厲彥高

(浙江拓海建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

溝門金礦巷道原先采用的支護(hù)方式存在支護(hù)參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，造成巷道大面積暴露區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的三角冒落、局部片幫等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。針對(duì)該類問(wèn)題，溝門金礦分析研究確定了對(duì)應(yīng)的最佳支護(hù)方案。

1 礦體概況

溝門金礦分布于79～87線間，呈不規(guī)則透鏡狀、囊狀，礦體走向50°左右，傾向北西，傾角70°～85°，控制走向長(zhǎng)度6 600 m，平均厚度16.94 m。礦體在空間上受F1斷裂控制，上盤圍巖為粉砂質(zhì)板巖，夾雜絹云母綠泥石板巖，下盤為石英砂巖和粉砂質(zhì)板巖，巷道布置在上盤圍巖。[1]

2 礦區(qū)現(xiàn)有支護(hù)方式簡(jiǎn)介

溝門金礦圍巖主要為石英砂巖，夾粉砂質(zhì)板巖，穩(wěn)定性一般。目前現(xiàn)有支護(hù)方式主要有：①噴漿支護(hù)(見圖1a)，適用于圍巖穩(wěn)固、節(jié)理裂隙不發(fā)育區(qū)域；②錨桿加穿帶支護(hù)(見圖1b)，主要用于巖體穩(wěn)固性強(qiáng)、局部蝕變破碎區(qū)域，采取錨桿鋼帶加強(qiáng)支護(hù)；③錨網(wǎng)支護(hù)(見圖1c)，適用于巖石穩(wěn)固性一般、較為破碎區(qū)域；④U型鋼拱架支護(hù)，主要應(yīng)用于以上三種方式無(wú)法起到有效支護(hù)效果的極破碎圍巖巷道的加固。

(a)噴漿支護(hù) (b)錨桿加穿帶支護(hù) (c)錨網(wǎng)支護(hù)圖1 支護(hù)方式

溝門金礦現(xiàn)有支護(hù)方式存在支護(hù)參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，表現(xiàn)為節(jié)理裂隙交叉區(qū)域出現(xiàn)三角冒落、豎向節(jié)理面發(fā)育區(qū)域出現(xiàn)破壞片落，見圖2。尤其是在巷道拐角位置和交叉口位置，該類區(qū)域頂板暴露面積較大、圍巖應(yīng)力集中，巷道發(fā)生變形破壞現(xiàn)象更為明顯，變形后的巖體破碎、易風(fēng)化，常常導(dǎo)致巷道底角受壓破碎嚴(yán)重、頂幫大面積冒落等安全隱患。

圖2 部分巷道發(fā)生破壞

3 支護(hù)方式研究分析

3.1 噴漿支護(hù)作用原理探究

噴漿支護(hù)的作用包括封閉開挖圍巖表面、防止圍巖吸水風(fēng)化變形、圍巖表面與噴射混凝土的粘結(jié)加固、改善巷道圍巖整體強(qiáng)度等。噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度是關(guān)系到支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，依據(jù)國(guó)內(nèi)混凝土評(píng)定指標(biāo)和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，水泥：砂：石配合比為1：2：2，速凝劑摻量3%左右，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度值可達(dá)到23.2～26.7 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)16 MPa。噴層厚度是影響抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，一般最佳噴層厚度h=(0.025～0.033)B，B巷道跨度，h取值介于10～25 cm之間[2-4]。另外，噴層厚度的選定需考慮噴層的最大收斂變形值，其中素噴層、鋼筋網(wǎng)噴層、鋼纖維噴層的最大允許變形量分別為20、50、80 mm，素噴層厚度宜適當(dāng)減小，鋼纖維噴層厚度可適當(dāng)加大。

3.2 錨桿支護(hù)分析

錨桿支護(hù)主要適用于層狀頂板圍巖，錨桿支護(hù)利用錨桿的預(yù)應(yīng)力把若干個(gè)分層結(jié)合成一個(gè)分層，有效避免圍巖的離層片落問(wèn)題。松散圍巖受采動(dòng)影響，巷道的臨界阻力一般為0.3 MPa左右，而松散破碎圍巖內(nèi)錨桿的工作阻力僅有0.1～0.15 MPa，遠(yuǎn)小于巷道的臨界阻力，極易發(fā)生錨桿失效導(dǎo)致頂板冒落。

