田全虎，和學衡，許衛(wèi)軍，王能躍，彭 偉

(1.貴州錦豐礦業(yè)有限公司； 2.北京科技大學土木與資源工程學院)

引 言

在地下礦床開采過程中，隨著開采深度的增加,地壓顯現(xiàn)越明顯，地應(yīng)力越高，對巷道支護的要求也越來越高[1]。貴州錦豐礦業(yè)有限公司(下稱“錦豐金礦”)淺部地應(yīng)力相對較低，前期采用的管縫錨桿+鋼網(wǎng)及后期采用的纖維濕噴混凝土+管縫錨桿、樹脂錨桿能夠滿足支護需要。但是，隨著開采深度的增加，地壓也逐步增加，原有的支護方式及支護參數(shù)難以滿足深部高地應(yīng)力巷道支護需求，很多巷道出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象[2]。

數(shù)值模擬分析相對于理論本構(gòu)模型計算而言，模型構(gòu)建更簡單、計算精簡，并且結(jié)果呈現(xiàn)更直觀，因此在巷道塌陷、開挖及支護設(shè)計優(yōu)化中，有更加廣泛的應(yīng)用[3]。劉曉明等[4]提出將Surpac與Phase2耦合構(gòu)建數(shù)值計算模型，實現(xiàn)了對冬瓜山銅礦采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析；郭平等[5]采用Flac3D軟件構(gòu)建數(shù)值計算模型對深部巷道支護方案進行優(yōu)化設(shè)計，解決了打通一礦W2710運輸巷道埋深大、圍巖強度低、巷道變形嚴重、支護成本高等問題；韓斌等[6]采用Flac3D軟件構(gòu)建數(shù)值計算模型，實現(xiàn)了對金川二礦區(qū)多中段機械化盤區(qū)回采順序的優(yōu)化;肖猛等[7]通過有限差分法(Flac3D)對圍巖變形、破壞過程進行分析，研究了巖體支護前后圍巖變形及應(yīng)力狀態(tài),對巷道圍巖的穩(wěn)定性和初級支護結(jié)構(gòu)的安全性作出了綜合評判；王連國等[8]采用大型有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS,對深部軟巖巷道錨注支護前后圍巖變形破壞規(guī)律進行了數(shù)值模擬,對錨注支護前后圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化情況等進行了系統(tǒng)分析,證明了錨注支護可以顯著提高圍巖的強度和承載能力,且能有效控制深部軟巖巷道的損傷變形。此外，還有許多國內(nèi)外學者運用各類數(shù)值模擬軟件針對礦山實際問題進行了大量的研究[9-12]。

Flac3D軟件是基于拉格朗日差分法的三維分析軟件，它能將某個動態(tài)質(zhì)點在受力過程中的應(yīng)力變化、速度變化等描述出來，直觀呈現(xiàn)模擬材料的塑性區(qū)變化、材料屈服及大變形等，是研究力學數(shù)值計算的工具之一[13-14]。針對錦豐金礦深部開采巷道支護問題，本文提出了3種支護方案，采用Flac3D軟件進行數(shù)值模擬分析，確定了最佳支護方案，并結(jié)合現(xiàn)場試驗對模擬結(jié)果進行驗證，證明了模擬結(jié)果的準確性，為同類型礦山巷道支護方案的選擇提供參考。

1 工程背景

錦豐金礦位于貴州省黔西南自治州貞豐縣境內(nèi)，屬于典型的斷控型卡林金礦，其礦床規(guī)模已達超大型，礦體主要賦存于控礦斷層F3、F2及F6破碎帶內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)出露地層主要有中三疊統(tǒng)邊陽組、尼羅組和許滿組，邊陽組以灰色薄至中厚層狀、厚層狀(少許塊狀)細砂巖、粉砂巖、雜砂巖為主，夾灰色薄至中厚層狀黏土巖，是礦區(qū)的主要賦礦地層。礦體走向長約1 100 m，寬12～60 m，垂向延伸超過1 000 m，礦體傾角較陡，為48°～86°[15]。

隨著礦山由淺部轉(zhuǎn)向深部開采，地應(yīng)力也隨之增大，礦山開采不僅會出現(xiàn)巷道變形、片幫底鼓、冒頂?shù)葐栴}(見圖1)，甚至存在巖爆的安全隱患。

