孟清喜, 張伯賢, 張 俊

(山東黃金集團西和縣中寶礦業(yè)有限公司, 甘肅 隴南 746000)

1 前言

四兒溝門金礦圍巖主要為石英砂巖，夾粉砂質(zhì)板巖，穩(wěn)定性一般。由于部分支護參數(shù)不合理，在多個地段頂板巖石的三角形冒落多出現(xiàn)在交叉節(jié)理發(fā)育的地段，而在兩條垂直巷道的交叉口及周邊小范圍區(qū)域，頂板巖石破壞形式表現(xiàn)為巖體的破碎，巷道兩幫巖體的破壞明顯，巷道底角巖體被壓碎破壞的現(xiàn)象也較為普遍，巷道底角處常堆積有大量的碎石。

目前四兒溝門金礦現(xiàn)有支護手段主要有錨桿支護、錨網(wǎng)支護、錨桿加穿帶支護、噴漿支護、噴漿錨桿聯(lián)合支護及鋼拱架支護等[1-3]。

1.1 噴射混凝土支護分析

(1)混凝土抗壓強度分析。實際應用數(shù)據(jù)表明，噴漿體在加入速凝劑的情況下，抗壓強度的上升速度較快，一般在噴漿后2～3 h即可起到封閉作用，在18～24 h內(nèi)達到設計強度的80%左右，該方式對于開挖圍巖的封閉作用作用明顯，適應范圍較為廣泛。噴漿體的抗壓強度是衡量支護效果的關鍵指標，一般可達到25 MPa左右，表1為四個典型工程的實測抗壓強度值，實測抗壓強度一般25 MPa。

表1 國內(nèi)具有代表性工程噴射混凝土的實測抗壓強度值

(2)噴層的變形破壞機理。噴層的受力變形主要包括黏結抵抗階段、撓曲階段、薄殼效應階段，變形曲線如圖1所示。其中噴漿體黏結抵抗階段的強度主要與圍巖表面的清潔程度、噴漿厚度有關，這就要求在噴漿之前須沖刷噴漿面，并保證噴漿厚度一般不低于5 cm。試驗表明，噴層強度與噴層厚度并非線形關系，噴漿厚度超過10 cm后，噴層厚度每增加50%，相應強度提高15%左右，噴漿厚度設計一般不得大于25 cm。

圖1 噴射混凝土變形曲線

1.2 錨桿支護分析

錨桿支護方式對層狀、塊狀頂板作用明顯。對于層狀頂板，錨桿可以利用預應力把若干個分層結合成一個分層，有效阻止巖層間的相對滑移出現(xiàn)離層現(xiàn)象，通過避免離層而起到描固作用；對頂板上部塊體的懸吊作用，主要是借助描桿的承載力，將塊體緊緊的錨固在穩(wěn)固的巖層中，從而起到頂板加固作用。實驗室測試得硬巖巷道錨固力達到錨桿屈服強度的80%，而高應力軟巖巷道的錨固力僅僅為屈服強度的20%左右，通常只有20～30 kN，錨桿支護效果較差。

1.3 U型鋼拱架支護分析

U型鋼拱架多用于巖石極為松軟、支護難度較大、噴錨網(wǎng)支護達不到預期支護強度的巷道。支架的尺寸、結構、材料強度是關系到支架強度的主要因素，而承受載荷特征往往對支護阻力、承載能力以及支撐效益生產(chǎn)較大的影響。表2列舉了U型鋼(型號29 kg/m、排間距0.7 m)在不同載荷分布情況下的承載能力和支護阻力，數(shù)據(jù)表明載荷分布特征導致承載能力差異，最大可達5～6倍[4-5]。

表2 直腿式U型鋼可縮性拱形支架極限承載能力和支護阻力

2 分級支護數(shù)學模型

在巷道支護分級設計中，主要考慮的因素包括礦巖質(zhì)量、巷道的暴露面積、巷道服務年限、巷道失穩(wěn)對生產(chǎn)的影響程度4個方面。其中，礦巖質(zhì)量影響到巷道周邊的整體穩(wěn)固性，巷道支護分級設計需重點分析；巷道的暴露面積影響到巷道的自穩(wěn)能力，尤其是巷道交叉位置的暴露面積較大導致巷道的整體穩(wěn)定性差；巷道服務年限影響到支護材料的選擇、支護參數(shù)的選取，巷道服務年限與巷道支護強度呈正相關的關系；巷道失穩(wěn)對生產(chǎn)的影響也是關系到支護分級的因素之一，使用性質(zhì)不同的巷道，其失穩(wěn)后對生產(chǎn)的影響程度不一，比如階段運輸聯(lián)絡道與切割巷道失穩(wěn)對生產(chǎn)的影響差異較大，這就要求重點巷道的支護分級需要采取更為可靠的支護措施[6-8]。

