黃金礦山松軟破碎巖體巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：針對(duì)國(guó)內(nèi)某黃金礦山松軟破碎巖體嚴(yán)重制約企業(yè)安全生產(chǎn)的問(wèn)題，本文根據(jù)巖體質(zhì)量分類法和地質(zhì)力學(xué)分類法，調(diào)查RMR、Q值，提出聯(lián)合支護(hù)方案。根據(jù)巴頓支護(hù)理論，結(jié)合三維仿真支護(hù)模擬，建立支護(hù)分級(jí)體系，詳細(xì)介紹噴錨網(wǎng)支護(hù)的工藝過(guò)程及不同斷面規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)方案。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，這種聯(lián)合支護(hù)方案針對(duì)軟弱破碎巖體巷道具有良好的支護(hù)效果，對(duì)國(guó)內(nèi)類似黃金礦山巷道支護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：破碎；支護(hù)；三維仿真

中圖分類號(hào)：TD 35" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，隨著黃金礦山開(kāi)采深度增加，地壓?jiǎn)栴}日趨顯現(xiàn)，部分礦山松軟破碎巖體的開(kāi)采及支護(hù)問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，嚴(yán)重制約企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。以某黃金礦山為例，根據(jù)巖體質(zhì)量分類法和地質(zhì)力學(xué)分類法，得到松軟、破碎巖體相關(guān)的RMR及Q值，提出采用濕噴混、多種材質(zhì)錨桿加金屬網(wǎng)的聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)方案。根據(jù)巴頓支護(hù)理論，結(jié)合三維仿真支護(hù)模擬，建立支護(hù)分級(jí)體系。

1 巖體分級(jí)

1.1 Ｑ系統(tǒng)分類法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量的地下礦山開(kāi)挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和評(píng)估，巴頓等在1974年提出了根據(jù)巖體隧道質(zhì)量指數(shù)Q值來(lái)確定巖體特性和巷道支護(hù)要求，Q值通常為0.01～100[1]，定義如公式（1）所示。

（1）

式中：RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr 為節(jié)理粗糙系數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變程度系數(shù)；Jw為節(jié)理受地下水影響系數(shù)；SRF為地應(yīng)力影響系數(shù)。

1.2 RMR系統(tǒng)分類法

根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、RQD、節(jié)理間距、節(jié)理不連續(xù)狀態(tài)、地下水和節(jié)理不連續(xù)方向等6個(gè)因素分別評(píng)分，分?jǐn)?shù)總和為RMR值，數(shù)值為0～100[2]。

2 工程背景

礦山地下巖體主要為砂巖及黏土巖，整體地質(zhì)構(gòu)造顯現(xiàn)較發(fā)育，風(fēng)化作用非常顯著，經(jīng)多年開(kāi)采，現(xiàn)場(chǎng)主要軟弱破碎層及破碎構(gòu)造帶對(duì)巖體穩(wěn)定性影響較大，整體巖石等級(jí)評(píng)價(jià)為極差至中等。巖石普氏系數(shù)f經(jīng)測(cè)試為2～4，巖石的密度為2.72t/m3，測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度為18MPa～75MPa。

礦山開(kāi)拓方案為全支護(hù)主斜坡道無(wú)軌開(kāi)拓，井下運(yùn)輸采用卡車運(yùn)輸。205m中段以上采用對(duì)角式通風(fēng)方式，新鮮風(fēng)流主要由斜坡道和進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入，經(jīng)風(fēng)筒引導(dǎo)至各工作面，污風(fēng)流經(jīng)分層進(jìn)路和分段巷道匯入東西風(fēng)井排出地表。

3 支護(hù)方案

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

基于松動(dòng)圈理論，井下不同規(guī)格巷道松動(dòng)圈范圍見(jiàn)表1。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)松動(dòng)圈在1.34～1.76，為中等松動(dòng)圈，建議采用組合拱理論計(jì)算錨桿參數(shù)。結(jié)合巴頓的Q系統(tǒng)巖體分類及支護(hù)評(píng)估方法，給出軟弱、破碎巖體巷道的支護(hù)方案[3]。

