李國平　賈豐杰　高　杰

(1.馬鋼姑山礦業(yè)公司和睦山鐵礦；2.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院)

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和睦山鐵礦采礦進路斷面尺寸優(yōu)化與支護設計

李國平1賈豐杰1高杰2

(1.馬鋼姑山礦業(yè)公司和睦山鐵礦；2.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院)

摘要采用FLAC3D對采礦進路斷面尺寸進行了數(shù)值模擬優(yōu)化研究，揭示了不同斷面尺寸條件下采礦進路開挖后圍巖變形特征及塑性區(qū)分布規(guī)律。結果表明，巷道高度的變化對頂板影響較小，寬度的變化對幫部影響較小，巷道斷面尺寸的變化均對底板影響較大；采礦進路最優(yōu)斷面尺寸為5.0 m×6.5 m。同時，提出了大斷面巷道錨網(wǎng)噴支護技術方案，在現(xiàn)場得到了良好的應用，為礦山安全生產提供了保障。

關鍵詞采礦進路錨網(wǎng)噴支護FLAC3D

目前對于采礦進路的研究主要為巷道斷面形狀、巷道支護參數(shù)優(yōu)化，而對于采礦進路斷面參數(shù)優(yōu)化方面的研究涉及較少，特別是大斷面軟巖采礦進路開挖后，圍巖自穩(wěn)能力差、變形量大，造成巷道變形破壞嚴重、支護成本高、掘進速度慢，極大地影響了礦井的生產效率。李桂臣等對高地應力巷道斷面形狀進行了優(yōu)化分析，提出了巷道支護的“等效開挖”理念和“無效加固區(qū)”的概念[1]；孟慶彬等開展了深部高應力軟巖巷道斷面形狀優(yōu)化數(shù)值模擬研究，根據(jù)側壓力系數(shù)的大小及主應力方向，確定了圓形、橢圓形為深部高應力巷道最優(yōu)斷面形狀[2]；邢軍等對采場巷道進路斷面形狀和尺寸進行了優(yōu)化分析，認為合理的斷面形狀為六邊形，最優(yōu)進路尺寸參數(shù)為3.5 m×3.5 m×60 m(寬×高×長)[3]；汪偉等選擇了不同形狀的巷道斷面進行分析，發(fā)現(xiàn)了斷面形狀的不同對巷道支護效果有著非常大的影響[4]；馮偉等選取了6種常用采區(qū)巷道斷面形狀進行數(shù)值模擬分析，結果表明直墻半圓拱形巷道變形量最小，且加設反拱后對于減少底鼓量效果明顯[5]。有關專家學者針對軟巖巷道支護技術進行了理論分析、相似模擬實驗、數(shù)值模擬計算及現(xiàn)場試驗，取得了一系列研究成果，解決了許多理論及工程關鍵技術難題[6-10]。

和睦山鐵礦采礦進路處于軟弱巖層中，其主要特征是極軟弱、松散和破碎，且軟化和礦體粉化現(xiàn)象明顯，使得圍巖的力學特性顯著降低和弱化，在采動影響下巷道后期變形破壞嚴重。基于此，本文采用FLAC3D數(shù)值模擬揭示不同斷面尺寸條件下采礦進路開挖后圍巖變形特征及塑性區(qū)分布規(guī)律，并針對大斷面巷道支護難題，提出合理的支護設計，為和睦山鐵礦充填采礦提供技術支持。

1采礦進路斷面尺寸優(yōu)化數(shù)值模擬分析

1.1模型及參數(shù)

采礦進路斷面為三心拱形,選取斷面尺寸(b×h)分別為7.0 m×7.0 m、6.0 m×7.0 m、6.0 m×6.5 m、6.0 m×6.0 m、6.0 m×5.5 m、6.0 m×5.0 m、5.0 m×6.5 m、5.5 m×6.5 m、6.5 m×6.5 m、7.0 m×6.5 m、7.5 m×6.5 m、8.0 m×6.5 m，模型尺寸為60 m×60 m×60 m(長×寬×高)。限制模型左右前后底面的位移，頂面為應力邊界，根據(jù)巷道埋深施加均布荷載，模擬上覆巖層自重P，在初始地應力場的平衡后初始化位移值。計算模型見圖1，圍巖體物理力學參數(shù)見表1。本模型計算采用Mohr-Coulomb屈服準則，深入揭示不同斷面尺寸條件下采礦進路開挖后圍巖變形特征及塑性區(qū)分布規(guī)律，以確定最優(yōu)斷面尺寸。

