膨脹破碎巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

王志修，于世波，黃發(fā)凱，鄭志杰

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，新疆 哈密 839000)

近年來，隨著礦山開采深度不斷增加，地質(zhì)環(huán)境趨于復(fù)雜，地下礦山巷道圍巖穩(wěn)定性問題逐漸突出，尤其地下礦山的軟弱破碎巷道常面臨片幫、垮冒等工程災(zāi)害問題，嚴(yán)重制約了礦山發(fā)展。因此，針對(duì)破碎圍巖穩(wěn)定性問題，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。國內(nèi)外學(xué)者先后提出了新奧法支護(hù)理論，聯(lián)合法支護(hù)理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論及松動(dòng)圈支護(hù)理論等[1-4]，其中圍巖松動(dòng)圈理論經(jīng)過多年的實(shí)踐與理論發(fā)展，已獲得眾多研究成果。

趙彥缽等[5]利用極限抗拉準(zhǔn)則對(duì)松動(dòng)圈進(jìn)行數(shù)值模擬分析；黃鋒等[6]運(yùn)用損傷理論對(duì)圍巖(特別是低級(jí)別圍巖)松動(dòng)圈進(jìn)行分析得到較準(zhǔn)確結(jié)果；李政林等[7]提出了基于損傷理論的隧道圍巖松動(dòng)圈的界定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為完全損傷區(qū)即為隧道圍巖松動(dòng)破壞區(qū)；孟波等[8]采用大比例尺物理模型試驗(yàn)的研究方法探討了軟巖巷道松動(dòng)圈形成及其發(fā)展過程中圍巖破裂與應(yīng)力演化規(guī)律；楊艷國等[9]利用聲波進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，得到合理的錨桿支護(hù)參數(shù)。綜上可知，解析法和數(shù)值模擬法的發(fā)展為研究人員提供了確定圍巖松動(dòng)圈范圍的手段，但當(dāng)前的兩種方法均有一定的應(yīng)用局限性。目前，相關(guān)研究人員主要依靠現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試法確定軟弱圍巖松動(dòng)圈范圍。

本文以新疆黃山銅鎳礦490 m中段1#脈外運(yùn)輸巷道為工程背景，針對(duì)其典型破碎膨脹性巖體，開展現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量分級(jí)及超聲波測(cè)試工作；結(jié)合圍巖松動(dòng)圈結(jié)果與巖體質(zhì)量等級(jí)，進(jìn)行巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)的選擇，研究成果可為哈密黃山銅鎳礦巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù)。

1 工程概況

新疆哈密黃山銅鎳礦是一大型鎳礦床、中型銅礦床，設(shè)計(jì)規(guī)模4 000 t/d。主礦體東西長700 m，平均厚度51.57 m。礦體圍巖主要為斜長角細(xì)碧玢巖夾綠泥滑石千糜巖等，礦體主要為橄欖輝石巖，礦巖體節(jié)理裂隙極為發(fā)育，目前該礦山采用自然崩落法進(jìn)行開采。

490 m中段1#脈外運(yùn)輸巷道為(寬×高) 4.2 m×3.9 m，采用7根間排距為2 m管縫式錨桿(直徑40 mm，內(nèi)徑36 mm)+雙筋條+噴射混凝土支護(hù)方式。由于礦巖破碎且綠泥滑石千糜巖具有膨脹性，同時(shí)受到長期動(dòng)態(tài)應(yīng)力擾動(dòng)的多重影響，導(dǎo)致該礦山巷道災(zāi)害問題頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)。圖1為黃山銅鎳礦巷道圍巖典型破壞示意圖?，F(xiàn)場(chǎng)采用Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量評(píng)級(jí)方法，得到礦體上、下盤圍巖指標(biāo)值分別為0.7、0.6，礦體指標(biāo)值為0.7，圍巖及礦體質(zhì)量均為Ⅲ級(jí)。圍巖細(xì)碧玢巖單軸抗壓強(qiáng)度為139.5 MPa，礦體橄欖輝石巖單軸抗壓強(qiáng)度為102.5 MPa，綠泥滑石千糜巖其單軸抗壓強(qiáng)度僅為14.9 MPa，并且這種巖石類型富含黏土礦物，在巷道揭露后容易發(fā)生膨脹性變形破壞。

圖1 巷道圍巖片幫垮塌Fig.1 Collapse of roadway surrounding rock

2 圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與分析

2.1 聲波測(cè)試原理

根據(jù)彈塑性介質(zhì)中的波動(dòng)理論，在圍巖中，超聲波的波速與圍巖的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)有關(guān)。具有波速隨圍巖裂隙越發(fā)育、密度越降低、聲阻抗增大而降低的特性。

