汪海峰，魏曉明

(1．保山金廠河礦業(yè)有限公司，云南 保山 678300；2．礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

大直徑深孔采礦技術(shù)與大型無(wú)軌裝運(yùn)設(shè)備配套，實(shí)現(xiàn)了地下金屬礦山大規(guī)模、高效率、集中強(qiáng)化開(kāi)采，已在我國(guó)有色、黃金、黑色等多個(gè)礦山成功應(yīng)用[1-2]。目前，金廠河多金屬礦采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采[3]，采場(chǎng)頂板為連續(xù)破碎大理巖，且具有采場(chǎng)頂板跨度大、暴露面積大及暴露時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，隨著回采不斷快速推進(jìn)，在一步驟采場(chǎng)出現(xiàn)了不同程度的頂板垮塌、頂板支護(hù)失效等地壓災(zāi)害，嚴(yán)重制約了礦山安全高效回采。因此，針對(duì)金廠河礦采場(chǎng)破碎頂板失穩(wěn)垮塌、壓覆資源等技術(shù)難題，本文通過(guò)開(kāi)展礦山工程地質(zhì)調(diào)查，建立了礦區(qū)巖體質(zhì)量精細(xì)評(píng)價(jià)模型，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法，針對(duì)初選頂板支護(hù)方案，對(duì)3種采場(chǎng)頂板支護(hù)方案進(jìn)行了模擬分析，進(jìn)而提出了“護(hù)頂?shù)V壁+點(diǎn)柱”頂部結(jié)構(gòu)布置形式和錨索-錨桿多尺度協(xié)同控制技術(shù)，保障了礦山采場(chǎng)跨度15 m、長(zhǎng)度100～120 m的大結(jié)構(gòu)采場(chǎng)大規(guī)模安全回采。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 采場(chǎng)頂板垮塌現(xiàn)狀

目前，金廠河多金屬礦處于一步驟大規(guī)模開(kāi)采階段，21#、23#、25#、27#采場(chǎng)出現(xiàn)了不同程度的頂板垮塌、頂板支護(hù)失效等地壓災(zāi)害(圖1)，尤其是21#采場(chǎng)垮塌量13 191 m3，嚴(yán)重制約了礦山一步驟礦房采場(chǎng)安全高效回采，也將影響后續(xù)的二步驟礦柱采場(chǎng)的回收。

圖1 金廠河多金屬礦采場(chǎng)頂板失穩(wěn)現(xiàn)象Fig.1 Instability phenomenon of stope roof in Jinchanghe polymetallic mine

1.2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

金廠河多金屬礦大直徑深孔采場(chǎng)的頂板和底板為大理巖，礦體為矽卡巖，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯進(jìn)行加工，并分組進(jìn)行巖石密度、巖石劈裂、巖石單軸壓縮及變形、巖石三軸壓縮等試驗(yàn)，獲得了礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

1.3 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

本次巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查采用三維不接觸測(cè)量方式與現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)線法測(cè)試對(duì)金廠河礦區(qū)1 750、1 810 m兩個(gè)中段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面調(diào)查，得出兩個(gè)中段巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的優(yōu)勢(shì)方位，如圖2所示，根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50218-2014規(guī)定，對(duì)各分區(qū)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查Fig.2 Investigation of rock mass structural plane

表2 首采區(qū)巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果

2 切頂硐室支護(hù)方案

2.1 切頂硐室布置方式

目前礦山切頂硐室寬度為15 m，高度為3.4 m，預(yù)留點(diǎn)柱尺寸為3 m×5 m，布置見(jiàn)圖3。采場(chǎng)切頂硐室形成后對(duì)頂板進(jìn)行錨網(wǎng)噴+砂漿錨索全面支護(hù)，支護(hù)方案參數(shù)為：1.8 m管縫式錨桿，Φ6鋼筋網(wǎng)片，C20混凝土噴射10 cm，6 m砂漿錨索，錨桿布置網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，錨索6根/排×3～5 m/排。

圖3 切頂硐室布置方式(單位：m)Fig.3 Layout of roof cutting chamber(Unit:m)

2.2 切頂硐室支護(hù)模擬方案

為了保證礦山兩步驟采場(chǎng)切頂硐室頂板穩(wěn)定性，采用相應(yīng)支護(hù)策略進(jìn)行硐室頂板穩(wěn)定性加固工作[4-5]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，留3 m護(hù)頂?shù)V壁，并對(duì)3種支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比模擬分析，具體如下：

1)方案1∶1.8 m管縫式錨桿，Φ6鋼筋網(wǎng)片，C20混凝土噴射10 cm，6 m砂漿錨索，錨桿布置網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，錨索6根/排×3～5 m/排。

