夏輝， 侯克鵬*， 孫華芬， 李琪琪， 袁明禮， 陳碩

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院， 昆明 650093； 2. 云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650093)

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的增大和一些高性能大型設(shè)備在礦山生產(chǎn)中的廣泛使用，為滿(mǎn)足運(yùn)輸和使用等條件，巷道斷面尺寸也隨之增大，大斷面巷道由此而生[1-2]。運(yùn)輸巷道作為地下礦山的主要通道，一般要求安全系數(shù)大、工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高。而大斷面巷道一般是指巷道凈斷面面積大于10 m2，它破壞了圍巖完整性，存在圍巖變形量大、支護(hù)困難的問(wèn)題，加之巷道受地質(zhì)構(gòu)造和工作面二次采動(dòng)等多種因素的影響，易造成巷道發(fā)生冒頂、片幫和不同程度的底鼓等破壞現(xiàn)象，甚至在一些區(qū)域需進(jìn)行多次修復(fù)才能滿(mǎn)足巷道服務(wù)年限，使成本的投入成倍增加，給支護(hù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[3-5]。

針對(duì)這些問(wèn)題，諸多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究工作。在理論方面，巷道圍巖控制的中心問(wèn)題在于確定支護(hù)對(duì)象，強(qiáng)調(diào)支護(hù)與圍巖是互相補(bǔ)充，互相配合的組合體[6-7]。而錨桿能使圍巖整體強(qiáng)度提高的主要是因?yàn)殄^桿能夠在圍巖內(nèi)部形成一種穩(wěn)定支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)[8]。此外，松動(dòng)圈的厚度與支護(hù)難度緊密相聯(lián)，而圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論的提出很好地解決了這一問(wèn)題[9-10]。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，一般是基于巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，通過(guò)總結(jié)巷道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形破壞規(guī)律，初步提出幾種可行性較好的圍巖支護(hù)技術(shù)方案，最后利用FLAC3D等數(shù)值模擬軟件比對(duì)各種支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)有效性，并對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最終支護(hù)方案，以期保障這種大斷面巷道服務(wù)期間的安全使用[11-12]。

現(xiàn)以某礦山520中段大斷面運(yùn)輸巷道為工程背景，在對(duì)巷道變形破壞情況現(xiàn)場(chǎng)考察的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、取樣以及試驗(yàn)，理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，確定合理的圍巖控制技術(shù)及支護(hù)參數(shù)。研究成果對(duì)保證大斷面運(yùn)輸巷道圍巖穩(wěn)定性效果顯著，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)條件

該礦位于瀾滄江鐵礦帶東亞帶南端，大地構(gòu)造處于大勐龍褶斷束(Ⅵ2)西南端，瀾滄江深斷裂南端西側(cè)，礦區(qū)區(qū)內(nèi)出露地層從新到老有第四系全新統(tǒng)(Q4)、上第三系(N)、下第三系(E)、棲霞組(P1q)、元古界大勐龍群下段(Ptdm1)。礦區(qū)呈北東-南西向分布，礦區(qū)發(fā)育縱橫斷層交織，其中以縱斷層居多，規(guī)模大者為F4和F10斷層，主要礦體賦存其間，兩斷層斷續(xù)延長(zhǎng)大于3 000 m。礦體層間接頂板為變粒巖，受構(gòu)造的影響，巖石較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，大多充填物為鈣質(zhì)，少數(shù)無(wú)充填。表1列出了該礦山520中段巖石礦物成分與含量。

表1 巖石礦物成分與含量Table 1 Mineral composition and content

2 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試及分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果是巷道支護(hù)方案選擇和圍巖穩(wěn)定性分析的重要判據(jù)[13]，此次試驗(yàn)為了準(zhǔn)確獲得該礦山520中段運(yùn)輸巷道圍巖松動(dòng)破碎范圍，選取巷道掘進(jìn)后具有普遍代表意義的巷道進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為RSM-SY5(T)智能型分機(jī)體聲波儀，配一發(fā)雙收探頭，如圖1所示。巷道為三心拱形，斷面尺寸為3.80 m×3.60 m。選取其中2個(gè)斷面進(jìn)行測(cè)試，分別命名為1-1和1-2斷面，兩個(gè)斷面測(cè)試間距10 m，單個(gè)測(cè)試斷面布置4個(gè)測(cè)孔(沿逆時(shí)針?lè)较蛴洖?#、2#、3#、4#號(hào)測(cè)孔)，分別位于巷道左右兩幫，傾斜向下15°，現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試示意圖如圖2所示。