3.3 U型鋼拱架支護(hù)分析

U型鋼拱架通常都用于圍巖破碎、采動(dòng)影響強(qiáng)烈的巷道，U型鋼拱架實(shí)驗(yàn)室整架試驗(yàn)的特性曲線見圖3。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中U型鋼的承載能力較難全部發(fā)揮，以29 kg/m圓形可縮性支架為例，在均布載荷條件下斷面收縮率為19.8%方可達(dá)到最大承載能力1 550 kN，而巷道掘進(jìn)暴露初期變形量為17 cm時(shí)，鋼支架的初撐力僅可達(dá)到271 kN，為實(shí)驗(yàn)所得承載能力的17.5%。

1-拱形支架受集中載荷；2-拱形支架受均布載荷；3-圓形支架受均布載荷；4-拱形支架壁后充填均布載荷圖3 U型鋼拱架實(shí)驗(yàn)室整架試驗(yàn)的特性曲線

4 巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

溝門金礦按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的礦巖工程質(zhì)量指標(biāo)[RQD值]，在綜合考慮圍巖性質(zhì)、巷道斷面、服務(wù)年限等影響因素的基礎(chǔ)上，把巷道的圍巖級(jí)別分為5個(gè)級(jí)別(Ⅰ～Ⅴ級(jí)圍巖)[5]，對(duì)應(yīng)的RQD值見表1。巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)按照圍巖級(jí)別，利用FLAC3D軟件進(jìn)行相應(yīng)的建模分析。

表1 圍巖分級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)表

4.1 巷道圍巖變形的數(shù)值模擬

1)數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介。FLAC3D軟件將工程巖塊劃分成塑性離散的受力單元體，并建立八節(jié)點(diǎn)六面體的圍巖巖塊模型；再根據(jù)巖塊的實(shí)際受力情況設(shè)定受力參數(shù)、邊界參數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)，然后參考巷道巖塊的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行加載應(yīng)力；通過(guò)監(jiān)測(cè)分析巖體的彈塑性變形、材料屈服變形等圍巖變形過(guò)程得出巖塊的圍巖變性特征[6-8]。

2)圍巖巖塊模型的建立。設(shè)計(jì)選取巷道位于1 780 m水平，巷道斷面為2.5 m×2.5 m，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)。圍巖巖塊模型的建立如下：設(shè)定巖塊埋設(shè)深度300 m，巷道模型計(jì)算長(zhǎng)度范圍為80 m，巷道斷面方向監(jiān)測(cè)分為30 m×30 m，監(jiān)測(cè)網(wǎng)格精度為10 mm×10 mm，共劃分為14.28萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

3)物理模型設(shè)定及初始計(jì)算。根據(jù)溝門金礦該水平巷道的地應(yīng)力分布狀態(tài)賦予模型原始地應(yīng)力參數(shù)，記錄巷道開挖后的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)見表2，X方向和Z方向最大位移云圖見圖4。開挖后巷道兩幫應(yīng)力<17.3 MPa、最大位移13.4 mm，頂板應(yīng)力<22.1 MPa、最大位移15.2 mm。表明頂板受力較大、產(chǎn)生的塑性變形較大，巷道兩幫和頂板的受力不平衡。

表2 巷道開挖無(wú)支護(hù)狀態(tài)計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖4 X方向和Z方向最大位移云圖

4.2 錨桿參數(shù)的優(yōu)化

結(jié)合礦山實(shí)際情況，巷道采用管縫式錨桿進(jìn)行支護(hù)，故按照管縫式錨桿分析對(duì)比。在實(shí)施錨桿支護(hù)之前預(yù)先進(jìn)行噴射混凝土封閉巖體，噴層厚度6 cm。托盤尺寸、錨桿直徑對(duì)支護(hù)效果的影響與錨桿網(wǎng)度、錨桿長(zhǎng)度相比可以忽略不計(jì)，但是托盤尺寸、錨桿直徑兩個(gè)參數(shù)對(duì)鋼材用量影響較大，鑒于以上原因錨桿直徑統(tǒng)一采用直徑40 mm型，錨桿托盤統(tǒng)一選用12 cm×12 cm×6 mm型。