因此，可以根據(jù)超聲波在同一鉆孔不同位置下的波速變化情況來判斷圍巖松動(dòng)圈的范圍，以測(cè)得的聲波波速高則說明圍巖完整性好，波速低說明圍巖存在裂隙，受到損傷；因此連續(xù)鉆孔測(cè)量的波速突變值區(qū)域就是松動(dòng)圈的范圍。

基于超聲波在圍巖中傳播規(guī)律，利用縱波波速變化的梯度值判別圍巖松動(dòng)圈范圍，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：▽v為縱波波速梯度；vt1為t1時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的縱波波速，km/s；vt2為t2時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的縱波波速，km/s；Δl為t1時(shí)刻與t2時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的距離差，m，在測(cè)點(diǎn)的縱波波速中，縱波波速梯度的最大數(shù)值即為松動(dòng)圈的值。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置方案

由于巖體的完整性與巖體自身特征、巷道尺寸、爆破擾動(dòng)及方位有關(guān)，基于這一原則并根據(jù)前期勘查結(jié)果得出，490 m中段1#脈外運(yùn)輸巷巖體受破碎接觸帶影響較大，巷道片幫嚴(yán)重，支護(hù)效果較差，存在多處片幫、噴層開裂現(xiàn)象。因此，在490 m中段1#水平脈外運(yùn)輸巷道布置5個(gè)測(cè)試孔，測(cè)試孔均位于巷道幫部，測(cè)試孔深均為5 m，孔口距離底板高度約1.5 m，鉆孔向下傾斜3°～5°，鉆孔具體布置位置及參數(shù)見圖2。

圖2 松動(dòng)圈測(cè)試孔布置圖Fig.2 Layout of loosening ring test hole

2.3 測(cè)量結(jié)果分析

各測(cè)孔點(diǎn)的縱波波速及波速梯度如圖3所示，其中2#測(cè)孔和5#測(cè)孔出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，無法測(cè)量。

分析圖3測(cè)孔可以看出，1#測(cè)孔、3#測(cè)孔和4#測(cè)孔的波速梯度數(shù)值的最大值分別在2 m、2 m和1.8 m處，當(dāng)距離孔口位置分別小于2 m、2 m和1.8 m時(shí)， 1#測(cè)孔、2#測(cè)孔和4#測(cè)孔的波速顯著降低， 波速基本穩(wěn)定在2.1～2.6 km/s區(qū)間范圍， 而超過測(cè)孔各自對(duì)應(yīng)的波速梯度最大位置的波速，基本穩(wěn)定在4.0 km/s左右，因此可以確定490 m中段1#脈外運(yùn)輸巷道的松動(dòng)圈在1.8～2.0 m范圍內(nèi)。

圖3 縱波波速(VP)-鉆孔深度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between VP and borehole depth

3 運(yùn)輸巷道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

490 m中段1#脈外運(yùn)輸巷道實(shí)測(cè)松動(dòng)圈的范圍為1.8～2 m，現(xiàn)場(chǎng)采用2 m管縫式錨桿已不滿足支護(hù)要求，同時(shí)踏勘巷道現(xiàn)場(chǎng)可見管縫式錨桿受到嚴(yán)重腐蝕，部分管縫式錨桿管環(huán)已脫落，因此急需優(yōu)化先支護(hù)方式。

根據(jù)黃山銅鎳礦的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果及生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試松動(dòng)圈結(jié)果，利用工程類比法及理論計(jì)算法確定支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。方案采用以錨桿為主體，輔以噴射混凝土加金屬網(wǎng)聯(lián)合的支護(hù)手段。錨桿主要用于控制圍巖的碎脹變形，金屬網(wǎng)加混凝土支護(hù)相結(jié)合的方式主要防止圍巖脫落同時(shí)封閉。

錨桿長度計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈的測(cè)量結(jié)果，采用懸吊理論確定錨桿長度，見式(2)。

Ls≥L1+LP+L2

(2)

式中：Ls為設(shè)計(jì)錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，一般取0.1 m；L2為錨桿錨入圍巖松動(dòng)圈外的長度，按經(jīng)驗(yàn)L2≥0.3 m；LP為松動(dòng)圈的厚度，根據(jù)黃山銅鎳礦巷道圍巖松動(dòng)圈范圍1.8～2.0 m，考慮圍巖具有膨脹性及多次應(yīng)力擾動(dòng)因素，取值為2.0 m；綜合以上因素，采用2.5 m的錨桿滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)，錨桿選擇樹脂錨桿，錨固長度為1.6 m，錨桿的間距不宜大于錨桿長度的1/2，因此可取錨桿間距為1.2 m。結(jié)合“三徑”合理區(qū)配原則及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及技術(shù)裝備，鉆孔直徑與錨桿直徑相差6～8 mm最佳，因此鉆孔直徑為28 mm。參考規(guī)范，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)厚度不應(yīng)小于80 mm，因此厚度取100 mm，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C20，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸巷道標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)方案Fig.4 Standard support scheme for transport lanes