經(jīng)調(diào)查，井下各區(qū)域巷道各區(qū)域Q值為0.2～9，根據(jù)Q值分布情況，選取典型Q值為0.5，巖體分類為極差。

通過(guò)巴頓的Q值和支護(hù)系統(tǒng)評(píng)估，開(kāi)挖支護(hù)系數(shù)ESR為2，Q值0.5，確定噴漿厚度為7cm，錨桿間距為1.2m，錨桿長(zhǎng)度計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中：l為設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度，m；b為巷道開(kāi)挖寬度，m。

井下采礦進(jìn)路寬度為4.5～5.0 m，ESR為2.0，設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度l為2.31～2.36 m，安全取值為2.4 m。

通過(guò)支護(hù)設(shè)計(jì)，確定在軟弱破碎巖體巷道中采用濕噴混凝土+樹(shù)脂錨桿+管縫式錨桿聯(lián)合支護(hù)[4-5]。

3.2 斷面支護(hù)

針對(duì)井下兩種進(jìn)路斷面4.5m×5.0m、5m×5.5m，確定標(biāo)準(zhǔn)支方案如圖1、圖2所示。

4.5m×5.0m規(guī)格進(jìn)路支護(hù)方案：上部錨桿排距1.2m，間距1.2m，長(zhǎng)度2.4m，采用直徑25mm樹(shù)脂錨桿；側(cè)幫錨桿排距1.2m，間距1.2m，長(zhǎng)度2.4m，采用直徑48mm管縫式錨桿。

5.0m×5.5m規(guī)格進(jìn)路支護(hù)方案：上部錨桿排距1.5m，間距1.2m，長(zhǎng)度2.4m，采用直徑25mm樹(shù)脂錨桿；側(cè)幫錨桿排距1.2m，間距1.2m，長(zhǎng)度2.4m，采用直徑48mm管縫式錨桿。

3.3 支護(hù)施工要求

噴射混凝土步驟如下。1）清理工作面：用水清洗工作面10min以上，將浮石清理干凈。2）噴漿順序：首先，第一層噴巷道拱腳，其次，噴頂板，再次，噴兩幫，最后，噴拱腳和頂板直至達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，所有噴漿方式應(yīng)由里向外后退式進(jìn)行。3）噴漿厚度：見(jiàn)各單項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。4）等待時(shí)間：噴漿后應(yīng)將做好隔離，等待2h后方可進(jìn)入下一步作業(yè)。在鋼網(wǎng)施工前，應(yīng)進(jìn)行直觀檢測(cè)。檢測(cè)指標(biāo)：鋼筋直徑不應(yīng)小于4.5mm；縱橫筋焊接點(diǎn)須采用人工雙點(diǎn)焊接；鋼網(wǎng)材質(zhì)檢測(cè)須送往專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

掛網(wǎng)施工步驟：保證噴漿后2h再開(kāi)始掛網(wǎng)/打錨桿作業(yè)，掛網(wǎng)位置參考各單項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用管縫式錨桿固定鋼網(wǎng)，鋼網(wǎng)之間搭接長(zhǎng)度不小于20cm，鋼網(wǎng)應(yīng)盡量貼緊巖面。

錨桿材料要求：樹(shù)脂錨桿直徑大于25mm，材料可用螺紋鋼，樹(shù)脂錨桿托盤需用Q235鋼，厚度大于6mm，管縫錨桿材質(zhì)選用16Mn材質(zhì)；管縫錨桿壁厚大于3mm，管縫錨桿初始錨固力要大于25kN/m，管縫錨桿托盤尺寸大于200mm×200mm，厚度大于5mm。

4 支護(hù)仿真模擬

確定上述支護(hù)設(shè)計(jì)及方案后，利用仿真軟件[6]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖流程及相關(guān)支護(hù)參數(shù)，模擬開(kāi)挖過(guò)程，分析巷道支護(hù)穩(wěn)定性。

模型巖石力學(xué)參數(shù)選擇至關(guān)重要，參數(shù)是否合理直接關(guān)系到數(shù)值模擬結(jié)果。事實(shí)上，關(guān)于巖石以及巖體力學(xué)性質(zhì)的全部數(shù)據(jù)都是源自小型試驗(yàn)和有限規(guī)模的原位試驗(yàn)，以往均通過(guò)試件試驗(yàn)，應(yīng)用分析方法來(lái)確定不同載荷條件下巖體的強(qiáng)度和變形性狀，以設(shè)法滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