2)方案2∶1.8 m管縫式錨桿，Φ6鋼筋網(wǎng)片，C20混凝土噴射10 cm，8 m砂漿錨索，錨桿布置網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，錨索6根/排×3～5 m/排。

3)方案3∶1.8 m管縫式錨桿，Φ6鋼筋網(wǎng)片，C20混凝土噴射10 cm，10 m砂漿錨索，錨桿布置網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，錨索6根/排×3～5 m/排。

3 切頂硐室數(shù)值模型與力學(xué)參數(shù)

3.1 三維數(shù)值模型

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以金廠河32#和33#采場(chǎng)實(shí)際尺寸建立了三維模型，如圖4所示，采場(chǎng)切頂硐室高度3.4 m，長(zhǎng)度110 m，33#一步驟采場(chǎng)頂板跨度14 m，32#二步驟采場(chǎng)頂板跨度16 m，中間留點(diǎn)柱(長(zhǎng)×寬×高=5.5 m×3 m×3.4 m)。

圖4 三維數(shù)值模型Fig.4 Three dimensional numerical model

3.2 支護(hù)體力學(xué)參數(shù)

切頂硐室支護(hù)錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3，支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5。

表3 支護(hù)體力學(xué)參數(shù)

圖5 切頂硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Support structure model of roof cutting chamber

3.3 邊界條件

礦巖體選用莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，三維模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型的底面限制垂直移動(dòng)，模型的上部施加上覆巖層的自重應(yīng)力，模型兩側(cè)邊界水平應(yīng)力是各深度豎直應(yīng)力的1.5倍，且隨深度線性增加。

4 切頂硐室支護(hù)方案模擬分析

一步驟采場(chǎng)回采充填后，二步驟切頂硐室開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖寬度為16 m，屬于最危險(xiǎn)工況，因此在該工況下，對(duì)3種支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 塑性破壞區(qū)分析

3種支護(hù)方案塑性破壞區(qū)分布見(jiàn)圖6，二步驟開(kāi)挖支護(hù)后，切頂硐室頂板主要產(chǎn)生剪切破壞。方案1工況下，點(diǎn)柱發(fā)生破壞區(qū)域較大，內(nèi)部均發(fā)生破壞，方案2和方案3點(diǎn)柱部分區(qū)域發(fā)生剪切破壞。隨著錨索長(zhǎng)度增加，開(kāi)挖頂板臨空面區(qū)域發(fā)生剪切破壞區(qū)域范圍逐漸減小，錨索長(zhǎng)度與頂板穩(wěn)定性具有相關(guān)性。

圖6 切頂硐室塑性破壞區(qū)Fig.6 Plastic failure zone of roof cutting chamber

4.2 錨桿錨索軸力分析

3種支護(hù)方案錨桿錨索軸力分布見(jiàn)圖7，從圖7可知，方案1錨索錨桿受到較大的拉力，拉力值均在200 kN以上，局部區(qū)域錨索拉力值達(dá)到1 000 kN，而方案2及方案3錨索錨桿軸力分布，錨索錨桿軸力均在100～150 kN，在二步驟區(qū)域點(diǎn)柱右側(cè)(7 m跨度)范圍內(nèi)，錨索受到較大的拉力，軸力達(dá)到300 kN。

圖7 切頂硐室錨索錨桿軸力分布圖Fig.7 Axial force distribution of anchor cable and anchor rod of roof cutting chamber

4.3 錨網(wǎng)噴砼分析

3種支護(hù)方案錨網(wǎng)噴砼的最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖8，從圖8可知，3種方案噴砼與網(wǎng)片在頂部區(qū)域產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，拉力值為2.5 MPa，噴砼與網(wǎng)片的抗拉強(qiáng)度大于受到的拉應(yīng)力，因此采用3種支護(hù)方案中噴砼與網(wǎng)片能夠有效的控制開(kāi)挖頂板的變形。

圖8 切頂硐室錨網(wǎng)噴砼軸力分布圖Fig.8 Axial force distribution of anchor mesh shotcrete of roof cutting chamber

4.4 支護(hù)方案選擇

利用數(shù)值模擬方式對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，3種支護(hù)方案中采用噴砼及網(wǎng)片支護(hù)均能防止頂板位移；隨著錨索長(zhǎng)度增加，頂板穩(wěn)定性越好，采用6 m錨索支護(hù)時(shí)，受到較大軸向應(yīng)力，絕大部分超過(guò)其屈服強(qiáng)度，且塑性破壞區(qū)破壞較多；采用8 m錨索及10 m錨索支護(hù)時(shí)，點(diǎn)柱破壞區(qū)域明顯減小，錨索軸力分布在100～150 kN，局部區(qū)域錨索軸力值超過(guò)300 kN，超過(guò)300 kN時(shí)，容易發(fā)生危險(xiǎn)，基于數(shù)值模擬分析，建議選取方案2進(jìn)行支護(hù)。