1)錨桿參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。錨桿支護(hù)參數(shù)：采用管縫式錨桿(參數(shù)如下：屈服力114 kN、破斷力171 kN、延伸率為21.3%、彈性模量214 GPa)，采用方形布置方式。試驗(yàn)分組包括9組，網(wǎng)度分為1 m×1 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m三種方式，錨桿長(zhǎng)度分為1.8、2.0、2.2 m三種方式，F(xiàn)LAC3D軟件根據(jù)9種不同參數(shù)進(jìn)行模擬，并監(jiān)測(cè)模擬巷道的頂幫位移變形情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3和圖5。

表3 不同參數(shù)方案試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

圖5 錨桿參數(shù)優(yōu)化方案對(duì)比

2)錨桿參數(shù)分析優(yōu)化。依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制錨桿參數(shù)優(yōu)化方案對(duì)比圖見圖5。分析表明：方案1對(duì)應(yīng)的兩幫位移變形最小，方案4對(duì)應(yīng)的頂板位移沉降最小，方案7用鋼量最少、最為經(jīng)濟(jì)，但是方案7的頂幫變形較大，對(duì)頂幫變形的支護(hù)效果不足。設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，宜選擇方案1或者方案4，錨桿直徑40 mm、長(zhǎng)度1.8 m、網(wǎng)度為1 m×1 m或者1.5 m×1.5 m。

4.3 巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)選擇

通過(guò)溝門金礦1 780 m水平不同圍巖性質(zhì)(圍巖級(jí)別Ⅱ～Ⅳ級(jí))和不同巷道斷面進(jìn)行的模擬分析對(duì)比，得出的最優(yōu)支護(hù)設(shè)計(jì)方案見表4。在實(shí)際生產(chǎn)工作中，結(jié)合礦山的實(shí)際條件以及經(jīng)濟(jì)合理優(yōu)化原則，對(duì)不同圍巖巷道進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化。

表4 不同圍巖級(jí)別巷道最優(yōu)支護(hù)設(shè)計(jì)方案

5 破碎巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于圍巖級(jí)別為V級(jí)的巖體，巖體較為破碎且強(qiáng)度低，采取噴錨網(wǎng)支護(hù)難于控制頂幫變形破壞，須采用鋼支架進(jìn)行支護(hù)。為了保證施工安全并形成整體的穩(wěn)定性，需進(jìn)行噴漿預(yù)支護(hù)，噴漿厚度不小于100 mm。

本模型選取巷道斷面積2.5 m×2.5 m，采用U型鋼支架進(jìn)行支護(hù)，U型鋼支架抗壓強(qiáng)度215 MPa，選用間距為0.5、1.0、1.5、2、2.5m進(jìn)行模擬分析對(duì)比，鋼支架支護(hù)模擬變形統(tǒng)計(jì)見表5。數(shù)據(jù)分析表明：①U型鋼支架的支護(hù)效果明顯，有效控制了圍巖的變形量，并且隨著U型鋼支架的間距的縮小，其支護(hù)效果作用更加顯著；②U型鋼支架對(duì)頂板位移的控制效果明顯優(yōu)于兩幫；③U型鋼支架間距為1.5 m時(shí)，X方向位移和Z方向位移均小于10 mm，起到了較為理想的支護(hù)效果。由此得出溝門金礦Ⅴ級(jí)圍巖(巷道斷面2.5 m×2.5 m)的最佳支護(hù)方案：噴射C30混凝土100 mm封閉裸露巖體+間距為1.5 m的U型鋼支架支護(hù)方式。

表5 鋼支架支護(hù)模擬變形統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語(yǔ)

1)明確了溝門金礦不同圍巖性質(zhì)(支護(hù)級(jí)別Ⅱ～Ⅳ級(jí))，須根據(jù)不同巷道斷面、圍巖級(jí)別確定噴漿厚度、錨桿網(wǎng)度等支護(hù)參數(shù)，并分析給出最優(yōu)支護(hù)方案。

2)針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖(以2.5 m×2.5 m巷道為例)支護(hù)方案宜采用噴射混凝土+鋼支架聯(lián)合支護(hù)方式，揭露頂幫預(yù)噴C30混凝土100 mm實(shí)現(xiàn)對(duì)裸露巖體的封閉，再選用U型鋼支架進(jìn)行支護(hù)，鋼支架設(shè)計(jì)間距1.5 m。