4 支護(hù)優(yōu)化方案效果分析

4.1 數(shù)值模擬方案

采用數(shù)值模擬手段，以黃山銅鎳礦490 m中段1#運(yùn)輸巷道為背景建立工程地質(zhì)模型，模型尺寸(長×寬×高)為40 m×24 m×40 m，巷道尺寸(寬×高)為4.2 m×3.9 m，計(jì)算采用理想彈塑性本構(gòu)模型，摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，巖體的力學(xué)參數(shù)見表1，參考文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]給出支護(hù)材料的計(jì)算力學(xué)參數(shù)，見表2，施加實(shí)測(cè)地應(yīng)力值。在巷道頂部及右肩部各設(shè)置一個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of rock mass

表2 支護(hù)材料參數(shù)Table 2 Parameters of support material

4.2 模擬結(jié)果分析

圖5為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案和優(yōu)化后支護(hù)方案的最小主應(yīng)力分布圖，圖6為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案和優(yōu)化后支護(hù)方案的巷道圍巖移動(dòng)變形圖。由圖5可知，兩種支護(hù)方式在巷道圍巖臨空位置均出現(xiàn)拉應(yīng)力，優(yōu)化后的支護(hù)方案在應(yīng)力擾動(dòng)的影響范圍小于現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案。由圖6可知，原支護(hù)方案巷道幫部及底部最大位移量為7.3 mm，而優(yōu)化后支護(hù)方案后最大位移量為4.5 mm，位移降低了38%。

圖5 巷道圍巖最小主應(yīng)力分布圖Fig.5 Minimum principal stresses of surrounding rock in roadway

圖6 巷道圍巖變形圖Fig.6 Deformation of surrounding rock in roadway

圖7為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案及優(yōu)化后支護(hù)方案的塑性區(qū)分布圖?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案塑性區(qū)分布圖如圖7(a)所示，塑性區(qū)破壞體積達(dá)到844.1 m3；支護(hù)優(yōu)化方案塑性區(qū)分布圖如圖7(b)所示，塑性區(qū)破壞體積僅為401.9 m3。優(yōu)化后的方案極大地減小了塑性區(qū)的分布范圍，尤其是邊幫區(qū)域，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)采用的支護(hù)方式的塑性區(qū)范圍明顯降低，整體塑性區(qū)范圍降低了52.3%，支護(hù)效果較為明顯。

圖7 塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic zones distribution

圖8為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案及優(yōu)化后支護(hù)方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量趨勢(shì)圖?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案中頂部圍巖變形量達(dá)到17 cm，在右肩部變形量為4 cm，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，頂板圍巖變形量變?yōu)? cm，降低了47%，在巷道右肩部圍巖變形量為2 cm。 采用優(yōu)化的支護(hù)方案可以有效降低圍巖變形量，加強(qiáng)圍巖本身自穩(wěn)定能力，由此可見優(yōu)化支護(hù)方案具有良好的支護(hù)效果。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量趨勢(shì)圖Fig.8 Trend of deformation at monitoring points

5 結(jié) 論

1) 通過對(duì)哈密黃山銅鎳礦490 m中段1#運(yùn)輸巷道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍巖松動(dòng)圈范圍，采用波速梯度最大數(shù)值判別準(zhǔn)則，確定巷道圍巖松動(dòng)圈為1.8～2.0 m。

2) 采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘、巖體質(zhì)量分級(jí)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)松動(dòng)圈范圍，分析得出現(xiàn)有支護(hù)方案中2 m管縫式錨桿不能錨固到穩(wěn)定巖層中，無法達(dá)到加固效果。

3) 提出了樹脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式，樹脂錨桿長2.5 m，錨桿間排據(jù)均為1.2 m，噴射混凝土厚度為100 mm，通過數(shù)值模擬手段，對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案與優(yōu)化后的支護(hù)方案，結(jié)果可知優(yōu)化后的支護(hù)方案可使圍巖破壞范圍減小，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案的模擬結(jié)果塑性區(qū)降低達(dá)52.3%，頂板變形量降低了47%，可見優(yōu)化后的支護(hù)方案和參數(shù)可有效保證黃山銅鎳礦巷道的穩(wěn)定性。