采場頂板錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)加固效果模擬分析

秦秀山，王志修

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

某礦為急傾斜礦體，采礦方法為上向分層充填連續(xù)采礦法，鑿巖、出礦和充填均在采場內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，操作過程需保證采場頂板安全穩(wěn)固。根據(jù)現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗(yàn)及節(jié)理裂隙構(gòu)造調(diào)查，開采范圍內(nèi)各采場頂板巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度存在較大差異，巖體完整程度由完整過渡到較完整至較破碎，修正后的工程巖體質(zhì)量等級主要為Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級。

上向水平分層充填法開采時(shí)，采場頂板的支護(hù)不僅要保證回采過程中下部工作人員的安全，還需要保證支護(hù)強(qiáng)度不影響后續(xù)回采工作[1-3]。對于Ⅲ級和Ⅳ級頂板巖體，圍巖破壞特點(diǎn)和程度不同，需要采取不同的支護(hù)方案。為保證采場頂板支護(hù)效果，針對初選支護(hù)方案，利用數(shù)值模擬方法，對不同等級采場頂板支護(hù)加固方案進(jìn)行模擬分析，確保支護(hù)后滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

1 采場頂板支護(hù)模擬方案

通過對不同采場巖體質(zhì)量等級劃分及相似礦山支護(hù)方式類比分析，礦山采場頂板的支護(hù)一般針對普遍存在的Ⅲ級和Ⅳ級巖體分別選擇相應(yīng)的支護(hù)方式[4-6]，結(jié)合目前礦山已有支護(hù)條件及未來方便現(xiàn)場實(shí)施，初選支護(hù)方式為：Ⅲ級巖體采用短錨索+樹脂錨桿支護(hù)，Ⅳ級巖體采用長錨索+樹脂錨桿支護(hù)。

為精準(zhǔn)評價(jià)支護(hù)效果，針對不同工程巖體等級的支護(hù)方式，以采場面大、節(jié)理裂隙發(fā)育為選取依據(jù)，分析選擇工程巖體質(zhì)量為Ⅲ級的3號采場和工程巖體質(zhì)量為Ⅳ級的8號采場危險(xiǎn)區(qū)域作為典型進(jìn)行分析(表1)。

表1 典型采場選取及頂板支護(hù)方式Table 1 Selection of typical stope and roof support mode

2 數(shù)值模擬分析模型構(gòu)建

2.1 基本假定

由于實(shí)際礦山工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，為了使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況，需要對礦山巖體條件、地質(zhì)特征、應(yīng)力環(huán)境等進(jìn)行必要簡化。對數(shù)值計(jì)算模型提出如下假設(shè)：

1)礦巖體為理想彈塑性體，選用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則開展非線性分析[7-8]。

2)礦體和圍巖為局部均質(zhì)、各向同性的材料，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)。

3)只考慮礦巖自重應(yīng)力的作用，忽略地震波、斷層等因素對頂板穩(wěn)定性的影響。

4)忽略開拓、采準(zhǔn)等局部工程對采場圍巖力學(xué)狀態(tài)的影響[9]。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

巖體物理力學(xué)參數(shù)是影響數(shù)值模擬分析結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素，巖體物理力學(xué)參數(shù)選取是通過現(xiàn)場獲取巖塊后開展室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，綜合考慮巖石堅(jiān)硬程度及巖體完整程度，對巖塊力學(xué)參數(shù)按照摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行折減修正后獲得。數(shù)值模型分析計(jì)算中選取的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.3 模型范圍及網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬計(jì)算采用拉格朗日有限差分法，運(yùn)用美國Itasca Consulting Group公司開發(fā)的三維有限差分計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。以礦區(qū)礦體為主要研究對象，按照實(shí)際中段平面圖中危險(xiǎn)區(qū)域的簡化模型分別建立3號采場及8號采場的三維工程地質(zhì)模型。3號采場的建模區(qū)域和三維工程地質(zhì)模型如圖1～2所示。

圖1 采場建模區(qū)域Fig.1 Stope modeling area

三維工程地質(zhì)模型尺寸為長(X)×寬(Y)×高(Z)=90 m×30 m×80 m，共計(jì)31 500個(gè)單元，36 036個(gè)節(jié)點(diǎn)，在采場周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密。

2.4 邊界條件與初始應(yīng)力場

1)邊界條件

在整體模型的底部平面設(shè)置X、Y、Z方向全固定位移約束，限制各方向位移量為0。模型側(cè)面施加法向位移約束，分別在X方向施加水平最小主應(yīng)力、Y方向施加水平最大主應(yīng)力。模型頂面為自由位移約束，但在頂面施加上覆巖層自重的豎向應(yīng)力邊界。

