王輝,陳慶發(fā),張紹國(guó),李進(jìn)霖,歐恩國(guó),王少平

(1.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦, 廣西 河池市 547205;3.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

地質(zhì)情況復(fù)雜區(qū)域巷道支護(hù)失效,影響巷道的安全運(yùn)行[1-4]。掌握回采巷道的失穩(wěn)特征,根據(jù)實(shí)際情況提出切實(shí)合理的支護(hù)方案,可以保障礦井安全生產(chǎn)。

目前巷道支護(hù)理論與技術(shù)研究取得了較多進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一系列巷道支護(hù)的重要理論,如剛性支護(hù)理論[5]與金屬剛性支架支護(hù)理論[6]、利用巷道圍巖自穩(wěn)能力和采用先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)為特征的松動(dòng)圈理論[7]、一般塊體理論、軟巖巷道支護(hù)理論、深井巷道支護(hù)理論等[8]。王會(huì)瓊等[9]采用3DEC離散元數(shù)值分析軟件對(duì)開(kāi)挖后圍巖位移與應(yīng)力分布規(guī)律及巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析?？得鞒萚10]借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)參數(shù)下巷道位移及塑性區(qū)變形情況進(jìn)行分析,同時(shí)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法,對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。

本文以廣西銅坑礦92號(hào)礦體深部破碎軟巖巷道為研究對(duì)象,選取代表性試驗(yàn)區(qū)巷道,基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、3DEC數(shù)值模擬等手段,研究確定最優(yōu)錨桿支護(hù)參數(shù),并對(duì)比優(yōu)化前后效果,從而為類(lèi)似條件下的巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況與試驗(yàn)區(qū)選定

銅坑礦主產(chǎn)錫、鉛、鋅、銻和銦等礦產(chǎn)資源。礦區(qū)內(nèi)廣泛出露中、上泥盆世地層及少量中、下石炭世地層;斷裂構(gòu)造較發(fā)育,主要有NW向的大廠斷裂和NE向的黑水溝斷裂;圍巖蝕變主要類(lèi)型為碳酸鹽化、矽卡巖化、大理巖化等;礦化類(lèi)型主要為矽卡巖型鋅銅礦化、錫多金屬硫化物型礦化和含銀閃鋅礦至方鉛礦型礦化;礦體圍巖主要為泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖等;礦體為巖層分布或小角度穿層分布,與圍巖呈類(lèi)層狀接觸產(chǎn)出。銅坑礦有上中下3個(gè)大型礦體,依次分別為細(xì)脈帶礦體、91號(hào)礦體和92號(hào)礦體。

采用崩落法回采92號(hào)礦體過(guò)程中,鑿巖巷道由于斷面尺寸過(guò)大,以及受到重復(fù)采動(dòng)、爆破振動(dòng)、結(jié)構(gòu)面分布狀態(tài)、地下水等不良因素的影響,已出現(xiàn)冒頂、片幫及整體垮塌等不良災(zāi)害現(xiàn)象,甚至部分不穩(wěn)定區(qū)域在已經(jīng)采取掛網(wǎng)及錨桿等加固措施情況下仍發(fā)生掛網(wǎng)破裂、錨桿失效、較大規(guī)模冒頂?shù)痊F(xiàn)象。裂隙巖體鑿巖巷道冒頂、片幫及整體垮塌等災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生與防治影響了礦山安全生產(chǎn),威脅著井下作業(yè)人員的生命健康。

選擇92號(hào)礦體405水平2#探礦巷為試驗(yàn)區(qū),如圖1所示。巷道走向?yàn)?60°,斷面形狀為三心拱,巷道寬為3.5 m,高為4 m。試驗(yàn)區(qū)使用錨桿加固,但錨桿打入巖體的方向大多平行于結(jié)構(gòu)面方向,該加固方法不但起不到加固巖體的作用,反而會(huì)加速結(jié)構(gòu)面的開(kāi)裂。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置

2 結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果

采用精測(cè)網(wǎng)法調(diào)查結(jié)構(gòu)面,測(cè)網(wǎng)布置在巷道邊幫,測(cè)網(wǎng)長(zhǎng)13.4 m,寬3.5 m。調(diào)查共測(cè)得223條結(jié)構(gòu)面,二維密度為5.55條/m2,并分為3組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組統(tǒng)計(jì)

3 試驗(yàn)區(qū)錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更多地是參照工程經(jīng)驗(yàn),所確定的支護(hù)方案并不一定能夠達(dá)到最優(yōu)的支護(hù)效果,甚至還無(wú)法滿足工程穩(wěn)定性要求。因此,利用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究,為保證巷道穩(wěn)定運(yùn)行提供合理的支護(hù)依據(jù)。

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

試驗(yàn)區(qū)巷道長(zhǎng)13.4 m、寬3.5 m、高4 m,構(gòu)建尺寸長(zhǎng)×寬×高為13.4 m×20 m×16 m的三維幾何模型。將得到的離散節(jié)理網(wǎng)絡(luò)DFN導(dǎo)入到3DEC中,并合并相鄰?qiáng)A角小于5°的節(jié)理,利用FISH函數(shù)剔除跡長(zhǎng)小于2 m的節(jié)理。劃分網(wǎng)格后,模型共包含64 178個(gè)單元和37 188個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

巷道圍巖主要為硅質(zhì)巖,圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2,節(jié)理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。在模型側(cè)面和底面施加速度為0的約束邊界,模型頂面埋深為388 m,故在模型頂面施加自重應(yīng)力10.848 MPa。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案

