王立杰 耿 帥 尹愛民 張素娜 何 偉

(河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司,河北 邢臺 054100)

我國礦山巷道最常用和經濟的支護方式為錨網噴支護,其主要以錨桿為主體控制巷道圍巖變形與破壞,錨桿在錨網噴支護體系中起著至關重要的作用。其錨桿長度與間排距的選取及預應力的加載是體現(xiàn)支護效果的關鍵因素,合理的匹配參數方能完全發(fā)揮支護作用,既降低成本又提高支護效果。近年來,錨網噴支護在國內煤巷及金屬礦山巷道得到較快發(fā)展,但錨桿支護參數的設計及優(yōu)化一直是實際工程中的難題,針對支護優(yōu)化,學者們做了大量研究工作。董方庭等[1-4]采用巷道圍巖松動圈理論對錨桿支護參數進行優(yōu)化;伍永平等[5]采用有限元ANSYS二維數值模擬研究錨桿支護參數;康紅普等[6-13]采用有限差分FLAC3D三維數值模擬確定錨桿支護參數。本文針對某鐵礦復雜破碎矽卡巖巷道,現(xiàn)有錨網噴支護參數不合理,支護效果不理想,在松動圈支護理論的基礎上,采用FLAC3D三維數值模擬進行錨網噴支護參數優(yōu)化研究。

1 工程概況

某鐵礦井下-260 m水平圍巖以矽卡巖為主,巷道埋深483 m,現(xiàn)有支護方式主要為錨網噴支護,常用錨桿為φ20 mm的螺紋鋼,長1.8 m,網度 1 m×1 m,采用網度為0.1 m×0.1 m和φ6 mm圓鋼為編網,噴漿厚度100 mm。但支護效果不理想,經常出現(xiàn)支護體開裂、頂板冒落、片落等現(xiàn)象,部分巷道需要多次返修支護。對礦山正常生產產生嚴重影響,同時又增加支護成本,亟需對支護參數進行優(yōu)化研究。

2 巷道圍巖松動圈測試及分類

2.1 巷道圍巖松動圈測試

為進一步優(yōu)化錨網噴支護參數,礦山前期進行了-260 m水平巖石力學試驗和工程地質調查,并采用探地雷達進行巷道松動圈測試。根據礦巖力學特征、巷道支護及表面平整情況,在-260 m中段巷道共選取10個具有代表性的測點,-260 m中段巷道寬4.1 m高3.85 m。為提高測試結果的準確性,分析過程主要采用沿巷道走向進行松動圈厚度測量。

根據礦山井下巷道圍巖主要為矽卡巖,圍巖較為破碎、遇水膨脹等特性,采用比擬法對已知物體進行不同波速下雷達探測,結合常規(guī)介質中電磁波的傳播速度,設置井下巷道松動圈雷達探測電磁波速度為17 cm/ns。圖1為部分測點沿巷道走向松動圈地質雷達測試波形圖,波形清晰的區(qū)域為巷道圍巖松動圈厚度范圍。

圖1 部分測點松動圈測試結果Fig.1 Loose circle test results of some measuring points

本次沿巷道走向測試巷道圍巖松動圈,測試總長度約101.70 m,對測試結果進行分類統(tǒng)計,并繪制-260 m巷道圍巖松動圈厚度分布情況圖,詳見圖2。由圖2可以看出,松動圈厚度在1.00～2.50 m之間變化,其中松動圈厚度在 0～1.25 m范圍的占7.32%;1.25～1.50 m范圍的占31.38%;1.50～2.00 m范圍的占54.14%;2.00～2.50 m范圍的占7.16%。反映了巷道圍巖力學性質空間變異很大,其中松動圈厚度在1.25～2.00 m范圍占比最大約85.52%。為提高巷道支護效果,需要根據松動圈的厚度和巖體結構特征,對巷道圍巖進行工程分類,在巷道圍巖分類的基礎上,分類設計對應的支護方案。

圖2 松動圈厚度分布情況Fig.2 Loose ring thickness distribution

2.2 巷道圍巖分類

在前期巖石力學試驗、工程地質調查的基礎上,結合-260 m巷道圍巖松動圈測試結果,根據圍巖裂隙發(fā)育情況、塊體咬合力強弱和結構體大小,結合點荷載實驗強度結果及松動圈測試結果,將矽卡巖圍巖分為3類,如表1所示?？煽闯?矽卡巖等蝕變圍巖互相嵌入復合,松動圈特征復雜且厚度寬泛,在0～2.50 m范圍變化。為提高支護的針對性和有效性,進行分類支護方案優(yōu)化。