圖1 巷道兩幫及頂板破壞

2 巷道支護方案

錦豐金礦主斜坡道支護原設(shè)計方案為：混凝土+錨桿支護(管縫錨桿/樹脂錨桿)+鋼網(wǎng)(見圖2)。巷道設(shè)計為三心拱形；頂板每排5根φ25 mm×2 400 mm樹脂錨桿，錨桿間距1 200 mm，排距1 500 mm，鉆孔直徑35 mm；兩幫各3根φ47.5 mm×2 400 mm管縫式錨桿，錨桿間距1 200 mm，排距1 200 mm；全斷面噴厚75 mm纖維混凝土，掛網(wǎng)區(qū)域再噴厚25 mm纖維混凝土。

圖2 主斜坡道支護原設(shè)計方案示意圖

針對錦豐金礦井下深部支護存在的問題，提出了3種新的支護方案，分別為：

1)方案一。隨著開采深度的變化，深部巖體發(fā)生變化，原支護方案不能滿足較深水平支護強度，故在原支護方案設(shè)計基礎(chǔ)上進行更改，得到方案一(斜坡道90～-30 m RL斷面支護設(shè)計，見圖3)：①樹脂錨桿。φ25 mm×2 400 mm，錨桿間距1 100～1 200 mm，排距1 500 mm，鉆孔直徑35 mm，孔深2.35 m。②管縫式錨桿。φ47.5 mm×2 400 mm，錨桿間距1 900 mm，最后一排管縫式錨桿純水泥注漿。③鋼網(wǎng)。鋼網(wǎng)網(wǎng)格100 mm×100 mm，直徑為5 mm。④混凝土強度30 MPa。

圖3 斜坡道90～-30 m RL斷面支護

2)方案二。鋼網(wǎng)+樹脂錨桿+纖維混凝土支護(見圖4)。巷道設(shè)計為三心拱形；頂板每排5根φ25 mm×2 400 mm樹脂錨桿，間距1 100 mm，排距1 100 mm；兩幫各4根φ25 mm×2 400 mm樹脂錨桿，間距1 100 mm，排距1 100 mm；全斷面布置100 mm×100 mm鋼網(wǎng)；全斷面噴厚60 mm纖維混凝土，掛網(wǎng)后再噴厚40 mm纖維混凝土。

圖4 鋼網(wǎng)+樹脂錨桿+纖維混凝土支護

3)方案三。鋼網(wǎng)+注漿管縫式錨桿+纖維混凝土支護(見圖5)。巷道設(shè)計為三心拱形；頂板每排5根φ47.5 mm×2 400 mm注漿管縫式錨桿(非鍍鋅)，間距1 100 mm，排距1 100 mm；兩幫各4根φ47.5 mm×2 400 mm 注漿管縫式錨桿(非鍍鋅)，間距1 100 mm，排距1 100 mm；全斷面布置100 mm×100 mm鋼網(wǎng)；全斷面噴厚60 mm纖維混凝土，掛網(wǎng)后再噴厚40 mm纖維混凝土。

圖5 鋼網(wǎng)+注漿管縫式錨桿+纖維混凝土支護

3 數(shù)值模型建立與分析

3.1 力學參數(shù)

本文主要采取Hoek-Brown-GSI分類方法計算公式，結(jié)合各種參數(shù)，得到巖體自身強度的估算值，其力學參數(shù)見表1。

表1 力學參數(shù)

3.2 支護參數(shù)

根據(jù)巷道支護方案得到不同支護形式錨桿種類及參數(shù)，見表2。

表2 不同支護形式錨桿種類及參數(shù)

查詢殼單元對應(yīng)的材料力學參數(shù)，對模擬中的混凝土和鋼網(wǎng)進行賦值計算，得到其材料屬性參數(shù)見表3～5。

表3 噴射混凝土+鋼網(wǎng)參數(shù)

表4 樹脂錨桿材料屬性參數(shù)

表5 不同管縫式錨桿材料屬性參數(shù)

3.3 模型建立

對于錦豐金礦深部巷道，擬選用當下最大埋深490 m(巷道標高90 m，坑口標高580 m)處掘進斜坡道巷道工作面為研究對象，依據(jù)礦區(qū)90 m斜坡道建立的模型，模型主要參數(shù)有：模擬范圍取10 m×35 m×35 m(長×寬×高)，巷道形狀為拱形，大小為5.0 m×5.5 m，根據(jù)圍巖位移量和塑性區(qū)體積變化特點，采用摩爾-庫侖模型建立圍巖模型(見圖6)。