支護等級指標值RQ的計算公式綜合考慮了以上4個影響因素。支護等級指標RQ值越高，需要的巷道支護要求越低。RQ值的計算公式為

RQ=[Q]K1K2K3

(1)

式中：[Q]——礦巖工程質(zhì)量指標，根據(jù)《工程巖體分極標準》確定；

K1——使用時間影響因數(shù)，時間越長K1越小；

K2——暴露面積影響因數(shù)，面積越大K2越?。?/p>

K3——巷道影響程度因子，巷道影響能力越大K3越小。

巖體的基本質(zhì)量根據(jù)RQ值分為5個等級，即Ⅰ～Ⅴ級，根據(jù)巖石的基本質(zhì)量選擇合理的支護措施。支護分級級別及其指標見表3。

表3 分級級別及指標

3 巷道圍巖變形的數(shù)值模擬

依據(jù)支護分級級別指標，結合巷道圍巖變形的數(shù)值模擬計算理論和錨桿分級支護理論，并借助數(shù)值模擬軟件，對不同跨度、不同圍巖、不同服務年限、不同穩(wěn)定性級別的巷道進行定量分析。數(shù)值模擬分析相對于理論本構模型計算而言，模型構建更簡單、計算精簡，并且結果呈現(xiàn)更直觀，因此在巷道數(shù)模建立、開挖尺寸、變形分析等方面應用較為廣泛。針對四兒溝門各水平各分段巷道的變形、塑性區(qū)特征及應力分布等，利用FLAC3D軟件建模分析巷道的受力狀態(tài)，并進行支護方案的比選[9-11]。

3.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

巷道FLAC3D模型的每個受力單元均為六面實體，包含X、Y、Z三個方向的自由度。本次設計選取四兒溝門金礦某水平巷道斷面積為2.5 m×2.5 m，圍巖等級為Ⅲ級。模擬時為精簡計算過程并保證網(wǎng)格的平整性，采取均布劃分巷道圍巖的網(wǎng)格，此次模型計算范圍80 m×30 m×80 m，單個網(wǎng)格最小跨度10 mm，共劃分為142 800個網(wǎng)格與152 781個節(jié)點，設計埋深為300 m。另外還需對數(shù)值計算模型作以下假設：巷道周圍巖體為連續(xù)介質(zhì)、具備各向同性的變形特點、滿足莫爾- 庫侖強度準則。

3.2 物理模型設定及初始計算

四兒溝門圍巖一般為石英砂巖和板巖組合，圍巖穩(wěn)定性為Ⅲ級條件下有兩種主要的節(jié)理，共創(chuàng)建兩種節(jié)理裂隙模板，節(jié)理參數(shù)見表4。

表4 節(jié)理裂隙參數(shù)

根據(jù)四兒溝門金礦地應力資料總結，給模型賦原始地應力參數(shù)。由于豎向應力基本上等于上覆蓋巖層自重，隨著深度的增加逐漸加大，其增率與各分層巖體重度成正比。進行初始應力計算，計算結果如圖2至圖5所示。

圖2 X方向最大位移云圖

圖3 X方向最大應力云圖

圖4 Z方向最大位移云圖

圖5 Z方向最大應力云圖

巷道開挖后，在無支護狀態(tài)下的破壞情況如圖6所示，破壞數(shù)值見表5。

表5 巷道開挖無支護狀態(tài)計算數(shù)據(jù)表

圖6 無支護塑性變形區(qū)域

從圖2和圖4所示的位移矢量可以看出，巷道底板向上方移動，巷道頂板向下方移動，巷道兩幫向中間移動，說明在實際巷道開挖過程中，容易出現(xiàn)冒頂片幫和底鼓的現(xiàn)象。根據(jù)四兒溝門金礦地應力資料總結，給模型賦原始地應力參數(shù)，其中豎向應力等于上覆蓋巖層重力，與巖石埋藏深度成正比。模擬結果表明兩幫中心處與頂板中心處最大位移量分別為13.28 mm、15.04 mm，說明頂板問題較邊幫破壞更為嚴重，支護時應予以加強支護；圍巖破壞后應力得到釋放，水平方向最大應力為17.3 MPa，豎直方向最大應力為22.09 MPa，不平衡程度較大，且塑性區(qū)體積較大。

