摘 要：針對國內(nèi)某黃金礦山松軟破碎巖體嚴重制約企業(yè)安全生產(chǎn)的問題，本文根據(jù)巖體質(zhì)量分類法和地質(zhì)力學分類法，調(diào)查RMR、Q值，提出聯(lián)合支護方案。根據(jù)巴頓支護理論，結(jié)合三維仿真支護模擬，建立支護分級體系，詳細介紹噴錨網(wǎng)支護的工藝過程及不同斷面規(guī)格的標準支護方案。現(xiàn)場應用結(jié)果表明，這種聯(lián)合支護方案針對軟弱破碎巖體巷道具有良好的支護效果，對國內(nèi)類似黃金礦山巷道支護具有一定的指導意義。

關鍵詞：破碎；支護；三維仿真

中圖分類號：TD 35" " 文獻標志碼：A

目前，隨著黃金礦山開采深度增加，地壓問題日趨顯現(xiàn)，部分礦山松軟破碎巖體的開采及支護問題也愈發(fā)嚴重，安全風險較高，嚴重制約企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。以某黃金礦山為例，根據(jù)巖體質(zhì)量分類法和地質(zhì)力學分類法，得到松軟、破碎巖體相關的RMR及Q值，提出采用濕噴混、多種材質(zhì)錨桿加金屬網(wǎng)的聯(lián)合加強支護方案。根據(jù)巴頓支護理論，結(jié)合三維仿真支護模擬，建立支護分級體系。

1 巖體分級

1.1 Ｑ系統(tǒng)分類法

根據(jù)國內(nèi)外大量的地下礦山開挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計和評估，巴頓等在1974年提出了根據(jù)巖體隧道質(zhì)量指數(shù)Q值來確定巖體特性和巷道支護要求，Q值通常為0.01～100[1]，定義如公式（1）所示。

（1）

式中：RQD為巖石質(zhì)量指標；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr 為節(jié)理粗糙系數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變程度系數(shù)；Jw為節(jié)理受地下水影響系數(shù)；SRF為地應力影響系數(shù)。

1.2 RMR系統(tǒng)分類法

根據(jù)巖石單軸抗壓強度、RQD、節(jié)理間距、節(jié)理不連續(xù)狀態(tài)、地下水和節(jié)理不連續(xù)方向等6個因素分別評分，分數(shù)總和為RMR值，數(shù)值為0～100[2]。

2 工程背景

礦山地下巖體主要為砂巖及黏土巖，整體地質(zhì)構(gòu)造顯現(xiàn)較發(fā)育，風化作用非常顯著，經(jīng)多年開采，現(xiàn)場主要軟弱破碎層及破碎構(gòu)造帶對巖體穩(wěn)定性影響較大，整體巖石等級評價為極差至中等。巖石普氏系數(shù)f經(jīng)測試為2～4，巖石的密度為2.72t/m3，測試單軸抗壓強度為18MPa～75MPa。

礦山開拓方案為全支護主斜坡道無軌開拓，井下運輸采用卡車運輸。205m中段以上采用對角式通風方式，新鮮風流主要由斜坡道和進風井進入，經(jīng)風筒引導至各工作面，污風流經(jīng)分層進路和分段巷道匯入東西風井排出地表。

3 支護方案

3.1 支護設計

基于松動圈理論，井下不同規(guī)格巷道松動圈范圍見表1。

現(xiàn)場實測松動圈在1.34～1.76，為中等松動圈，建議采用組合拱理論計算錨桿參數(shù)。結(jié)合巴頓的Q系統(tǒng)巖體分類及支護評估方法，給出軟弱、破碎巖體巷道的支護方案[3]。

經(jīng)調(diào)查，井下各區(qū)域巷道各區(qū)域Q值為0.2～9，根據(jù)Q值分布情況，選取典型Q值為0.5，巖體分類為極差。

通過巴頓的Q值和支護系統(tǒng)評估，開挖支護系數(shù)ESR為2，Q值0.5，確定噴漿厚度為7cm，錨桿間距為1.2m，錨桿長度計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：l為設計錨桿長度，m；b為巷道開挖寬度，m。

井下采礦進路寬度為4.5～5.0 m，ESR為2.0，設計錨桿長度l為2.31～2.36 m，安全取值為2.4 m。

通過支護設計，確定在軟弱破碎巖體巷道中采用濕噴混凝土+樹脂錨桿+管縫式錨桿聯(lián)合支護[4-5]。

3.2 斷面支護

針對井下兩種進路斷面4.5m×5.0m、5m×5.5m，確定標準支方案如圖1、圖2所示。

4.5m×5.0m規(guī)格進路支護方案：上部錨桿排距1.2m，間距1.2m，長度2.4m，采用直徑25mm樹脂錨桿；側(cè)幫錨桿排距1.2m，間距1.2m，長度2.4m，采用直徑48mm管縫式錨桿。

