某礦山掘進斷面形式優(yōu)化研究

李玉業(yè)，歐任澤

(1.西部礦業(yè)股份有限公司， 青海 西寧 810000；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

井下作業(yè)巷道作為礦井生產有效開展的必要前提，確保巷道使用的安全、有效一直是獲得礦井生產綜合效益的重要保障[1?2]。近年來由于礦井逐步向深部延深，深部軟巖礦山壓力、復雜地質構造等不利因素逐漸顯現，巷道安全管護難度不斷增大[3?5]，因此，巷道掘進速度緩慢，嚴重影響礦山實際生產。選取合適的巷道斷面形狀、合理的支護方式及快速掘進工藝是提高巷道掘進速度、降低巷道成本、保證礦井安全高效開采的重要因素[6?7]。鑒于此種情況，開展巷道斷面設計的優(yōu)化分析，可以為礦山安全高效生產提供必要的設計基礎，且為類似礦山實際情況提供借鑒。

1 礦山概況

某礦山含礦巖石主要有含礦白云巖和含礦“黑礦巖”兩種。前者分布在東部礦體的南側和北側，數量較大，是礦體中礦石的主體，其質地堅硬完整呈塊狀結構，屬于穩(wěn)固到中等穩(wěn)固， 一般無需支護；含礦“黑破帶”或含礦斷層破碎帶分布在東部礦體的中部和北側，延伸大，約占東部礦體面積的1/3，且以Ⅱ、Ⅳ兩個礦段的規(guī)模為大。“黑破巖石”是由角礫巖，糜棱巖、斷層泥等組成的黑色構造破碎帶，巖塊、巖屑成分以鈣質細砂巖為主，呈松散結構，吸水性強，空隙率較大，軟化系數較小，風化速度快，含泥量高達10.7%，容易出現片幫、冒頂、坍塌，屬不穩(wěn)固到極不穩(wěn)固類型，對礦山開采具有不良影響，必須采取有效措施予以處理。經前期開采驗證，受“黑破帶”影響的礦體及圍巖都很不穩(wěn)固，采準工程在掘進過程中經常塌方，在黑破帶礦體中往往掘進后隔1～2 d就塌了，必須采用短掘短支的方式掘進推進。礦山在前期施工中采用的主要支護方法有噴錨網、混凝土、鋼支架+混凝土，其施工成本高，難度大，周期長。

2 斷面形式初選

2.1 井巷斷面形式選擇原則

礦山井巷具有多種形式，包括常用的梯形、直墻拱形（半圓拱、三心拱、圓弧拱）及特殊條件下的圓形、橢圓形、馬蹄形、多角形等斷面形式，采場中的小斷面巷道也常用矩形斷面[8?10]。

對于礦井平巷的斷面選擇，需從以下3 個方面綜合考慮：礦井圍巖地質條件；巷道使用年限及用途；巷道斷面施工效率及巷道利用率、所需支護材料及費用等。合理的斷面形狀應使巷道在圍巖壓力作用下處于良好的、合理的受力狀態(tài)，保證巷道的安全和正常使用，斷面開挖量及支護材料消耗量最少而且要便于施工。服務年限短、圍巖中等穩(wěn)固的礦山巷道多選用梯形斷面；服務年限長、地壓大的巷道多采用直墻拱頂巷道。各種斷面形式的特點及適用范圍見表 1。

表1 平巷斷面形式的特點及適用范圍

2.2 井巷斷面形式初選

某礦山開采過程中巷道工程受地壓活動及破碎礦巖的影響較大，而且巷道服務年限較長，故可選擇直墻拱頂巷道斷面形式?？晒┻x擇的有常用的三心拱、半圓拱和圓弧拱，但圓弧拱斷面的施工難度較大，拱墻交接處不易處理，極易造成超挖、欠挖等現象，對巷道支護產生重大影響，再加上斷面利用率和掘進費用等因素，所以不做選擇。初選井巷斷面的布置形式為半圓拱和三心拱兩種，并進一步進行對比分析。

3 井巷工程穩(wěn)定性模擬分析

3.1 基本假定

由于自然狀態(tài)下巖體介質存在各種裂隙，以及礦山實際工程施工等多方面因素對圍巖的影響，數值計算不可能完全按照礦山的實際情況進行模擬分析。因此，本研究基于常規(guī)的數值模擬給出如下假定：

（1）假定圍巖屬性及材料屬性均為各向同性的連續(xù)介質；

（2）假定支護材料與巖體之間的接觸無間隙；

（3）巷道所有的支護均為及時支護；

（4）模型計算時僅考慮地應力及重力的作用，忽略其他因素對計算的影響。

3.2 初始條件約束

在模擬采礦過程中，應根據實際條件為模型施加初始狀態(tài)的地應力，以便更好地模擬原巖應力狀態(tài)下的真實情況。

實際建模過程中的邊界條件和初始條件如下：

（1）模型四周采用固定約束；

（2）在Z軸負方向施加重力，大小為9.81 m/s2；

（3）原巖應力的取值按照礦山平均埋深，采用賦地表高程的方式模擬原巖應力場，取值為礦體范圍上最大標高2064 m，巷道底板標高按1884 m計算；

（4）模型在約束條件下自動解算達到平衡狀態(tài)并逐漸形成初始應力場，在初始應力場趨于平衡后，位移場置零。

3.3 計算方案及模型

根據礦山地質構造、圍巖特性及其分布狀態(tài)，結合東西部采場工程實際的圍巖物理力學指標，設本次研究的礦巖為黑破巖。對上述巖體內巷道不同掘進斷面開挖后的穩(wěn)定性進行分析，為支護設計提供參考依據。模擬方案見表2。