4 巷道支護標準化設計

4.1 錨桿參數(shù)的優(yōu)化

1)不同支護參數(shù)對比

模擬試驗地點為四兒溝門金礦1 780 m水平，巷道斷面積為2.5 m×2.5 m。試驗重點為測試錨桿支護網(wǎng)度和錨桿長度對巷道支護效果的影響，不同支護參數(shù)對比是在考慮各方案單位長度的用鋼量的基礎上，主要是通過監(jiān)測巷道頂板及兩幫的的位移量確定最優(yōu)方案。為保證實驗數(shù)據(jù)的可比性，試驗選用的錨桿為同一廠家、同一批次，錨桿直徑均為40 mm、錨桿托盤面積為120 mm×120 mm。分別取錨桿網(wǎng)度為1 000 mm×1 000 mm、1 500 mm×1 500 mm、2 000 mm×2 000 mm，錨桿長度為1.8 m、2.0 m、2.2 m，進行全交試驗。各個方案的試驗數(shù)據(jù)見表6，檢測結果的對比情況如圖7所示。

表6 錨桿參數(shù)優(yōu)化分析表

圖7 錨桿參數(shù)優(yōu)化方案對比

從圖7可得出，兩幫位移變形最小時對應的為方案1，而頂板位移沉降最小的為方案4，方案7在經(jīng)濟上最有優(yōu)勢但變形的控制效果不足。8種支護方案均對巷道的變形支護有所改善，但其控制的程度有所差異。考慮功能需求和經(jīng)濟合理兩個指標，在方案1、方案4和方案7中進行方案的整體優(yōu)化選擇。

通過上述數(shù)值模擬分析和對比，結合礦山自身的礦巖結構，得到四兒溝門金礦1 780 m水平、巷道斷面積為2.5 m×2.5 m的最優(yōu)支護方案，即采用噴錨聯(lián)合支護方式，采用砂漿混凝土噴漿支護，噴漿厚度70 mm封閉裸露巖體，并施工用管縫式錨桿(直徑40 mm、長度1.8 m)，施工網(wǎng)度為2.0 m×2.0 m，布置方式如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案示意圖

2)不同圍巖巷道最優(yōu)支護方案的確定

根據(jù)以上所述進行模擬試驗方式，分別在不同巷道斷面積、不同圍巖條件、不同支護參數(shù)進行試驗，結合礦山的實際條件以及經(jīng)濟合理優(yōu)化原則，最終得出以下不同圍巖巷道的最優(yōu)支護方案(未包括Ⅴ級破碎巖體)，具體方案見表7。

表7 巷道圍巖最優(yōu)設計方案

4.2 破碎巷道的專項支護設計

1)破碎巷道不同支護參數(shù)對比

對于Ⅴ級巖體，巖石極為松散、節(jié)理即為發(fā)育，錨桿的實際錨固力較小，很難起到有效的支護作用，應采用鋼支架支護方案。本設計選取巷道斷面積2.5 m×2.5 m，其他斷面設計類似。根據(jù)鋼支架的間距不同分別進行計算，設計對0.5 m、1.0 m、1.5 m、2 m、2.5 m間距分別進行模擬，進而確定支護的合理間距。

型鋼受力特征的復雜性，現(xiàn)場量測手段的局限性，決定了難以采用理論計算方法確定型鋼各類載荷的大小。FLAC3D軟件能夠較好地模擬不同邊界與加載條件下受力變形情況，是鋼結構設計與分析的重要工具。根據(jù)實際，采用工字鋼進行支護，工字鋼楊氏模量220 GPa，泊松比0.3，抗壓強度215 MPa，抗拉強度215 MPa。型鋼模擬如圖9所示。