2)初始應(yīng)力場

以構(gòu)建完成的FLAC3D數(shù)值模型為基礎(chǔ)，首先按照模型中對應(yīng)區(qū)域進(jìn)行材料參數(shù)賦值，并施加相應(yīng)邊界條件，結(jié)合礦山現(xiàn)場實(shí)測最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力的方向及函數(shù)關(guān)系，計(jì)算形成整體模型的三維初始地應(yīng)力場，如圖3所示。

圖2 三維工程地質(zhì)模型圖Fig.2 3D engineering geological model map

圖3 采場地應(yīng)力分布圖(單位：Pa)Fig.3 In-situ stress distribution map of stope(Unit:Pa)

圖3分別給出了研究區(qū)域巖體數(shù)值模擬得出的地應(yīng)力場三向應(yīng)力云圖：1)最大水平主應(yīng)力沿礦體走向(即X方向)；2)最小水平主應(yīng)力垂直于礦體走向方向(即Y方向)；3)豎向應(yīng)力沿豎直方向(即Z方向)。

3 模擬結(jié)果監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

為了更清晰地展示不同工程巖體質(zhì)量等級采場中采用頂板支護(hù)方案前后治理效果，在采場頂板典型區(qū)域選取應(yīng)力、位移監(jiān)測點(diǎn)，對模擬采場開采后上部頂板應(yīng)力、位移等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[10]，最大程度反映不同巖體質(zhì)量等級采場頂板的支護(hù)效果。選取的監(jiān)測點(diǎn)主要集中在采場頂板上部位置，具體監(jiān)測點(diǎn)見圖4。

圖4 頂板支護(hù)監(jiān)測方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of roof support monitoring scheme

4 數(shù)值模擬分析結(jié)果

4.1 不同巖體等級采場頂板應(yīng)力分析

3號采場開采現(xiàn)狀與采用短錨索+樹脂錨桿進(jìn)行頂板支護(hù)后的最大主應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 3號采場頂板支護(hù)前后最大主應(yīng)力分布圖Fig.5 Distribution of maximum principal stress before and after roof support in No.3 stope

通過圖5(a)可知，3號采場礦體開挖后，在開挖區(qū)域形成空區(qū)，周圍應(yīng)力重新分布，該區(qū)域的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至周邊圍巖中。采場底角區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力達(dá)到16.5 MPa，在采場頂板及底板出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力極值為0.177 MPa。由于回采結(jié)束后還未及時(shí)進(jìn)行充填，導(dǎo)致采場頂板受到拉應(yīng)力，較容易破壞。

通過圖5(b)可知，3號采場礦體開挖后進(jìn)行支護(hù)，回采結(jié)束后，在采場周圍應(yīng)力重新分布，在采場底角區(qū)域最大主應(yīng)力值16.7 MPa，應(yīng)力重新分布規(guī)律與未支護(hù)工況較為一致，但在支護(hù)后，采場頂板區(qū)域拉應(yīng)力極值為0.112 MPa，比未支護(hù)狀態(tài)降低了36.7%，短錨索+樹脂錨桿支護(hù)使Ⅲ級巖體質(zhì)量采場頂板的安全性明顯改善。

8號采場開采現(xiàn)狀與采用長錨索+樹脂錨桿進(jìn)行頂板支護(hù)后的最大主應(yīng)力分布如圖6所示。

通過圖6(a)可知，8號采場礦體開挖后，在開挖區(qū)域形成空區(qū)，周圍應(yīng)力重新分布，該區(qū)域的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至周邊圍巖中。采場底角區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力達(dá)到15.4 MPa，在采場頂板及底板出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力極值為0.096 MPa。由于回采結(jié)束后還未及時(shí)進(jìn)行充填，導(dǎo)致采場頂板受到拉應(yīng)力，較容易破壞。

通過圖6(b)可知，8號采場礦體開挖后進(jìn)行支護(hù)，回采結(jié)束后，在采場周圍應(yīng)力重新分布，在采場底角區(qū)域最大主應(yīng)力值16.0 MPa，應(yīng)力重新分布規(guī)律與未支護(hù)工況較為一致，但在支護(hù)后，采場頂板區(qū)域拉應(yīng)力極值為0.062 MPa，比未支護(hù)狀態(tài)降低了35.4%，長錨索+樹脂錨桿支護(hù)使Ⅳ級巖體質(zhì)量采場頂板的安全性明顯改善。

圖6 8號采場頂板支護(hù)前后最大主應(yīng)力分布圖Fig.6 Distribution of maximum principal stress before and after roof support in No.8 stope