研究巖體力學(xué)屬性最好的方法是現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，這樣可以綜合各種影響因素，得到最準(zhǔn)確的結(jié)論，但是這個(gè)方法耗資巨大，而且并不是任何施工現(xiàn)場(chǎng)都具備測(cè)試的條件。室內(nèi)試驗(yàn)法相對(duì)簡(jiǎn)單易行，測(cè)試結(jié)果也比較穩(wěn)定，而且測(cè)得的數(shù)據(jù)全面，但它忽略了一些因素的影響，不能直接作為巖體力學(xué)參數(shù)。

由于實(shí)驗(yàn)室方法是對(duì)所取巖芯進(jìn)行測(cè)試獲取巖體的力學(xué)屬性，因此其值比原位試驗(yàn)獲取的巖體的力學(xué)屬性要大。在實(shí)踐中通常對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試獲取的巖體的力學(xué)屬性進(jìn)行折減后，再將其作為模擬需要的物理力學(xué)參數(shù)。獲得巖體力學(xué)參數(shù)最準(zhǔn)確的方法是大型現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，但這種方法不僅時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且影響因素較多，存在很多不確定性。本次計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果為參考，重點(diǎn)分析巖體節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)模型等影響因素，運(yùn)用胡克布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則將巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行必要折減。相關(guān)巖體力學(xué)見(jiàn)表2。

濕噴混凝土物理力學(xué)參數(shù)：噴漿密度為2500kg/m3；彈性模量為30GPa；法向耦合彈簧剛度為8×108N/m3；泊松比為0.3；剪切耦合彈簧剛度為8×108N/m3；噴漿厚度為0.075m；剪切耦合彈簧內(nèi)聚力為1.0×109N·m-2。

屈服準(zhǔn)則是判斷材料進(jìn)入塑性階段的準(zhǔn)則，莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則揭示了材料抗拉性能與抗剪性能之間的關(guān)系，是目前最通用的屈服準(zhǔn)則，廣泛應(yīng)用到很多材料中，特別是巖石、混凝土材料。本研究采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。

為了提高計(jì)算效率，須對(duì)模型開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行必要簡(jiǎn)化調(diào)整，設(shè)置如下假設(shè)。1）在模型采場(chǎng)開(kāi)挖前，數(shù)值計(jì)算模型必須處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。2）將各種性質(zhì)巖體視為各向同性的彈塑性結(jié)構(gòu)體。3）礦山基建等日?；顒?dòng)對(duì)采場(chǎng)模擬影響可以忽略不計(jì)。4）將巷道支護(hù)及噴漿過(guò)程視為同時(shí)進(jìn)行，不需要考慮支護(hù)材料的養(yǎng)護(hù)時(shí)間及強(qiáng)度差異。5）采場(chǎng)開(kāi)采、回填可視為一次完成，忽略充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間因素。

4.1 開(kāi)挖過(guò)程

初始應(yīng)力場(chǎng)摒棄傳統(tǒng)的固定邊界計(jì)算方法，除考慮重力場(chǎng)外，將礦山地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果作為地質(zhì)體應(yīng)力邊界進(jìn)行初始應(yīng)力生成，可以看出受地應(yīng)力場(chǎng)的影響，初始應(yīng)力場(chǎng)在斷層切割區(qū)域存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

本次計(jì)算以地下采場(chǎng)5條進(jìn)路開(kāi)采為例，對(duì)其進(jìn)行模擬分析，如圖3所示。地質(zhì)體模型尺寸為50m×30m×30m，同時(shí)進(jìn)路上盤地質(zhì)體被多條斷層切割。

在采礦方法設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算方法的特殊性，對(duì)實(shí)際采礦工藝過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模擬開(kāi)挖順序?yàn)橹饤l進(jìn)路開(kāi)采并進(jìn)行支護(hù)。為了展示FLAC3D數(shù)值的計(jì)算成果，選取典型剖面（Y=0），對(duì)逐條推進(jìn)方案在開(kāi)挖、充填過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行分析[7-8]，揭示其采礦活動(dòng)的地壓演變規(guī)律及支護(hù)效果。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)比分析方案在開(kāi)挖、充填過(guò)程中力學(xué)特性數(shù)據(jù)后得出：在進(jìn)路開(kāi)挖后，巖體（充填體）力學(xué)特性表現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)，圍巖一側(cè)應(yīng)力解除，錨桿均處于拉伸狀態(tài)，尤其以頂板部位受力最大，最大值為23.65kN，進(jìn)路中心偏左側(cè)錨桿軸向受力明顯?；炷羾妼又饕枪凹绮课皇芰?，其次為拱頂及側(cè)幫，尤其以錨桿托盤位置應(yīng)力集中現(xiàn)象最為突出，說(shuō)明錨桿起到了加固巖體的作用。在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，混凝土噴層受力由1.12MPa增至1.3MPa，開(kāi)挖時(shí)混凝土噴層受力達(dá)到最大值為2.8MPa，應(yīng)防止混凝土發(fā)生開(kāi)裂的情況[9]。