圖1 RSM-SY5巖體聲波測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 RSM-SY5 rock sonic wave test system

圖2 聲波測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of sonic test

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，聲波測(cè)試孔深定為3.0 m，為保證測(cè)試的密度和精度，采用等深度順次推進(jìn)的方法，自孔口向內(nèi)以0.2 m為測(cè)距依次進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成波速，并對(duì)異常數(shù)據(jù)剔除或修正，繪出各測(cè)點(diǎn)波速隨孔深之間的變化曲線。依據(jù)曲線的轉(zhuǎn)折情況找出圍巖松動(dòng)區(qū)與完整區(qū)的分界，確定松動(dòng)圈范圍。

圖3(a)、圖3(b)為1-1和1-2斷面各測(cè)孔波Vp隨孔深L的變化曲線，可以看出，當(dāng)距離孔口深度小于1.4～1.6 m時(shí)，孔口位置波速較低，隨著測(cè)試深度增加，巖體波速變化較大且顯著升高，說(shuō)明孔壁圍巖在0～1.6 m范圍內(nèi)存在多處裂縫，巷道爆破開(kāi)挖時(shí)對(duì)測(cè)孔孔口附近擾動(dòng)影響較大。而當(dāng)孔深大于1.6 m后，孔壁圍巖波速基本維持在3 000～3 200 m/s，說(shuō)明大于1.6 m孔壁圍巖完整性較好，沒(méi)有明顯的裂隙。因此，可以確定巷道開(kāi)挖后對(duì)圍巖產(chǎn)生損傷，520中段巷道圍巖松動(dòng)圈的厚度為1.4～1.6 m。

圖3 各測(cè)孔波速-孔深曲線圖曲線Fig.3 VP-L curves for each measuring holes

3 巷道圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分別在巷道掘進(jìn)位置50、100、150 m處取樣3組，測(cè)定圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.2 巷道頂壓的計(jì)算

根據(jù)普氏理論，巷道頂壓就是自然平衡拱與頂板間破碎巖塊的重量，與埋深無(wú)關(guān)[14]。普氏理論巷道壓力拱受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4所示。

但由于巷道兩幫巖石比較破碎，采用壓力拱將會(huì)擴(kuò)大到以拱跨2a1的新壓力拱。其擴(kuò)大后的壓力拱圖如圖5所示。

擴(kuò)大后的壓力拱的跨度a1的計(jì)算公式為

(1)

a為巷道跨度一半；b為普氏拱高度；T為水平應(yīng)力；N為垂向應(yīng) 力；R為軸向力圖4 普氏理論巷道壓力拱受力示意圖Fig.4 Stress diagram of pressure arch in Pu’s theory roadway

a1為自然拱的最大跨度；H為巷道高度；φf(shuō)為巖石內(nèi)摩擦角圖5 兩側(cè)圍巖發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的壓力拱示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure arch when surrounding rock slides on both sides

表2 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of surrounding rock in roadway

巷道頂壓計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：Pv為巷道頂部的圍巖應(yīng)力，kN/m；γ為巖石容重，kN/m3；f為普氏系數(shù)，f=σc/10，σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