5.0m×5.5m規(guī)格進路支護方案：上部錨桿排距1.5m，間距1.2m，長度2.4m，采用直徑25mm樹脂錨桿；側(cè)幫錨桿排距1.2m，間距1.2m，長度2.4m，采用直徑48mm管縫式錨桿。

3.3 支護施工要求

噴射混凝土步驟如下。1）清理工作面：用水清洗工作面10min以上，將浮石清理干凈。2）噴漿順序：首先，第一層噴巷道拱腳，其次，噴頂板，再次，噴兩幫，最后，噴拱腳和頂板直至達到設計厚度，所有噴漿方式應由里向外后退式進行。3）噴漿厚度：見各單項設計標準。4）等待時間：噴漿后應將做好隔離，等待2h后方可進入下一步作業(yè)。在鋼網(wǎng)施工前，應進行直觀檢測。檢測指標：鋼筋直徑不應小于4.5mm；縱橫筋焊接點須采用人工雙點焊接；鋼網(wǎng)材質(zhì)檢測須送往專門檢測機構(gòu)進行質(zhì)量檢測。

掛網(wǎng)施工步驟：保證噴漿后2h再開始掛網(wǎng)/打錨桿作業(yè)，掛網(wǎng)位置參考各單項設計標準，采用管縫式錨桿固定鋼網(wǎng)，鋼網(wǎng)之間搭接長度不小于20cm，鋼網(wǎng)應盡量貼緊巖面。

錨桿材料要求：樹脂錨桿直徑大于25mm，材料可用螺紋鋼，樹脂錨桿托盤需用Q235鋼，厚度大于6mm，管縫錨桿材質(zhì)選用16Mn材質(zhì)；管縫錨桿壁厚大于3mm，管縫錨桿初始錨固力要大于25kN/m，管縫錨桿托盤尺寸大于200mm×200mm，厚度大于5mm。

4 支護仿真模擬

確定上述支護設計及方案后，利用仿真軟件[6]，根據(jù)現(xiàn)場開挖流程及相關支護參數(shù)，模擬開挖過程，分析巷道支護穩(wěn)定性。

模型巖石力學參數(shù)選擇至關重要，參數(shù)是否合理直接關系到數(shù)值模擬結(jié)果。事實上，關于巖石以及巖體力學性質(zhì)的全部數(shù)據(jù)都是源自小型試驗和有限規(guī)模的原位試驗，以往均通過試件試驗，應用分析方法來確定不同載荷條件下巖體的強度和變形性狀，以設法滿足工程設計的要求。

研究巖體力學屬性最好的方法是現(xiàn)場原位測試，這樣可以綜合各種影響因素，得到最準確的結(jié)論，但是這個方法耗資巨大，而且并不是任何施工現(xiàn)場都具備測試的條件。室內(nèi)試驗法相對簡單易行，測試結(jié)果也比較穩(wěn)定，而且測得的數(shù)據(jù)全面，但它忽略了一些因素的影響，不能直接作為巖體力學參數(shù)。

由于實驗室方法是對所取巖芯進行測試獲取巖體的力學屬性，因此其值比原位試驗獲取的巖體的力學屬性要大。在實踐中通常對實驗室測試獲取的巖體的力學屬性進行折減后，再將其作為模擬需要的物理力學參數(shù)。獲得巖體力學參數(shù)最準確的方法是大型現(xiàn)場原位試驗，但這種方法不僅時間長、費用高，而且影響因素較多，存在很多不確定性。本次計算巖體力學參數(shù)以現(xiàn)場巖石力學試驗結(jié)果為參考，重點分析巖體節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)模型等影響因素，運用胡克布朗強度準則將巖體力學參數(shù)進行必要折減。相關巖體力學見表2。

濕噴混凝土物理力學參數(shù)：噴漿密度為2500kg/m3；彈性模量為30GPa；法向耦合彈簧剛度為8×108N/m3；泊松比為0.3；剪切耦合彈簧剛度為8×108N/m3；噴漿厚度為0.075m；剪切耦合彈簧內(nèi)聚力為1.0×109N·m-2。

屈服準則是判斷材料進入塑性階段的準則，莫爾-庫侖準則揭示了材料抗拉性能與抗剪性能之間的關系，是目前最通用的屈服準則，廣泛應用到很多材料中，特別是巖石、混凝土材料。本研究采用莫爾-庫侖準則。

為了提高計算效率，須對模型開采過程進行必要簡化調(diào)整，設置如下假設。1）在模型采場開挖前，數(shù)值計算模型必須處于初始應力平衡狀態(tài)。2）將各種性質(zhì)巖體視為各向同性的彈塑性結(jié)構(gòu)體。3）礦山基建等日?；顒訉Σ蓤瞿M影響可以忽略不計。4）將巷道支護及噴漿過程視為同時進行，不需要考慮支護材料的養(yǎng)護時間及強度差異。5）采場開采、回填可視為一次完成，忽略充填體養(yǎng)護時間因素。

