化后支護(hù)方案選擇錨桿直徑22 mm、長度1.8 m、間距1.2 m、排距1.0 m。

（2）頂板下沉量和底鼓量的最大值分別在巷道的頂板中心處和底板中心處，兩幫總體移近量較小，且位移沒有發(fā)生突變，表明該支護(hù)方案具有較好的穩(wěn)定性?？梢罁?jù)現(xiàn)場實際情況，適當(dāng)增加頂板錨桿支護(hù)密度有利于控制巷道變形。

（3）充填體內(nèi)開鑿的采準(zhǔn)巷道受爆破擾動、深部高應(yīng)力等多因素影響，且充填體強(qiáng)度比圍巖強(qiáng)度較低，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，提高充填體強(qiáng)度有利于巷道的整體穩(wěn)定性。

（4）對于錨桿支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計，只有當(dāng)錨桿各參數(shù)達(dá)到合理配合，錨桿支護(hù)的作用才能最大限度得到體現(xiàn)，并根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，在保證安全質(zhì)量的前提下，提高支護(hù)效率，降低成本。