劉海昭

（西部黃金伊犁有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835100）

西部黃金伊犁有限責(zé)任公司阿希金礦的礦體穩(wěn)固性一般，下盤圍巖穩(wěn)固性差，特別是下盤圍巖有一F2構(gòu)造帶，遇水易泥化、膨脹，巷道有明顯的低壓顯現(xiàn)，采場底部結(jié)構(gòu)也有嚴(yán)重垮落現(xiàn)象。以阿希金礦的實(shí)際條件為例，通過數(shù)值模擬分析，提出軟破巖體采場底部結(jié)構(gòu)的有效支護(hù)方法。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

1.1 采場及底部結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦山實(shí)際情況，礦體模型按照50 m劃分一個(gè)階段，一個(gè)階段劃分為4個(gè)分段。模型包含四個(gè)采場，兩套底部結(jié)構(gòu)，分析其中一個(gè)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的模型采場高度為50 m，沿走向跨度10 m，垂直走向長度12 m，傾角70°，埋深400 m。兩個(gè)采場共用一個(gè)底部結(jié)構(gòu)，底部結(jié)構(gòu)包含一條出礦穿脈和四條出礦進(jìn)路，出礦穿脈垂直于礦體的走向，出礦進(jìn)路與出礦穿脈之間的夾角為45°，出礦進(jìn)路由出礦穿脈出發(fā)一直聯(lián)通至集礦塹溝拉底巷道。出礦進(jìn)路之間的間距為7 m，斷面尺寸為3 m×2.8 m，為三心拱形狀。采場底部結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 底部結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護(hù)單元

圖1 采場底部結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型

首先安裝管縫錨桿和金屬網(wǎng)，再安裝樹脂錨桿、雙筋條和螺紋鋼，最后噴射混凝土。使用在巷道內(nèi)表面建立一層具有一定厚度并覆有金屬材料的薄層來模擬出礦進(jìn)路末端的U型鋼拱架。模型樹脂錨桿的網(wǎng)度為1 m×1 m，長度1.6 m，管縫式錨桿網(wǎng)度為1 m×1 m，長度2 m，錨索網(wǎng)度為3 m×3 m，長度8 m，噴射混凝土厚度為10 cm，U型鋼拱架在出礦進(jìn)路末端，長度為2 m。

1.3 巖體力學(xué)特性和模擬支護(hù)參數(shù)

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果分析

2.1 支護(hù)方案

2.1.1 方案一（噴漿支護(hù)）

方案一：采用礦山現(xiàn)有的噴漿料及設(shè)備，對巷道進(jìn)行噴漿支護(hù)，噴漿厚度10 cm。

2.1.2 方案二（管縫式錨桿+金屬網(wǎng)片+噴漿支護(hù)）

方案二：使用現(xiàn)有的1.6 m管縫式錨桿、Φ4 mm鋼筋點(diǎn)焊式金屬網(wǎng)片（規(guī)格1 m×2 m）、15 cm×15 cm墊片，長度1.6～1.7 m，網(wǎng)度1 m×1 m。安裝示意 圖如圖2所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

圖2 管縫式錨桿+金屬網(wǎng)片支護(hù)圖和管縫式錨桿+雙筋條支護(hù)安裝示意圖

2.1.3 方案三（樹脂+雙筋條+螺紋鋼+噴漿支護(hù)）

方案三：材料：螺紋鋼Φ18 mm、長度2 m；15 cm×15 cm墊片、螺帽；樹脂：直徑 Φ28 mm、長度 50 cm；雙筋條：直徑Φ10 mm、長度4 m，樹脂錨桿長度2～2.1 m，網(wǎng)度1 m×1 m。安裝示意圖如圖3所示。

三種支護(hù)方式及參數(shù)見表2。

圖3 樹脂+雙筋條+螺紋鋼+噴漿支護(hù)圖和安裝示意圖

表2 三種支護(hù)方式及參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 三種支護(hù)方案模擬結(jié)果對比分析

“念到您現(xiàn)在所肩的責(zé)任的重大，我便連孺慕之思都不敢道及，希望您能原諒我，只要您知道我是真心敬慕您，我便夠快活的了?！?/p>

三種支護(hù)方案模擬結(jié)果對比分析如圖4和圖5所示。

上述三種方案的支護(hù)效果均不理想，綜合分析可知在下盤出礦進(jìn)路內(nèi)采用單一的支護(hù)方式不能保證巷道的穩(wěn)定性，故考慮結(jié)合以上三種支護(hù)的優(yōu)勢，采用聯(lián)合支護(hù)的方式。聯(lián)合支護(hù)的流程如圖6所示。

在出礦進(jìn)路的聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)上增加了一個(gè)U型鋼拱架支護(hù)是為了防止出礦進(jìn)路靠近拉底巷道一側(cè)的巷道因礦石砸落而發(fā)生的破壞。具體設(shè)計(jì)如下：

在完成第二步后，待巷道變形到一定程度后對出礦進(jìn)路在距拉底巷2 m內(nèi)采用U鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，主要確保出礦進(jìn)路長度，減少采場殘余礦量。鋼拱架密度0.5 m一架，鋼拱架規(guī)格2.8 m×2.7 m。

圖4 三種方案的垂直和水平位移量

圖5 三種方案的壓應(yīng)力、安全系數(shù)和塑性區(qū)體積

圖6 下盤出礦進(jìn)路和出礦穿脈聯(lián)合支護(hù)流程圖

2.2.2 聯(lián)合支護(hù)方案模擬結(jié)果分析

2.2.2.1 豎直位移監(jiān)測結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，及在巷道頂板設(shè)置監(jiān)測線，獲得以下H1出礦穿、H2、H3、H4和H5監(jiān)測線上的豎直位移變化情況，如圖7所示。

