深部巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬優(yōu)選及應(yīng)用

田全虎，和學(xué)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(xué)土木與資源工程學(xué)院)

引 言

在地下礦床開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度的增加,地壓顯現(xiàn)越明顯，地應(yīng)力越高，對(duì)巷道支護(hù)的要求也越來(lái)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(duì)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(hù)需要。但是，隨著開(kāi)采深度的增加，地壓也逐步增加，原有的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)難以滿足深部高地應(yīng)力巷道支護(hù)需求，很多巷道出現(xiàn)變形開(kāi)裂現(xiàn)象[2]。

數(shù)值模擬分析相對(duì)于理論本構(gòu)模型計(jì)算而言，模型構(gòu)建更簡(jiǎn)單、計(jì)算精簡(jiǎn)，并且結(jié)果呈現(xiàn)更直觀，因此在巷道塌陷、開(kāi)挖及支護(hù)設(shè)計(jì)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(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)算模型對(duì)深部巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了打通一礦W2710運(yùn)輸巷道埋深大、圍巖強(qiáng)度低、巷道變形嚴(yán)重、支護(hù)成本高等問(wèn)題；韓斌等[6]采用Flac3D軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金川二礦區(qū)多中段機(jī)械化盤區(qū)回采順序的優(yōu)化;肖猛等[7]通過(guò)有限差分法(Flac3D)對(duì)圍巖變形、破壞過(guò)程進(jìn)行分析，研究了巖體支護(hù)前后圍巖變形及應(yīng)力狀態(tài),對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性和初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性作出了綜合評(píng)判；王連國(guó)等[8]采用大型有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS,對(duì)深部軟巖巷道錨注支護(hù)前后圍巖變形破壞規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)錨注支護(hù)前后圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化情況等進(jìn)行了系統(tǒng)分析,證明了錨注支護(hù)可以顯著提高圍巖的強(qiáng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用各類數(shù)值模擬軟件針對(duì)礦山實(shí)際問(wèn)題進(jìn)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(gè)動(dòng)態(tài)質(zhì)點(diǎn)在受力過(guò)程中的應(yīng)力變化、速度變化等描述出來(lái)，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(xué)數(shù)值計(jì)算的工具之一[13-14]。針對(duì)錦豐金礦深部開(kāi)采巷道支護(hù)問(wèn)題，本文提出了3種支護(hù)方案，采用Flac3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定了最佳支護(hù)方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為同類型礦山巷道支護(hù)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(dá)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(yáng)組、尼羅組和許滿組，邊陽(yáng)組以灰色薄至中厚層狀、厚層狀(少許塊狀)細(xì)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(zhǎng)約1 100 m，寬12～60 m，垂向延伸超過(guò)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(kāi)采，地應(yīng)力也隨之增大，礦山開(kāi)采不僅會(huì)出現(xiàn)巷道變形、片幫底鼓、冒頂?shù)葐?wèn)題(見(jiàn)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(hù)方案

錦豐金礦主斜坡道支護(hù)原設(shè)計(jì)方案為：混凝土+錨桿支護(hù)(管縫錨桿/樹脂錨桿)+鋼網(wǎng)(見(jiàn)圖2)。巷道設(shè)計(jì)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(hù)原設(shè)計(jì)方案示意圖

針對(duì)錦豐金礦井下深部支護(hù)存在的問(wèn)題，提出了3種新的支護(hù)方案，分別為：

1)方案一。隨著開(kāi)采深度的變化，深部巖體發(fā)生變化，原支護(hù)方案不能滿足較深水平支護(hù)強(qiáng)度，故在原支護(hù)方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行更改，得到方案一(斜坡道90～-30 m RL斷面支護(hù)設(shè)計(jì)，見(jiàn)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(qiáng)度30 MPa。

圖3 斜坡道90～-30 m RL斷面支護(hù)

2)方案二。鋼網(wǎng)+樹脂錨桿+纖維混凝土支護(hù)(見(jiàn)圖4)。巷道設(shè)計(jì)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(hù)

3)方案三。鋼網(wǎng)+注漿管縫式錨桿+纖維混凝土支護(hù)(見(jiàn)圖5)。巷道設(shè)計(jì)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(hù)

3 數(shù)值模型建立與分析

3.1 力學(xué)參數(shù)

本文主要采取Hoek-Brown-GSI分類方法計(jì)算公式，結(jié)合各種參數(shù)，得到巖體自身強(qiáng)度的估算值，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 力學(xué)參數(shù)

3.2 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)巷道支護(hù)方案得到不同支護(hù)形式錨桿種類及參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 不同支護(hù)形式錨桿種類及參數(shù)

查詢殼單元對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)參數(shù)，對(duì)模擬中的混凝土和鋼網(wǎng)進(jìn)行賦值計(jì)算，得到其材料屬性參數(shù)見(jiàn)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(duì)于錦豐金礦深部巷道，擬選用當(dāng)下最大埋深490 m(巷道標(biāo)高90 m，坑口標(biāo)高580 m)處掘進(jìn)斜坡道巷道工作面為研究對(duì)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(zhǎng)×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(diǎn)，采用摩爾-庫(kù)侖模型建立圍巖模型(見(jiàn)圖6)。

圖6 圍巖模型

3.4 深部巷道支護(hù)模擬結(jié)果及分析

各開(kāi)挖支護(hù)方案模擬結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各開(kāi)挖支護(hù)方案模擬結(jié)果

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

1)原方案支護(hù)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(duì)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?yàn)橄锏理敯宀课唬锏理敯逦灰屏吭谪Q直方向上呈對(duì)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(hù)條件下塑性區(qū)體積量統(tǒng)計(jì)

表8 不同方案支護(hù)條件下巷道的最大位移量

2)方案一支護(hù)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?yàn)橄锏纼蓭椭苓吙可喜课唬?/p>

巷道兩幫位移量在水平方向上呈對(duì)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?yàn)橄锏理敯宀课唬锏理敯逦灰屏吭谪Q直方向上呈對(duì)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(hù)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?yàn)橄锏纼蓭椭苓吙可喜课?，巷道兩幫位移量在水平方向上呈?duì)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?yàn)橄锏理敯宀课唬锏理敯逦灰屏吭谪Q直方向上呈對(duì)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(hù)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?yàn)橄锏纼蓭椭苓呏虚g部位，巷道兩幫位移量在水平方向上呈對(duì)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?yàn)橄锏理敯宀课唬锏理敯逦灰屏吭谪Q直方向上呈對(duì)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(guò)Flac3D軟件的數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，支護(hù)方案一、二、三相對(duì)于原方案的支護(hù)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(guò)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(jìn)行支護(hù)，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(hù)效果較差，巷道變形量較大。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證3種支護(hù)方案應(yīng)用于深部巷道的效果，對(duì)所提出的3種支護(hù)方案進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用區(qū)域?yàn)?50-110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(jiàn)表9。

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

表9 各支護(hù)方案各區(qū)域破壞情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)所提出的3種支護(hù)方案與原方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定了最優(yōu)的支護(hù)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(jìn)行支護(hù)，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(hù)效果較差，巷道變形量較大。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)所提出的3種支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：方案二的支護(hù)效果好于方案一和方案三的支護(hù)效果?？傮w上，方案二的支護(hù)效果實(shí)現(xiàn)了深部巷道的穩(wěn)定，方案三基本上可以實(shí)現(xiàn)深部巷道的穩(wěn)定，但其支護(hù)強(qiáng)度穩(wěn)定性仍有待提升。