圖6 圍巖模型

3.4 深部巷道支護模擬結(jié)果及分析

各開挖支護方案模擬結(jié)果見表6。

表6 各開挖支護方案模擬結(jié)果

各方案支護條件下塑性區(qū)體積量和巷道的最大位移量結(jié)果見表7和表8。由表7、表8可知：

1)原方案支護情況下，巷道兩幫最大位移量為8.63 cm，其中巷道兩幫周邊位移量較大，并且巷道兩幫位移量分布在水平方向上呈對稱分布；巷道頂板下沉最大位移量為10.55 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道頂板部位，巷道頂板位移量在豎直方向上呈對稱分布；巷道頂板及兩幫都存在不同程度的塑性破壞，塑性區(qū)總體積為12 751.239 m3。

表7 各方案支護條件下塑性區(qū)體積量統(tǒng)計

表8 不同方案支護條件下巷道的最大位移量

2)方案一支護條件下，巷道兩幫最大位移量為6.53 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道兩幫周邊靠上部位，

巷道兩幫位移量在水平方向上呈對稱分布。巷道頂板下沉最大位移量為5.288 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道頂板部位，巷道頂板位移量在豎直方向上呈對稱分布。巷道頂板及兩幫都存在不同程度的塑性破壞，塑性區(qū)總體積為12 703.317 m3。

3)方案二支護條件下，巷道兩幫最大位移量為5.278 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道兩幫周邊靠上部位，巷道兩幫位移量在水平方向上呈對稱分布。巷道頂板下沉最大位移量為2.335 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道頂板部位，巷道頂板位移量在豎直方向上呈對稱分布。巷道頂板及兩幫都存在不同程度的塑性破壞，塑性區(qū)總體積為12 675.069 m3。

4)方案三支護條件下，巷道兩幫最大位移量為5.617 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道兩幫周邊中間部位，巷道兩幫位移量在水平方向上呈對稱分布。巷道頂板下沉最大位移量為2.78 cm，其中位移較大區(qū)域為巷道頂板部位，巷道頂板位移量在豎直方向上呈對稱分布。巷道頂板及兩幫都存在不同程度的塑性破壞，塑性區(qū)總體積為12 679.227 m3。

綜上所述，通過Flac3D軟件的數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，支護方案一、二、三相對于原方案的支護效果均有一定提升，巷道兩幫最大位移量相較于原方案分別減少了24 %、39 %、35 %；頂板下沉最大位移量分別減少了50 %、78 %、74 %。通過數(shù)據(jù)比較可知，采用鋼網(wǎng)+樹脂錨桿+纖維混凝土(方案二)進行支護，可以最有效地控制巷道變形；鋼網(wǎng)+注漿管縫式錨桿+纖維混凝土(方案三)也可以有效控制巷道變形；方案一支護效果較差，巷道變形量較大。

4 現(xiàn)場試驗

為了驗證3種支護方案應(yīng)用于深部巷道的效果，對所提出的3種支護方案進行了應(yīng)用，應(yīng)用區(qū)域為150-110主斜坡道、110聯(lián)絡(luò)巷及東西脈外巷部分區(qū)域、90聯(lián)絡(luò)巷及東西脈外巷部分區(qū)域；各方案應(yīng)用效果見表9。

由表9可知：由方案一支護的區(qū)域其總體破壞率基本都高于30 %，說明方案一支護強度較低，不能維護深部巷道的穩(wěn)定；方案二支護區(qū)域總體破壞率基本都低于10 %，其支護效果較好;方案三支護區(qū)域總體破壞率都低于30 %，但變化率較大，支護效果相對于方案二不太穩(wěn)定?？傮w上，方案二的支護效果實現(xiàn)了深部巷道的穩(wěn)定，方案三基本上可以實現(xiàn)深部巷道的穩(wěn)定，但其支護強度穩(wěn)定性仍有待提升。

表9 各支護方案各區(qū)域破壞情況統(tǒng)計

5 結(jié) 論

1)通過對所提出的3種支護方案與原方案進行數(shù)值模擬分析，確定了最優(yōu)的支護方案。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明：采用鋼網(wǎng)+樹脂錨桿+纖維混凝土(方案二)進行支護，可以最有效地控制巷道變形;鋼網(wǎng)+注漿管縫式錨桿+纖維混凝土的方案三也可以有效控制巷道變形;方案一支護效果較差，巷道變形量較大。

3)通過現(xiàn)場試驗對所提出的3種支護方案進行驗證，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：方案二的支護效果好于方案一和方案三的支護效果?？傮w上，方案二的支護效果實現(xiàn)了深部巷道的穩(wěn)定，方案三基本上可以實現(xiàn)深部巷道的穩(wěn)定，但其支護強度穩(wěn)定性仍有待提升。