巷道支護(hù)采用管縫式錨桿,直徑為38 mm,材料密度為7900 kg/m3,彈性模量為100 GPa,拉伸屈服強(qiáng)度為0.5 MPa。管縫式錨桿支護(hù)強(qiáng)度影響因素主要為錨桿網(wǎng)度、長(zhǎng)度。錨桿網(wǎng)度選取3個(gè)水平,分別為0.6 m×0.6 m、1 m×1 m、1.4 m×1.4 m。參照錨桿整體系統(tǒng)支護(hù)時(shí)參數(shù)計(jì)算方法[11],錨桿長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果為2.13 m。以此數(shù)值為基礎(chǔ),將錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成8個(gè)水平,分別為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

在巷道頂?shù)装宀贾秘Q向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),記錄不同錨桿支護(hù)參數(shù)下的巷道頂板下沉量和底板隆起量,繪制出不同方案下的支護(hù)效果,如圖3所示。

由圖3可知,1 m×1 m網(wǎng)度與1.4 m×1.4 m網(wǎng)度的支護(hù)效果相差不大,而0.6 m×0.6 m網(wǎng)度支護(hù)效果明顯比前兩者要好,故選取0.6 m×0.6 m網(wǎng)度為最優(yōu)。在0.6 m×0.6 m網(wǎng)度下,隨著錨桿長(zhǎng)度增加,頂?shù)装逦灰瓶偭炕旧想S之減小,但在錨桿長(zhǎng)度為2.2 m時(shí),相比于錨桿長(zhǎng)度2 m的頂?shù)装逦灰瓶偭砍霈F(xiàn)了略微增大,故選取2 m錨桿長(zhǎng)度為最優(yōu)。綜上所述,最優(yōu)錨桿支護(hù)參數(shù)網(wǎng)度為0.6 m×0.6 m、錨桿長(zhǎng)度為2.0 m。

圖3 各方案下的支護(hù)效果

3.4 試驗(yàn)區(qū)支護(hù)優(yōu)化前后效果對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)區(qū)巷道頂板雖已進(jìn)行錨桿支護(hù),但部分位置出現(xiàn)有錨桿冒出或錨桿順著層理方向支護(hù),使得錨桿并未起到支護(hù)作用。當(dāng)某根錨桿冒出無(wú)法承受頂板重量時(shí),將增大其他錨桿的受力,造成周?chē)喔^桿相繼失效,產(chǎn)生連鎖反應(yīng),引起頂板整體冒落;并且錨桿順著層理面布置,不但起不到支護(hù)作用,反而會(huì)加速頂板的失穩(wěn)。為了保證巷道的安全穩(wěn)定,進(jìn)一步對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

試驗(yàn)區(qū)原支護(hù)方案中錨桿長(zhǎng)度為1.8 m,根據(jù)試驗(yàn)區(qū)頂板的錨桿布設(shè)情況,確定每根錨桿的坐標(biāo)以及打入巖層的大致方向。其中,有部分錨桿沒(méi)有垂直于巖層支護(hù),而是順著層理縫支護(hù),且有部分錨桿冒出,據(jù)此在試驗(yàn)區(qū)巷道頂板模型中設(shè)置錨桿,進(jìn)行原支護(hù)方案的支護(hù)效果模擬計(jì)算。

試驗(yàn)區(qū)巷道在無(wú)支護(hù)方案、原支護(hù)方案以及優(yōu)化方案下的豎向位移云圖見(jiàn)圖4。

由圖4可知,無(wú)支護(hù)方案、原支護(hù)方案、優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逦灰瓶偭糠謩e為128.751 mm、121.902 mm、111.501 mm。相比于無(wú)支護(hù)方案與原支護(hù)方案,優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逦灰瓶偭糠謩e減少17.25 mm、10.401 mm,分別減少約13.4%、8.53%,優(yōu)化方案能較大程度降低頂板下沉量。原支護(hù)方案相比于無(wú)支護(hù)方案,其位移總量減少6.849 mm,減少約5.32%,說(shuō)明原支護(hù)方案對(duì)加強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性有一定作用,但其支護(hù)效果相對(duì)較差。

圖4 支護(hù)優(yōu)化前后巷道豎向位移云圖對(duì)比

采用巷道頂?shù)装逑鄬?duì)收斂率Kg小于3%作為評(píng)價(jià)巷道穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)[12],Kg為頂?shù)装逦灰瓶偭颗c巷道高度(4 m)的比值。無(wú)支護(hù)方案、原支護(hù)方案的巷道頂?shù)装逑鄬?duì)收斂率分別為3.219%、3.048%,大于3%為不穩(wěn)定狀態(tài);支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逑鄬?duì)收斂率為2.788%,小于3%為穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明采用優(yōu)化方案可以保證頂板的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)在銅坑礦92號(hào)礦體劃定試驗(yàn)區(qū),以試驗(yàn)區(qū)巷道圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用3DEC數(shù)值模擬軟件確定出優(yōu)化后的錨桿支護(hù)網(wǎng)度為0.6 m×0.6 m,錨桿長(zhǎng)度為2 m。

(2)無(wú)支護(hù)方案、原支護(hù)方案、優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逦灰瓶偭糠謩e為128.751 mm、121.902 mm、111.501 mm,相比于前兩者,優(yōu)化方案位移總量分別減少約13.4%、8.53%,較大程度地降低了頂板下沉量。原支護(hù)方案相比于無(wú)支護(hù)方案,其位移總量減少6.849 mm,減少約5.32%,說(shuō)明原支護(hù)方案對(duì)加強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性有一定作用,但其支護(hù)效果較差。

(3)三種方案中,只有優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逑鄬?duì)收斂率小于3%,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),因此,應(yīng)采用優(yōu)化方案對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。