同時(shí)，進(jìn)路圍巖單元中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要為壓應(yīng)力，其數(shù)值上呈現(xiàn)由巖體表面向巖體內(nèi)部逐漸增加的趨勢(shì)，最大值達(dá)到了12MPa，同時(shí)在開(kāi)挖巖體表面區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力現(xiàn)象，其最大值為0.48MPa，應(yīng)力應(yīng)變等地壓顯現(xiàn)方向并無(wú)突出的力學(xué)裂化特征。在開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)錨桿及噴漿體受力在極限抗拉強(qiáng)度內(nèi)，未見(jiàn)顯著破壞。對(duì)松散破碎巖體來(lái)說(shuō)，圍巖的自穩(wěn)能力較差，支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)時(shí)機(jī)在保證巷道穩(wěn)定性方面起著決定性作用，礦山應(yīng)結(jié)合自身采礦強(qiáng)度、地壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)進(jìn)路支護(hù)工藝、支護(hù)參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某黃金礦山軟弱破碎巖體巷道在支護(hù)中遇到的難題，確定完整的支護(hù)設(shè)計(jì)及流程，根據(jù)相關(guān)支護(hù)理論分析計(jì)算后，首先根據(jù)Q系統(tǒng)分級(jí)法確定巖石等級(jí)，其次根據(jù)巴頓Q值指標(biāo)和支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)估理論，確定合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)利用三維仿真手段進(jìn)行驗(yàn)證，最后確定最終支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果優(yōu)異。巷道頂板及兩幫無(wú)明顯冒頂及沉降，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間暴露，支護(hù)巖體無(wú)明顯開(kāi)裂，保障了設(shè)備及人員作業(yè)的安全性。后期經(jīng)過(guò)大規(guī)模試驗(yàn)并推廣后，證明該支護(hù)體系技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，大幅降低了巷道返修率，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)外類似條件礦山支護(hù)體系建設(shè)提供一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]康小兵，許模，陳旭.巖體質(zhì)量Q系統(tǒng)分類法及其應(yīng)用[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19（4）：91-95.

[2]張理，龔囪，趙奎.工程巖體分類評(píng)價(jià)方法綜述[J].有色金屬科學(xué)與工程，2010，1（1）：91-95.

[3]江飛飛，李向東，李永輝.基于MRMR-2000評(píng)價(jià)系統(tǒng)的礦巖可崩性分級(jí)[J].化工礦物與加工，2015（9）：26-30.

[4]劉泉聲，康永水，白運(yùn)強(qiáng)，等.顧橋煤礦深井巖巷破碎軟弱圍巖支護(hù)方法探索[J].巖土力學(xué)，2011，32（10）：3097-3104.

[5]陳城，韓立軍，張后全，等.破碎軟巖斜井巷道錨網(wǎng)噴注耦合支護(hù)技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（3）：288-291，296.

[6] 李治祥，王福奇，田斌，等. 大柳煤礦深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬研究[J]. 中國(guó)煤炭，2022，48（5）：20-26.

[7]李響，董志凱，謝永國(guó)，等. 基于FLAC3D的礦山截排洪主隧洞工程支護(hù)模擬分析[J]. 礦冶工程，2022，42（1）：19-23，29.

[8]汪海峰，魏曉明. 大跨度破碎頂板支護(hù)方案數(shù)值模擬分析及工程應(yīng)用[J]. 有色金屬（礦山部分），2022，74（4）：57-63.

[9]吉艷平. 破碎區(qū)域聯(lián)合支護(hù)的數(shù)值模擬與分析[J]. 機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2022，37（7）：96-98.