4.1 開挖過程

初始應力場摒棄傳統(tǒng)的固定邊界計算方法，除考慮重力場外，將礦山地應力測試結(jié)果作為地質(zhì)體應力邊界進行初始應力生成，可以看出受地應力場的影響，初始應力場在斷層切割區(qū)域存在一定的應力集中現(xiàn)象。

本次計算以地下采場5條進路開采為例，對其進行模擬分析，如圖3所示。地質(zhì)體模型尺寸為50m×30m×30m，同時進路上盤地質(zhì)體被多條斷層切割。

在采礦方法設計方案的基礎上，結(jié)合數(shù)值模擬計算方法的特殊性，對實際采礦工藝過程進行適當簡化，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，模擬開挖順序為逐條進路開采并進行支護。為了展示FLAC3D數(shù)值的計算成果，選取典型剖面（Y=0），對逐條推進方案在開挖、充填過程中的應力應變特性進行分析[7-8]，揭示其采礦活動的地壓演變規(guī)律及支護效果。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過對比分析方案在開挖、充填過程中力學特性數(shù)據(jù)后得出：在進路開挖后，巖體（充填體）力學特性表現(xiàn)相對平穩(wěn)，圍巖一側(cè)應力解除，錨桿均處于拉伸狀態(tài)，尤其以頂板部位受力最大，最大值為23.65kN，進路中心偏左側(cè)錨桿軸向受力明顯?；炷羾妼又饕枪凹绮课皇芰Γ浯螢楣绊敿皞?cè)幫，尤其以錨桿托盤位置應力集中現(xiàn)象最為突出，說明錨桿起到了加固巖體的作用。在整個開挖過程中，混凝土噴層受力由1.12MPa增至1.3MPa，開挖時混凝土噴層受力達到最大值為2.8MPa，應防止混凝土發(fā)生開裂的情況[9]。

同時，進路圍巖單元中出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，主要為壓應力，其數(shù)值上呈現(xiàn)由巖體表面向巖體內(nèi)部逐漸增加的趨勢，最大值達到了12MPa，同時在開挖巖體表面區(qū)域出現(xiàn)了拉應力現(xiàn)象，其最大值為0.48MPa，應力應變等地壓顯現(xiàn)方向并無突出的力學裂化特征。在開挖過程中，支護錨桿及噴漿體受力在極限抗拉強度內(nèi)，未見顯著破壞。對松散破碎巖體來說，圍巖的自穩(wěn)能力較差，支護強度、支護時機在保證巷道穩(wěn)定性方面起著決定性作用，礦山應結(jié)合自身采礦強度、地壓顯現(xiàn)規(guī)律對進路支護工藝、支護參數(shù)進行不斷優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文針對某黃金礦山軟弱破碎巖體巷道在支護中遇到的難題，確定完整的支護設計及流程，根據(jù)相關支護理論分析計算后，首先根據(jù)Q系統(tǒng)分級法確定巖石等級，其次根據(jù)巴頓Q值指標和支護設計評估理論，確定合理的支護設計方案，同時利用三維仿真手段進行驗證，最后確定最終支護方案，現(xiàn)場支護效果優(yōu)異。巷道頂板及兩幫無明顯冒頂及沉降，經(jīng)長時間暴露，支護巖體無明顯開裂，保障了設備及人員作業(yè)的安全性。后期經(jīng)過大規(guī)模試驗并推廣后，證明該支護體系技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理，大幅降低了巷道返修率，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐，同時也為國內(nèi)外類似條件礦山支護體系建設提供一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]康小兵，許模，陳旭.巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)分類法及其應用[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2008，19（4）：91-95.

[2]張理，龔囪，趙奎.工程巖體分類評價方法綜述[J].有色金屬科學與工程，2010，1（1）：91-95.

[3]江飛飛，李向東，李永輝.基于MRMR-2000評價系統(tǒng)的礦巖可崩性分級[J].化工礦物與加工，2015（9）：26-30.

[4]劉泉聲，康永水，白運強，等.顧橋煤礦深井巖巷破碎軟弱圍巖支護方法探索[J].巖土力學，2011，32（10）：3097-3104.

[5]陳城，韓立軍，張后全，等.破碎軟巖斜井巷道錨網(wǎng)噴注耦合支護技術(shù)[J].采礦與安全工程學報，2009，26（3）：288-291，296.

[6] 李治祥，王福奇，田斌，等. 大柳煤礦深部軟巖巷道支護技術(shù)數(shù)值模擬研究[J]. 中國煤炭，2022，48（5）：20-26.

[7]李響，董志凱，謝永國，等. 基于FLAC3D的礦山截排洪主隧洞工程支護模擬分析[J]. 礦冶工程，2022，42（1）：19-23，29.

[8]汪海峰，魏曉明. 大跨度破碎頂板支護方案數(shù)值模擬分析及工程應用[J]. 有色金屬（礦山部分），2022，74（4）：57-63.

[9]吉艷平. 破碎區(qū)域聯(lián)合支護的數(shù)值模擬與分析[J]. 機械管理開發(fā)，2022，37（7）：96-98.