1.2數(shù)值模擬結果及分析

1.2.1巷道圍巖塑性區(qū)分布

巷道開挖后，引起巷道圍巖一定范圍內的應力重新分布，并且應力分布不均勻，應力不斷地從巷道周邊向圍巖深部轉移，在兩幫形成較高的應力集中，不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖塑性區(qū)分布見圖2，不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖塑性區(qū)最大破壞深度見圖3。

由圖2、圖3可知，采礦進路圍巖頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生明顯的破壞，在斷面寬度一定的條件下，隨著巷道高度的增加，拱腳的剪切破壞開始逐漸向深部及其他部位延伸，巷道底板和幫部破壞范圍增加。當斷面寬度為6.0m時，隨著巷道高度從5.0m增加到7.0 m，頂板最大破壞深度從2.023 m增加到2.204 m，增幅約8.95%；幫部最大破壞深度從1.799 m 增加到2.893 m，增幅約60.81%；底板最大破壞深度從1.466 m增加到2.303 m，增幅約57.10%。在斷面高度一定的條件下，隨著巷道寬度增加，巷道頂?shù)装?、幫部塑性區(qū)深度都呈現(xiàn)明顯的增大趨勢。在斷面高度為6.5 m時，隨著寬度從5.0 m增加到8.0 m，頂板最大破壞深度從1.751 m 增加到3.020 m，增幅約72.47%；幫部最大破壞深度從2.368 m增加到3.111 m，增幅約31.38%；底板最大破壞深度從1.675 m增加到2.848 m，增幅約70.03%。采礦進路圍巖幫部破壞范圍比頂?shù)装宕螅渲许敯搴偷装宓乃苄詤^(qū)增大速率最大，破壞逐漸加劇。

圖1　數(shù)值計算模型

巖樣名稱密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內摩擦角/(°)抗拉強度/MPa礦體279050.280.925.20.72圍巖26502.10.251.228.61.5

圖2　不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖塑性區(qū)分布特征

圖3　不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖塑性區(qū)

1.2.2巷道圍巖變形特征

巷道開挖后應力釋放，圍巖沿開挖自由面產生不同程度的位移。為了分析研究不同斷面尺寸條件下采礦進路開挖后圍巖變形特征，分別在巷道的頂板、底板和幫部布置監(jiān)測點，不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖的最大垂直及水平位移量見表2，不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖位移演化規(guī)律見圖4。

表2　不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖

圖4　不同斷面尺寸條件下采礦進路圍巖位移演化規(guī)律

從表2及圖4可以看出，采礦進路開挖后圍巖最大豎直位移發(fā)生在頂?shù)装逯醒?，最大水平位移產生于兩幫中央，圍巖幫部最大水平位移量小于頂?shù)装遄畲筘Q向位移量。在斷面寬度為6.0 m時，隨著巷道高度從5.0 m增加到7.0 m，頂板最大下沉量從269.70 mm增加到305.55 mm，增幅約13.29%；幫部最大變形量從197.90 mm增加到296.39 mm，增幅約49.77%；底板最大底鼓量基本保持在276.10 mm 左右。在斷面高度為6.5 m時，隨著寬度從5.0 m增加到8.0 m，頂板最大下沉量從242.72 mm 增加到380.25 mm，增幅約56.66%；幫部最大變形量從246.56 mm增加到278.09 mm，增幅約12.79%；底板最大底鼓量從248.21 mm增加到324.46 mm，增幅約30.72%。綜合比較而言，在能滿足正常生產的條件下，選擇尺寸為5.0 m×6.5 m的斷面更有利于采礦進路圍巖的自穩(wěn)。