圖9 巷道U型鋼支護模擬

2)數(shù)值模擬及結果分析

(1)計算位移結果云圖如圖10至圖19所示。

圖10 X方向間距0.5 m鋼支架支護

圖11 Z方向間距0.5 m鋼支架支護

圖12 X方向間距1.0 m鋼支架支護

圖13 Z方向間距1.0 m鋼支架支護

圖14 X方向間距1.5 m鋼支架支護

圖15 Z方向間距1.5 m鋼支架支護

圖16 X方向間距2.0 m鋼支架支護

圖17 Z方向間距2.0 m鋼支架支護

圖18 X方向間距2.5 m鋼支架支護

圖19 Z方向間距2.5 m鋼支架支護

模擬試驗根據(jù)云圖得出5種不同間距的鋼支架支護措施實施后，巷道圍巖位移變化情況，具體統(tǒng)計見表8。

表8 鋼支架支護模擬變形統(tǒng)計表

該數(shù)據(jù)模擬表明鋼支架支護措施實施后較大地限制了圍巖變形，并且頂板位移控制的效果要優(yōu)于兩幫。鋼支架間距為2.5 m時，兩幫變形量和頂板變形量分別為11.30 mm、9.35 mm，隨著鋼支架間距的縮小，控制圍巖效果逐漸增強。經(jīng)過分析和總結得出鋼支架間距n與變形量m大約成如下線性關系：兩幫m=2.44n+5.45，頂板m=2.62n+2.8。

(2)計算應力結果云圖如圖20至圖29所示。

圖20 X方向間距0.5 m鋼支架支護

圖21 Z方向間距0.5 m鋼支架支護

圖22 X方向間距1.0 m鋼支架支護

圖23 Z方向間距1.0 m鋼支架支護

圖24 X方向間距1.5 m鋼支架支護

圖25 Z方向間距1.5 m鋼支架支護

圖26 X方向間距2.0 m鋼支架支護

圖27 Z方向間距2.0 m鋼支架支護

圖28 X方向間距2.5 m鋼支架支護

圖29 Z方向間距2.5 m鋼支架支護

根據(jù)云圖計算結果，從水平應力云圖可得出5種不同間距的鋼支架支護措施實施后巷道圍巖水平應力的變化情況，根據(jù)豎直位移云圖可得出巷道圍巖豎直應力的變化情況，將這兩種計算結果數(shù)據(jù)整理見表9。

由表9可看出，當對巷道圍巖進行鋼支架支護后，圍巖形變破壞被控制。隨著鋼支架間距的減小，圍巖所承受的在逐漸增大。水平應力變化不是很大，豎直應力發(fā)生了較大的變化。由應力云圖可看出水平與豎直最大應力區(qū)均出現(xiàn)在混凝土網(wǎng)格，這就說明，混凝土支護層在控制圍巖變形的同時，承受了大量的圍巖變形釋放的應力。

表9 混凝土支護模擬最大應力統(tǒng)計表

3)破碎巷道最優(yōu)支護方案

結合上述數(shù)值模擬結果得到四兒溝門金礦Ⅴ級圍巖、巷道斷面積為2.5 m×2.5 m的最優(yōu)支護方案，即采用噴射混凝土+鋼支架進行支護。型鋼支架間距為1.5 m，并噴射厚度為100 mm的C30混凝土砂漿，起到封閉裸露巖體、提高鋼支架的整體支護效果的作用。另外，通過對Ⅴ級圍巖小斷面巷道的鋼支架數(shù)值模擬分析，得出最優(yōu)支護方案見表10。

表10 巷道Ⅴ級圍巖最優(yōu)設計方案

5 結論

(1)通過對四兒溝門金礦現(xiàn)有的支護手段進行分析，對其支護作用原理進行研究，為各種支護設計方案的比選和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

(2)結合支護等級指標RQ值，應用FLAC3D軟件建模分析巷道的受力狀態(tài)，針對不同條件下的支護參數(shù)對比分析，建立四兒溝門金礦巷道分級支護標準。根據(jù)巷道斷面、巖石性質(zhì)、使用時間、暴露面積等參數(shù)區(qū)別制定相應的最優(yōu)支護方案。

(3)針對四兒溝門金礦Ⅴ級圍巖巷道，開展的破碎巷道的專項支護設計，確定了各種斷面破碎巖體巷道的最優(yōu)支護方案。