深井降溫硐室支護設(shè)計結(jié)構(gòu)模擬與應用

呂 琳

(煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院有限責任公司，安徽省合肥市，230041)

井下的熱源(圍巖散熱、機電設(shè)備放熱、礦巖氧化熱、熱水放熱、人體散熱等)及其熱量是形成熱害的主要原因，基于地質(zhì)條件的復雜性和獨特性，本文以山東招金礦業(yè)夏甸金礦降溫硐室為例，充分考慮圍巖擾動效應，采用一次性動態(tài)支護，結(jié)合降溫設(shè)計的思想，并且充分利用了礦用維護材料在高溫環(huán)境下的力學性能，采用數(shù)值模擬以及現(xiàn)場測試的方法，最后給出深井硐室結(jié)構(gòu)的支護方案，采用本文的支護方案可以有效保證硐室的安全性。

1 工程背景

山東招金礦業(yè)夏甸金礦位于招遠市南約20 km處，黃金產(chǎn)量達4 t/a。由于該礦-652 m水平以上淺部礦脈資源即將枯竭，目前正在向-720 m及以下水平開拓。開拓過程中，受到井下高溫干擾，開拓人員的生產(chǎn)環(huán)境超過《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GBl6423-2006)26～28℃的采掘作業(yè)地點氣象條件規(guī)定。經(jīng)現(xiàn)場實測，-700 m水平掘進風筒出口處溫度已達33.8℃，回風豎井掘進頭溫度已達32.8℃，相對濕度達到100%。因此迫切需要建設(shè)井下降溫硐室來解決礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱害問題。

2 巷道支護理論

目前我國巷道支護大多采用錨桿及配套支護結(jié)構(gòu)，對圍巖起控制變形、防止破壞的作用，巷道開挖后，一次支護、二次支護甚至多次支護都不一定能有效控制圍巖變形與破壞?？导t普院士提出一次錨桿支護是高效改善圍巖不連續(xù)應力的有效手段，錨桿工作阻力擴散到圍巖中，圍巖離層、滑動、裂隙擴大，因而一次支護可以有效在圍巖揭露時立即支護，保證圍巖穩(wěn)定。

3 巷道支護設(shè)計方法

3.1 地質(zhì)資料及生產(chǎn)條件

硐室周圍巖體組成主要為黑云母花崗巖和膠東群、粉子山群的變質(zhì)巖、北東向構(gòu)造破碎帶發(fā)育一套蝕變巖。巖石力學試驗結(jié)果顯示，礦體頂、底板和圍巖均為堅硬或比較堅硬巖石，一般比較穩(wěn)固，巖石普氏系數(shù)f=8～12，其支護結(jié)構(gòu)采用直墻半圓拱斷面結(jié)構(gòu)形式，降溫制冷硐室主斷面尺寸寬度5.3 m，直墻高2.5 m，長度為40 m。

3.2 支護材料

硐室的支護結(jié)構(gòu)中采用管縫錨桿MF40，符合《有色金屬礦山井巷工程施工及驗收規(guī)范》，長度2200 mm，間排距800 mm×800 mm。管縫式錨桿是一種全長錨固，主動加固圍巖的新型錨桿，立體部分是1根縱向開縫的高強度鋼管，當安裝于比管徑稍小的鉆孔時，可立即在全長范圍內(nèi)對孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力，加上錨桿托盤托板的承托力，從而使圍巖處于三向受力狀態(tài)，后期錨固力明顯增大。

3.3 支護方案

硐室的支護結(jié)構(gòu)采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土結(jié)構(gòu)。支護總厚度為150 mm，錨桿規(guī)格為MF40管縫錨桿，長度2200 mm，間排距800 mm×800 mm；鋼筋網(wǎng)采用?6 mm鋼筋焊接，網(wǎng)孔100 mm×100 mm；噴射混凝土強度等級為C20，現(xiàn)澆底板及基礎(chǔ)鋼筋混凝土強度等級為C30，底板受力鋼筋為HPB300、HRB400，混凝土保護層厚度50 mm。巷道支護形式如圖1所示。

4 支護效果

4.1 現(xiàn)場實測

采用數(shù)值模擬進行多方案比較，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和實際工程經(jīng)驗最后確定巷道采用錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)+管縫錨桿支護形式，管縫錨桿全長錨固組合支護。在施工期間進行巷道內(nèi)表面位移、頂板離層及錨桿受力觀測。在巷道開挖掘進35 m后，圍巖變形達到最大值之后趨于穩(wěn)定。在實際工程中允許施工單位根據(jù)實際情況，如遇硐室變形量較大時，應采取加強支護強度等措施或?qū)鲜姨巼鷰r進行注漿加固。如硐室處底板地壓較大或巖性破碎時，須在硐室底部增設(shè)適量的錨桿、錨索或先對硐室底板處圍巖進行注漿加固。

圖1 巷道支護形式

圖2 巷道位移曲線

在掘進期間，降溫硐室巷道表面位移曲線如圖2所示。由圖2可知，表面位移在距掘進工作面30 m以后趨于穩(wěn)定。兩幫移近量為40 mm。頂?shù)滓平繛?0 mm，其中頂板下沉量為43 mm，底鼓量30 mm，底鼓量占巷道頂?shù)滓平康?4.5%。底部位移大的原因主要是圍巖較穩(wěn)定，而底板沒有進行錨桿支護。

4.2 數(shù)值模擬

巖體本身構(gòu)造復雜，存在各種斷裂帶和節(jié)理面影響，考慮其不連續(xù)性，在勘察提出的巖土力學參數(shù)上進行一定折減，得到適用本工程的土體力學參數(shù)如下：圍巖密度2500 kg/m3，泊松比0.25，彈性模量26.8 GPa，摩擦角49.4°，粘聚力3.46 MPa，選用摩爾—庫倫本構(gòu)模型。

選用Midas GTS軟件，根據(jù)實際尺寸進行巷道模擬，建立幾何模型，土體采用3 d單元，噴射混凝土采用2 d板單元，管縫錨桿采用植入式桁架模擬，設(shè)置自重荷載，采用自動約束約束兩側(cè)及頂?shù)椎淖杂啥热鐖D3所示，自重和邊界條件如圖4所示。

圖3 巷道網(wǎng)格劃分

圖4 自重和邊界條件

4.3 模擬結(jié)果

噴射混凝土應力云圖、錨桿應力云圖見圖5和圖6。當巖層開挖時，原始的地應力重新分布，從巷道的應力云圖可以看出開挖空區(qū)出現(xiàn)次生應力場，模擬開挖以礦山實際開挖順序，其主壓應力在開挖中段從16 MPa增大到33 MPa，主拉應力由小增大，最大達到2.3 MPa，未超過巖體抗拉強度，在安全范圍內(nèi)。

圖5 噴射混凝土應力云圖

圖6 錨桿應力云圖

5 結(jié)論

在巷道設(shè)計時考慮地質(zhì)條件復雜性以及施工擾動對周圍巖體的影響，通過分析工程實例與數(shù)值模擬的結(jié)果，采用本文的錨桿支護體系，可以達到降低結(jié)構(gòu)頂板、底拱以及施工后期變形的效果，并以此為借鑒為其他類似巷道提供參考。