表2 井巷工程穩(wěn)定性模擬分析方案

在保證計算工作的順利進行及其精度可靠性的前提下進行計算域選取，根據相關研究理論，以模型實際開挖尺寸的3～5 倍左右為設置邊界，此時開挖后受到邊界的影響忽略不計，此次研究按照模擬開挖空間的5 倍建模。

對于巷道斷面形狀為三心拱和半圓拱，規(guī)格均為3.0 m×3.0 m的計算模型見圖1～圖2。

圖1 黑破巖體三心拱巷道模擬分析模型

圖2 黑破巖體半圓拱巷道模擬分析模型

3.4 模擬結果分析

3.4.1 三心拱巷道

三心拱巷道開挖后位移模擬分析見圖3（a），

四周均產生了較大的位移，拱頂位移為8.5 mm，底板位移為11 mm，拱墻為10.5 mm，頂底板和兩幫縮進達到20 mm左右，發(fā)生兩幫鼓出、頂板冒落和底鼓傾向。

應力分布規(guī)律見圖3（b），拱頂應力為10.0 MPa，拱腳應力為15 MPa，幫壁應力為5 MPa，拱肩應力為10.5 MPa，巷道周邊均發(fā)生不同程度的應力釋放。

塑性區(qū)分布規(guī)律見圖3（c），巷道周邊均發(fā)生不同程度的破壞，在巷道周邊形成了一個環(huán)狀的破壞圈，破壞圈與巷道邊界距離較小，破壞圈內以張拉破壞為主，而破壞圈外部以剪切破壞為主；塑性區(qū)深度達到0.6 m。

圖3（d）為開挖后巷道周邊圍巖的強度系數等值線圖，隨深度的加大，強度系數變化較小，拱頂0.5 m位置為 0.52，1 m位置達到 0.78，拱頂4 m處僅為 3.13，安全系數較小。在黑破巖體內開挖巷道時，應采取超前支護和全斷面支護措施。

圖3 黑破巖體內巷道開挖后圍巖穩(wěn)定性分析

3.4.2 半圓拱巷道

半圓拱巷道開挖后位移模擬分析見圖4（a）。由圖4（a）可知，巷道四周均產生了較大的位移，拱頂位移為7.6 mm，底板位移為10 mm，拱墻為10 mm，頂底板和兩幫縮進達到15 mm左右，存在兩幫鼓出、頂板冒落和底鼓傾向。

應力分布規(guī)律見圖4（b），拱頂應力為9.5 MPa，拱腳應力為14 MPa，幫壁應力為4.5 MPa，拱肩為9 MPa，巷道周邊均發(fā)生不同程度的應力釋放。

塑性區(qū)分布規(guī)律見圖4（c），巷道周邊均發(fā)生不同程度的破壞，在巷道周邊形成了一個環(huán)狀的破壞圈，破壞圈與巷道邊界距離較小，破壞圈內以張拉破壞為主，而破壞圈外部以剪切破壞為主；塑性區(qū)深度達到 0.5 m。

圖4 黑破巖體內巷道開挖后圍巖穩(wěn)定性分析

圖4（d）為開挖后巷道周邊圍巖的強度系數等值線圖，隨深度的加大，強度系數變化較小，拱頂0.5 m位置為0.52，1 m位置達到 0.78，拱頂4 m處僅為3.39，安全系數較小。在黑破巖體內開挖巷道時，應采取超前支護和全斷面支護措施。

4 結論

（1）巖體內采用不同的巷道輪廓開挖后，三心拱和半圓拱的圍巖穩(wěn)定性情況略有區(qū)別，整體來說巷道斷面為半圓拱時的受力情況較三心拱好一些，后期可通過簡單的支護措施解決該問題，考慮到巷道斷面利用率和掘進成本等因素，該礦山最終選擇的巷道掘進斷面形式為三心拱。但黑破巖內成巷后可能發(fā)生冒頂和片幫事故，因此巷道掘進過程中應采取超前支護措施，以防止圍巖破壞發(fā)展導致支護困難。

（2）巷道斷面設計與井下實際地質狀況的充分一致，對于提升巷道使用的安全性和持續(xù)性意義重大。實際生產中應引起足夠的重視，需結合地質狀況開展針對性地改良提升，從而讓巷道斷面布設方案更加貼合實際使用需求，實現巷道使用安全性和礦井綜合效益的雙提升。