2大斷面巷道支護設計

針對大斷面巷道支護難題，采用高性能預應力錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋托梁和噴射混凝土組成的錨網(wǎng)噴支護方案。預應力錨桿能夠保證淺部圍巖形成初步的錨固結構，控制巷道圍巖整體變形；噴射混凝土能及時封閉圍巖表面，隔絕空氣、水與圍巖的接觸，有效防止風化、潮解引起的圍巖破壞與剝落，減少圍巖強度的損失；鋼筋網(wǎng)能維護錨桿間比較破碎的巖石，防止巖塊的掉落，提高錨桿支護的整體效果，抵抗錨桿間破碎巖塊的碎脹壓力，提高支護結構對圍巖的支承能力；托梁可將若干錨桿連在一起形成組合作用，托梁的一定剛度可使錨桿之間的松散巖體保持完整。

錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×1 800 mm，間排距為700 mm×800 mm，桿體采用BHRB400左旋無縱筋螺紋鋼筋。錨桿孔直徑為28 mm，采用一卷快速2350型和一卷中速2350型樹脂藥卷加長錨固，錨固長度不少于800 mm，錨固力不低于100 kN，預緊力不低于50 kN(一般可選擇錨桿預緊力為桿體屈服載荷的30%～50%，φ20 mm錨桿的設計預緊力為50.24 kN)。托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm。

鋼筋托梁采用φ14 mm螺紋鋼焊接而成，拱頂托梁規(guī)格為2 600 mm×80 mm，幫部托梁規(guī)格為2 200 mm×80 mm，在安裝錨桿位置各焊接2段縱筋，間距為50 mm。兩相鄰的鋼筋托梁搭接，利用錨桿壓緊搭接的2根鋼筋托梁。

鋼筋網(wǎng)采用φ6 mm螺紋鋼焊接，網(wǎng)片規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片搭接長度為100 mm，搭接處用雙股8#鐵絲雙排扣綁扎連接，必須用鋼筋托梁和錨桿壓緊。

噴射混凝土強度等級為C25，配合比為1∶2∶2，摻入3%～5%速凝劑，噴層厚度為100 mm，要覆蓋住錨桿托盤。頂幫錨網(wǎng)噴支護結構見圖5。

圖5　錨網(wǎng)噴支護結構(單位：mm)

在錨網(wǎng)噴支護現(xiàn)場實施過程中，對井下采礦進路圍巖收斂變形進行了監(jiān)測(圖6)。結果表明，采用優(yōu)化斷面與錨網(wǎng)噴支護后，采礦進路圍巖收斂變形量為32～42 mm，有效地控制了大斷面采礦進路圍巖的變形與破壞，保證了掘進效率與施工安全，為礦山高效回采提供了保障。

3結論

(1)在斷面寬度一定時，隨著巷道高度增加，拱腳的剪切破壞開始逐漸向深部及其他部位延伸，巷道底板和幫部破壞范圍明顯增大。在斷面高度一定時，隨著巷道寬度增加，巷道頂?shù)装?、幫部塑性區(qū)深度都呈現(xiàn)明顯的增大趨勢。巷道幫部破壞范圍比頂?shù)装宕?，頂板和底板的塑性區(qū)增大速率最大，破壞逐漸加劇。

圖6　采礦進路圍巖收斂變形監(jiān)測曲線

(2)巷道開挖后圍巖最大豎直位移發(fā)生在頂?shù)装逯醒?，最大水平位移產生于兩幫中央，圍巖幫部最大水平位移量小于頂?shù)装遄畲筘Q向位移量。在能滿足正常生產的條件下，選擇尺寸為5.0 m×6.5 m的斷面更有利于采礦進路圍巖的自穩(wěn)。

(3)針對大斷面巷道支護難題，提出采用高性能預應力錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋托梁和噴射混凝土聯(lián)合支護方案，有效地控制了大斷面采礦進路圍巖的變形與破壞，為礦山的安全高效回采提供了保障。

參考文獻

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(收稿日期2015-11-06)

李國平(1969—)，男，副總工程師，礦長，高級工程師，243102 安徽省馬鞍山市當涂縣太白鎮(zhèn)。