表1 矽卡巖巷道圍巖分類Table 1 Skarn roadway surrounding rock classification

3 巖體力學參數確定

巖體力學參數的確定一直是十分棘手的問題,室內力學試驗結果往往不具有代表性。故本次在前期點荷載試驗結果的基礎上,采用FLAC3D軟件進行巖體力學參數反演,強度參數的反演依據現(xiàn)場測試圍巖松動圈范圍,變形參數的反演依據現(xiàn)場地壓監(jiān)測的位移。采用黃金分割迭代法按式(1)進行多次計算,根據已有巷道圍巖資料,結合現(xiàn)場地壓監(jiān)測結果,優(yōu)先確定巖體強度參數,再反演巖體變形參數,最后得到符合-260 m巷道地質條件的巖體力學參數如表2。經驗證,與實際圍巖較相符。

表2 巖體力學參數反演結果Table 2 Inversion results of rock mechanical parameters

式中,R為目標函數;X0為實測值;Xi為模擬計算值。

4 巷道支護錨桿參數優(yōu)化

4.1 建立三維數值模型

以-260 m水平巷道為例,采用Rhino和Griddle軟件建模,巷道形狀為三心拱形,尺寸為4.1 m×3.85 m,模型長70 m、寬 45 m、高 45 m,共劃分7 765 666個單元,140 196個節(jié)點。

4.2 錨桿長度優(yōu)化

結合表1中巷道圍巖松動圈測試結果,依據松動圈理論,分別確定每類圍巖支護錨桿最佳長度[1-4]:

式中,L為錨桿總長度;L1為錨固段長度,依據實踐經驗取0.3～0.5 m;L2為巷道圍巖松動圈厚度值,取最大值;L3為錨桿外露長度,依據實踐經驗取0.05～0.1 m。最終確定前述Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類巷道支護錨桿的最佳長度分別為2.4、2.8和3.2 m。

4.3 錨桿預應力設定

錨桿施加預應力的作用是使軟巖間形成整體應力區(qū)。根據工程實踐,錨桿型號 HRB400,直徑20 mm,其預應力范圍為38～63 kN。通過對錨桿預應力場模擬研究表明,當錨桿預緊力為45～55 kN時,支護產生的應力場最大,結合工程實踐可判斷,錨桿預應力設定50 kN較為合理。

4.4 錨桿間排距優(yōu)化模擬方法

為確定合理的錨桿間距及排距,在巷道頂部、底板、右?guī)汀⒆髱偷忍幐髟O置巷道圍巖變形監(jiān)測點,利用所測得的圍巖變形量和前述巖石力學參數,按已確定的錨桿最佳長度和最佳預應力值,以錨桿間、排距互為定量和變量,通過FLAC3D模擬計算不同巖體性質及工況的圍巖塑性區(qū)面積,根據塑性區(qū)面積和巷道變形量確定合理的錨桿間距及排距。

4.4.1 錨桿間距優(yōu)化

結合實踐經驗,按前述3類巷道圍巖類別分別計算分析 700、800、900、1 000 mm計4個間距的巷道塑性區(qū)面積及變形量。其中,錨桿排距依據經驗設為較常用的800 mm,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿長度分別為2.4、2.8 和3.2 m。以Ⅱ類矽卡巖巷道為例,表3為Ⅱ類矽卡巖巷道不同錨桿間距數值模擬結果,圖3為巷道圍巖變形云圖。

表3 不同錨桿間距數值模擬結果Table 3 Numerical simulation results of different bolt spacing

由表3及圖3可判斷,巷道圍巖塑性區(qū)面積和變形量隨錨桿間距的增加而增加[9],具體表現(xiàn):

圖3 不同錨桿間距數值模擬云圖Fig.3 Numerical simulation cloud diagram of different bolt spacing

(1)錨桿間距為700 mm時,頂板下沉量26.25 mm、底鼓量22.47 mm、左幫移近量35.66 mm、右?guī)鸵平?5.18 mm、塑性區(qū)面積19.43 m2。

(2)當錨桿間距增加到800 mm時,頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平?、塑性區(qū)面積較錨桿間距700 mm時增加幅度分別為0.83%、0.53%、3.22%、2.72%、1.95%。

(3)當間距增加到900 mm時,頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平?、塑性區(qū)面積較間距700 mm時增加幅度分別為 3.16%、0.97%、8.58%、7.87%和10.39%。