4.2 不同巖體等級采場頂板位移分析

圖7～8為3號采場現(xiàn)狀與支護(hù)后的總位移分布圖及監(jiān)測點(diǎn)位移分布圖。

圖7 3號采場總位移分布圖Fig.7 Distribution of total displacement of No.3 stope

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在采場中間，距離頂板0.3 m處，監(jiān)測點(diǎn)位移顯示，現(xiàn)場未支護(hù)工況變形量為82 mm，支護(hù)后變形量為65 mm，支護(hù)后能夠降低頂板位移量20.7%，支護(hù)后降低頂板位移量，起到一定的保護(hù)作用。

圖9～10為8號采場現(xiàn)狀與支護(hù)后的總位移分布圖及監(jiān)測點(diǎn)位移分布圖。

圖8 3號采場監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算時(shí)步與變形量分布圖Fig.8 Calculation time step and deformation distribution of monitoring points in No.3 stope

圖9 8號采場總位移分布圖Fig.9 Distribution of total displacement of No.8 stope

圖10 8號采場監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算時(shí)步與變形量分布圖Fig.10 Calculation time step and deformation distribution of monitoring points in No.8 stope

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在采場中間，距離頂板0.3 m處，監(jiān)測點(diǎn)位移顯示，現(xiàn)場未支護(hù)工況變形量為29 mm，支護(hù)后變形量為15 mm，支護(hù)后能夠降低頂板位移量48.3%。通過在采場頂板施工18 m長錨索支護(hù)方式，能夠較好控制頂板位移量，保證采場作業(yè)生產(chǎn)安全。

4.3 不同巖體等級采場頂板塑性區(qū)分布分析

圖11、12為3號采場現(xiàn)狀與支護(hù)之后的塑性區(qū)分布圖與采場支護(hù)軸力圖。

圖11 3號采場塑性區(qū)分布圖Fig.11 Distribution of plastic area in No.3 stope

圖12 3號采場支護(hù)軸力圖Fig.12 Support axial force diagram of No.3 stope

由圖11～12可見，3號采場礦體開挖后應(yīng)力釋放，導(dǎo)致采場周圍出現(xiàn)大量剪切破壞，在頂板出現(xiàn)塑性區(qū)較多，形成應(yīng)力拱，采場底板也產(chǎn)生大量塑性區(qū)破壞。在采用6 m錨索+樹脂錨桿支護(hù)以后，塑性區(qū)范圍較未支護(hù)條件下明顯減少，錨索上部軸力達(dá)到39.8 kN，錨索承受較大的拉力，回采結(jié)束后頂板產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要由錨索承擔(dān)。

圖13、14為8號采場現(xiàn)狀與支護(hù)之后的塑性區(qū)分布圖與采場支護(hù)軸力圖。

圖13 8號采場塑性區(qū)分布圖Fig.13 Distribution of plastic area in No.8 stope

圖14 8號采場支護(hù)軸力圖Fig.14 Support axial force diagram of No.8 stope

由圖13、14可見，8號采場礦體開挖后應(yīng)力釋放，導(dǎo)致采場周圍出現(xiàn)大量剪切破壞，在頂板出現(xiàn)塑性區(qū)較多，形成應(yīng)力拱，在礦柱區(qū)域出現(xiàn)大量剪切破壞。在采用18 m長錨索+樹脂錨桿支護(hù)以后，采場周邊剪切破壞和塑性區(qū)分布范圍明顯減小。錨索上部軸力達(dá)到41 kN，錨索承受較大的拉力，回采結(jié)束后頂板產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要由錨索承擔(dān)。

5 結(jié)論

1)根據(jù)上向水平分層充填采場頂板巖體質(zhì)量等級結(jié)合現(xiàn)場工程需要，初步確定采場不同區(qū)域適宜相應(yīng)巖體級別的頂板支護(hù)參數(shù)，通過模擬分析可檢驗(yàn)初選參數(shù)合理性和支護(hù)加固作用有效性。

2)通過數(shù)值模擬計(jì)算對采場頂板支護(hù)前后相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對比分析，采場頂板區(qū)域支護(hù)后拉應(yīng)力值比未支護(hù)時(shí)降低約35%，支護(hù)作業(yè)最大可降低頂板位移量48.3%，支護(hù)后頂板塑性區(qū)范圍明顯減少。

3)Ⅲ級巖體頂板區(qū)域采用短錨索+樹脂錨桿支護(hù)，Ⅳ級巖體頂板區(qū)域采用長錨索+樹脂錨桿支護(hù)可有效控制頂板變形。錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)提高了采場頂板的安全性，有效保障采場內(nèi)部作業(yè)安全。