4.5 支護(hù)前后穩(wěn)定性對(duì)比分析

根據(jù)二步驟切頂硐室3種支護(hù)方案數(shù)值模擬結(jié)果，選擇支護(hù)方案2進(jìn)行切頂硐室支護(hù)前后穩(wěn)定性對(duì)比分析。

1)應(yīng)力場(chǎng)分析

本次重點(diǎn)分析二步驟采場(chǎng)切頂硐室的穩(wěn)定性，二步驟回采結(jié)束后，采場(chǎng)頂部支護(hù)前、后主應(yīng)力分布見(jiàn)圖9。由圖9a可知，切頂硐室頂板支護(hù)前最大主應(yīng)力值為0.99 MPa，主要為壓應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力在空區(qū)位置得到釋放。在一步驟回采充填后，在二步驟中預(yù)留點(diǎn)柱承受較大的應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值達(dá)到9 MPa。由圖9b可知，切頂硐室頂板采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)后，硐室頂板最大主應(yīng)力值為0.38 MPa，降低頂板應(yīng)力62%，且預(yù)留點(diǎn)柱中未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受采動(dòng)應(yīng)力的變化。

圖9 支護(hù)前、后主應(yīng)力分布圖Fig.9 Principal stress distribution before and after support

2)位移場(chǎng)分析

二步驟采場(chǎng)切頂硐室支護(hù)前、后位移場(chǎng)分布見(jiàn)圖10。二步驟回采頂板位移為11.6 cm，底板位移為7.8 cm，在采取支護(hù)措施后，二步驟回采頂板位移為4.7 cm，底板位移為3.4 cm，頂板位移減少6.9 cm，降低頂板位移量59.4%，有效控制了頂板變形。

圖10 支護(hù)前、后位移分布圖Fig.10 Displacement distribution before and after support

5 工程應(yīng)用

33#二步驟采場(chǎng)切頂硐室施工完畢后，按照方案二的支護(hù)參數(shù)，使用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)將管縫式錨桿強(qiáng)行推入鉆孔中，錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為1.0 m×1.0 m，錨網(wǎng)施工完成后噴射混凝土，混凝土強(qiáng)度為C20，厚度為10 cm。錨索采用全長(zhǎng)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力砂漿錨索，鋼絞線直徑為15.5 mm，長(zhǎng)度為8 m，使用CYTC70中深孔臺(tái)車(孔徑70 mm)對(duì)支護(hù)區(qū)域進(jìn)行穿孔，再用水泥砂漿注滿全孔，最后進(jìn)行張拉鎖緊，使托盤緊貼巖壁，最終使錨索聯(lián)合孔壁圍巖共同作用達(dá)到良好的錨固效果，如圖11所示，進(jìn)而保障了礦山采場(chǎng)跨度15 m、長(zhǎng)度100～120 m的大結(jié)構(gòu)采場(chǎng)大規(guī)模安全回采。

圖11 33#采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果Fig.11 The support effect of 33# stope

6 結(jié)論

1)大跨度破碎頂板的數(shù)值模擬結(jié)果表明，3種支護(hù)方案采用錨網(wǎng)噴砼支護(hù)均能防止頂板位移；隨著錨索長(zhǎng)度增加，切頂硐室頂板穩(wěn)定性越好，采用6 m錨索支護(hù)時(shí)，受到較大軸向應(yīng)力，點(diǎn)柱塑性破壞區(qū)破壞較多；采用8 m錨索及10 m錨索支護(hù)時(shí)，點(diǎn)柱破壞區(qū)域明顯減小，錨索軸力分布在100～150 kN，因此建議選取方案2進(jìn)行支護(hù)。

2)通過(guò)對(duì)33#采場(chǎng)切頂硐室頂板支護(hù)前、后應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析，支護(hù)前頂板應(yīng)力值為0.99 MPa，頂板位移為11.6 cm；支護(hù)后頂板應(yīng)力值為0.38 MPa，頂板位移為4.7 cm，降低頂板位移量59.4%，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠承受采動(dòng)應(yīng)力的變化，有效控制頂板變形，起到良好的錨固效果。

3)在二步驟采場(chǎng)頂板切頂硐室的中間區(qū)域錨索，錨索軸力值達(dá)到300 kN，該區(qū)域采用Φ15.5錨索存在被拉斷的危險(xiǎn)，因此考慮實(shí)際施工過(guò)程中，及時(shí)關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)工況，建議在該區(qū)域進(jìn)行快速支護(hù)施工，并將錨索錨桿間排距加密或?qū)㈠^索加粗。