(4)當間距增加到1 000 mm時,頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平?、塑性區(qū)面積較間距700 mm時增加幅度分別為3.20%、1.24%、10.15%、9.74%和12.55%。

綜上分析,錨桿間距從800 mm增加至900 mm時對巷道變形影響較大;從700 mm增加至800 mm和從900 mm增加至1 000 mm時影響較小。綜合考慮確定Ⅱ類矽卡巖巷道支護錨桿間距為800 mm。同理,確定Ⅰ類矽卡巖巷道支護錨桿間距為900 mm,Ⅲ類矽卡巖巷道支護錨桿間距為700 mm。

4.4.2 錨桿排距優(yōu)化

按已確定的錨桿長度和間距,其中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿長度分別為2.4、2.8和3.2 m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿原排距分別為1 000、800、800 mm,結合實踐,按3類圍巖分別計算分析1 000、900、800、700 mm計4個不同間距的巷道圍巖塑性區(qū)面積及變形情況。以Ⅱ類矽卡巖為例,對錨桿排距進行數值模擬分析,表4為不同錨桿排距數值模擬結果,圖4為巷道圍巖變形云圖。從表4及圖4可看出,巷道變形隨錨桿排距的增加而增加,具體表現(xiàn)為:排距從800 mm增加至900 mm時對巷道變形影響較大;排距從700 mm增加至800 mm和從900 mm增加至1 000 mm時影響較小。綜合考慮確定Ⅱ類矽卡巖巷道支護時錨桿排距為800 mm。同理,確定Ⅰ類矽卡巖巷道支護錨桿排距為900 mm,Ⅲ類矽卡巖巷道支護錨桿排距為700 mm。

表4 不同錨桿排距數值模擬結果Table 4 Numerical simulation results of different bolt row spacing

圖4 不同錨桿排距數值模擬云圖Fig.4 Numerical simulation cloud diagram of different bolt row spacing

4.5 錨網噴支護參數確定

根據前述分析并結合工程實踐,最終確定3類矽卡巖巷道錨網噴支護優(yōu)化方案。Ⅰ類矽卡巖巷道優(yōu)化支護方案為:錨網噴支護,錨桿直徑20 mm,長度2.4 m,間排距0.9 m×0.9 m,掛網直徑6 mm,網度0.1 m×0.1 m,噴漿厚度100 mm;Ⅱ類矽卡巖巷道優(yōu)化支護方案為:錨網噴支護,錨桿直徑20 mm,長度2.8 m,間排距0.8 m×0.8 m,掛網直徑6 mm,網度0.1 m×0.1 m,噴漿厚度均150 mm;Ⅲ類矽卡巖巷道優(yōu)化支護方案為:錨網噴支護,錨桿直徑20 mm,長度3.2 m,間排距0.7 m×0.7 m,掛網直徑6 mm,網度0.1m×0.1m,噴漿厚度150mm。按優(yōu)化方案對巷道進行二次支護并進行表面位移監(jiān)測,巷道頂板變形量最大為39 mm,且于 40 d后變形趨于穩(wěn)定,實踐表明,優(yōu)化后支護效果較穩(wěn)定。

5 結 論

(1)采用探地雷達沿巷道走向進行矽卡巖巷道松動圈測試,對松動圈厚度分布結果進行統(tǒng)計分類,其中松動圈厚度在0～1.25 m范圍的占7.32%;1.25～1.50 m范圍的占31.38%;1.50～2.00 m范圍的占54.14%;2.00～2.50 m范圍的占7.16%。根據松動圈測試結果及圍巖結構特征將矽卡巖圍巖分為3類,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖巷道圍巖松動圈范圍分別為0～1.25、1.25～2.00、2.00～2.50 m,分3類進行錨桿支護參數優(yōu)化。

(2)根據松動圈支護理論對錨桿長度進行優(yōu)化,確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖支護的最佳錨桿長度分別為2.4、2.8 和 3.2 m。

(3)工程實踐及錨桿預應力場模擬研究表明,HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿預緊力設定50 kN較為合理。

(4)利用FLAC3D進行巷道支護數值模擬分析,分別獲得3類矽卡巖巷道錨網噴的合理支護參數,其中Ⅰ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長2.4 m、間排距0.9 m×0.9 m;Ⅱ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長2.8 m,間排距0.8 m×0.8 m;Ⅲ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長3.2 m,間排距0.7 m×0.7 m。經實踐驗證,支護效果較穩(wěn)定可靠。