將式(1)、式(2)聯(lián)立，各參數(shù)取自表2，計(jì)算得出Pv=70 kN/m。

3.3 支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

綜合上述分析，利用松動(dòng)圈支護(hù)理論，支護(hù)錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足穿過(guò)松動(dòng)圈的厚度延伸至于未受擾動(dòng)的穩(wěn)定巖層。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況及巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，受地質(zhì)構(gòu)造和地下水滲流作用影響，巖石破碎，蝕變接觸帶及風(fēng)化帶發(fā)育，巷道圍巖地質(zhì)類(lèi)型為中等難度型。當(dāng)巷道開(kāi)挖通過(guò)不穩(wěn)定圍巖時(shí)，錨桿采用Φ20 mm×(1 500～1 800) mm普通螺紋鋼錨桿，間排距為600 mm×800 mm，托盤(pán)規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，力學(xué)性能與桿體匹配[15]，噴漿層厚度70 mm。當(dāng)巷道開(kāi)挖通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，由于該段巖層破碎，節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性差，施工時(shí)常常發(fā)生巖石冒落，因此對(duì)該段巷道頂板采用超前錨桿加管棚支護(hù)，主要目的是在未開(kāi)挖巷道頂板形成固結(jié)等效層，提高破碎帶圍巖的殘余強(qiáng)度，增強(qiáng)了巖體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度，避免了由采掘活動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷使圍巖產(chǎn)生二次破壞，以保證巷道開(kāi)挖過(guò)程中不失穩(wěn)[16]。其中鋼管的長(zhǎng)度5 600 mm，直徑100 mm，間距300～900 mm，外插角4.3°，鋼拱架的選擇根據(jù)巷道頂壓計(jì)算值Pv=70 kN/m，選取14#號(hào)工字鋼。巷道穿過(guò)斷層破碎帶超前支護(hù)示意圖如圖6所示。

圖6 斷層破碎帶超前支護(hù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of advanced support in fault fracture zone

4 支護(hù)方案數(shù)值模擬優(yōu)化

4.1 模型建立

為驗(yàn)證該礦山巷道噴錨支護(hù)與超前支護(hù)方案的可行性，同時(shí)對(duì)錨桿長(zhǎng)度與鋼拱架間距參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立FLAC3D三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，巷道寬度3.8 m、高度3.6 m，計(jì)算采用的模型尺寸為X×Y×Z=70 m×40 m×70 m，模型上部施加原巖應(yīng)力為9.1 MPa，左右邊界x方向固定，前后邊界y方向固定，下邊界z方向固定。此次模擬巷道掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為2 m，每完成一次進(jìn)尺后，對(duì)該部分進(jìn)行支護(hù)后再掘進(jìn)下一進(jìn)尺，總的掘進(jìn)長(zhǎng)度為20 m。

4.2 噴錨支護(hù)

當(dāng)巷道開(kāi)挖通過(guò)不穩(wěn)固圍巖時(shí)，主要對(duì)錨桿長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，噴錨支護(hù)模擬方案如表3所示。

4.2.1 巷道圍巖整體位移分析

從圖7可以看出，在無(wú)任何支護(hù)的情況下，巷道最大位移量主要出現(xiàn)在頂板、兩幫位置，其中最大位移為12.6 cm，整體呈橢圓形，此種情況下巷道極易發(fā)生頂板下沉或邊幫破壞。噴錨支護(hù)后，由圖8可以看出，巷道最大位移區(qū)域散落在巷道兩幫和頂板，未成片出現(xiàn)，開(kāi)挖后的位移量明顯減小，其中最大位移量為4.89 cm，是不支護(hù)時(shí)的1/3。

表3 噴錨支護(hù)各參數(shù)模擬方案Table 3 Parameter simulation scheme of shotcrete-anchor support

圖7 方案1巷道圍巖整體位移圖Fig.7 Scheme 1 overall displacement diagram of roadway surrounding rock

圖8 方案3巷道圍巖整體位移圖Fig.8 Scheme 3 overall displacement diagram of roadway surrounding rock

4.2.2 巷道圍巖塑性區(qū)分析

從圖9(a)可以看出，無(wú)支護(hù)條件下，巷道塑性區(qū)體積較大且范圍分布廣，頂板和兩幫主要為剪切破壞，圍巖塑性破壞深度最大約為2.4 m。采用噴錨支護(hù)后，由圖9(b)可以看出，巷道圍巖塑性區(qū)體積明顯減小，巷道兩幫塑性區(qū)深度減少80%，最大僅為0.5 m。

由圖10和圖11可以看出，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度從1.5 m增大到1.8 m時(shí)，巷道整體位移量及塑性區(qū)體積值減小，且幅度較大；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度由1.8 m增大到2.1 m時(shí)，圖10中巷道整體位移量出現(xiàn)輕微的增大趨勢(shì)，圖11中巷道塑性區(qū)體積減小，但幅度明顯變緩。說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度等于1.8 m時(shí)，能夠起到良好的支護(hù)作用，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠。