H1巷道隨距離增加頂板向下的位移逐漸增加，在15 m的時(shí)候達(dá)到最大，此位置正好是出礦穿脈與下盤出礦進(jìn)路的連接部位。在H5巷道開挖完成之后，出礦穿脈的位移達(dá)到最大的2 mm左右。同時(shí)在H2、H3、H4巷道內(nèi)距離出礦穿脈的15 m的位置出現(xiàn)最大位移。整體來看各條巷道的位移量非常小，說明聯(lián)合支護(hù)對巷道的位移起到很好的控制效果，巷道的穩(wěn)定性良好［1］。

圖7 巷道頂板豎直位移

2.2.2.2 拉應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，以及在巷道頂板設(shè)置監(jiān)測線，獲得以下H1、H2、H3、H4和H5監(jiān)測線上的最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）變化情況，如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)表示監(jiān)測線上此監(jiān)測點(diǎn)距離起點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)代表最大主應(yīng)力也就是最大拉應(yīng)力。

圖8 巷道頂板最大主應(yīng)力

從圖8中可以看出H1巷道的最大主應(yīng)力為1 MPa，出現(xiàn)在一步驟采場回采完成時(shí)，距離起點(diǎn)12.5 m處的位置。H2巷道拉應(yīng)力最大值為1 MPa，出現(xiàn)在一步驟采場回采結(jié)束時(shí)，距離出礦穿脈4 m處的位置。H3巷道拉應(yīng)力最大值為1 MPa左右，同樣出現(xiàn)在一步驟采場回采結(jié)束后距離出礦穿脈6 m處的位置。H4和H5巷道拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在二步驟采場回采結(jié)束后與出礦穿脈的交叉位置。綜上所述，拉應(yīng)力的最大值基本上為1 MPa左右，對圍巖的穩(wěn)定性夠不成威脅，但為了保持更好的穩(wěn)定性，仍需在出礦穿脈巷道與下盤出礦進(jìn)路交叉位置加強(qiáng)支護(hù)。一步驟采場的出礦進(jìn)路在巷道的中部位置加強(qiáng)支護(hù)，而對于二步驟采場的出礦進(jìn)路，需在與出礦穿脈交叉的位置加強(qiáng)支護(hù)，且在礦房回采過程中及時(shí)監(jiān)控巷道這些位置的應(yīng)力情況［2］。

2.2.2.3 壓應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，及在巷道頂板設(shè)置監(jiān)測線，獲得以下H1、H2、H3、H4和H5監(jiān)測線上的最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）變化情況，如圖9所示。圖中橫坐標(biāo)表示監(jiān)測線上此監(jiān)測點(diǎn)距離起點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)代表最小主應(yīng)力也就是最大壓應(yīng)力，此處的“-”代表應(yīng)力的方向，不代表大小。

從圖9中可以看出H1巷道的中部位置巷道的壓應(yīng)力基本為0，反而在起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力達(dá)到9MPa左右。H2巷道在終點(diǎn)位置即靠近出礦穿脈的位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，達(dá)到7 MPa。H3巷道在靠近出礦穿脈的位置同樣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，達(dá)到11 MPa。H4巷道卻在距離起點(diǎn)2 m的位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力13 MPa。H5巷道在終點(diǎn)位置也就是靠近拉底巷道的位置出現(xiàn)最大壓應(yīng)力9 MPa。同時(shí)最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在本條巷道開挖之后的那一個(gè)時(shí)間，但因巷道采用聯(lián)合支護(hù)的方式，應(yīng)力已經(jīng)得到充分釋放，內(nèi)部殘存的應(yīng)力不明顯，故巷道保持良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

1.通過三種支護(hù)方案的對比分析可得：管縫錨桿+噴漿支護(hù)的位移控制效果最好，樹脂錨桿在綜合控制巷道穩(wěn)定性方面效果最好，但基本上不能控制巷道位移。方案三脈內(nèi)巷道兩側(cè)圍巖的安全系數(shù)基本上大于1，表明方案三能保證圍巖情況良好的脈內(nèi)出礦進(jìn)路的穩(wěn)定性。

2.一步驟采場出礦進(jìn)路拉壓應(yīng)力最大達(dá)到0.698 MPa和 17 MPa，左右側(cè)直墻最大位移為1.008 mm和1.267 mm，巷道之間的礦柱內(nèi)基本無塑性區(qū)，剪切塑性破壞區(qū)也顯著減少，出礦進(jìn)路的安全系數(shù)均在1以上，表明聯(lián)合支護(hù)維護(hù)了該底部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3.出礦穿最大拉壓應(yīng)力達(dá)到0.404 MPa和13 MPa，頂?shù)装宄霈F(xiàn)5.266 mm和2.067 mm位移，出現(xiàn)在巷道的地板和上部三角形礦柱內(nèi)，在巷道交叉面左側(cè)圍巖內(nèi)出現(xiàn)少量壓應(yīng)力集中區(qū)域。對比可知，加上錨桿支護(hù)以后，降低了巷道圍巖內(nèi)的位移和顯著減小了塑性區(qū)的范圍，表明加上錨桿的聯(lián)合支護(hù)可以維護(hù)出礦穿的整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的穩(wěn)定性［3］。