綜上所述，針對(duì)不穩(wěn)固圍巖，采用噴錨支護(hù)的支護(hù)效果是比較理想的，支護(hù)后巷道頂板及兩幫的整體位移量和塑性區(qū)范圍均明顯減少，其中兩幫塑性區(qū)變化最為突出，說(shuō)明噴錨支護(hù)取得了良好的效果，巷道穩(wěn)定性得到明顯改善。

圖9 塑性區(qū)分布圖Fig.9 Plastic zone distribution map

圖10 巷道整體位移隨錨桿長(zhǎng)度變化圖Fig.10 Diagram of overall displacement of roadway versus bolt length

圖11 巷道塑性區(qū)體積隨錨桿長(zhǎng)度變化圖Fig.11 Variation of plastic zone volume with bolt length in roadway

4.3 超前支護(hù)

由于斷層對(duì)該礦礦體下盤(pán)的影響較大，這就導(dǎo)致部分巷道必然要穿過(guò)斷層破碎帶進(jìn)行施工，此時(shí)如果沿用噴錨支護(hù)將無(wú)法滿(mǎn)足礦井安全生產(chǎn)的要求。因此對(duì)這段巷道采用超前錨桿加管棚的支護(hù)方式，計(jì)算模擬主要對(duì)鋼拱架間距為0.6、0.9、1.2 m進(jìn)行優(yōu)化。

采用超前支護(hù)方案后，由圖12可以看出，巷道圍巖塑性區(qū)范圍和深度進(jìn)一步降低，整體位移量也明顯減小，最大位移僅為1.78 cm，相比于采用噴錨支護(hù)最大位移量8.4 cm，減少了將近4/5。說(shuō)明當(dāng)巷道通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，超前支護(hù)對(duì)限制圍巖發(fā)生變形效果明顯，支護(hù)措施合理。

由圖13可以看出，錨桿主要承受拉應(yīng)力，鋼拱架主要承受壓應(yīng)力。由圖14和圖15可以得出，隨著鋼拱架間距的增大，鋼拱架和超前錨桿所受的力也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，曲線的增幅都比較大，變化強(qiáng)烈?？紤]到礦山運(yùn)輸巷道服務(wù)的長(zhǎng)久性，安全生產(chǎn)的要求，并結(jié)合鋼拱架物理力學(xué)性質(zhì)，采用0.6 m作為超前支護(hù)方案。

圖12 鋼拱架間距取0.6 m時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)及 整體位移圖Fig.12 Plastic zone and global displacement diagram of steel arch with 0.6 m spacing

圖13 鋼拱架間距取0.6 m時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼拱架及 錨桿受力情況Fig.13 Stress condition of steel arch and anchor bolt when steel arch spacing is 0.6 m

圖14 不同間距鋼拱架受力趨勢(shì)圖Fig.14 Stress trend diagram of steel arch frame with different spacing

圖15 不同間距超前錨桿受力趨勢(shì)圖Fig.15 The stress trend diagram of advance bolt with different spacing

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)考察和室內(nèi)試驗(yàn)表明，520中段回采巷道圍巖巖性復(fù)雜，抗壓強(qiáng)度值雖然較大，但由于受地質(zhì)構(gòu)造和地下水滲流作用影響，巖石破碎，穩(wěn)固性差。巷道開(kāi)挖后變形破壞大，難以自穩(wěn)。

(2)松動(dòng)圈試驗(yàn)表明，圍巖松動(dòng)圈范圍為1.4～1.6 m，屬于大松動(dòng)圈Ⅳa巖石。提出對(duì)不穩(wěn)固圍巖巷道采用噴錨支護(hù)，穿過(guò)斷層破碎帶巷道采用超前支護(hù)，并初步確定了相關(guān)支護(hù)參數(shù)。

(3)由FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算得出，巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)比較合理，優(yōu)化后的噴錨支護(hù)(錨桿長(zhǎng)度1.8 m)和超前支護(hù)(鋼拱架間距0.6 m)巷道圍巖塑性區(qū)體積和最大位移量都明顯減小，巷道圍巖變形得到了有效控制，確保使用的長(zhǎng)期性與安全性。