夜長坪鉬礦軟巖巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究

孫祥鑫 明士祥 秦 帥 嚴(yán)榮富

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

中原礦業(yè)有限公司夜長坪鉬礦是一個具有巨大開發(fā)潛力的大型鉬金屬原料基地，2004年2月重新規(guī)劃生產(chǎn)，目前正在進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)設(shè)計和技術(shù)改造，一期生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)2萬t/d，這將成為國內(nèi)最大的地下鉬礦山，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該礦正在井下開展自然崩落采礦法試驗。

自然崩落采礦法是一種高強(qiáng)度、大規(guī)模、安全、低成本的采礦方法，但也是一種對礦體賦存條件和礦巖性質(zhì)有較高要求的采礦方法，適用條件是礦體厚大或傾角陡的中厚礦體，同時礦巖具有良好的可崩性。根據(jù)前期研究，夜長坪鉬礦礦體厚大且可崩性能好，適合使用自然崩落法開采，但根據(jù)礦體賦存條件和放礦要求，底部結(jié)構(gòu)工程都需布置在不穩(wěn)定的礦巖中，其中絕大多數(shù)位于氧化礦石中，而氧化礦石又是礦區(qū)最不穩(wěn)定的礦巖之一，所以回采巷道穩(wěn)定性極差，一旦巷道破壞，將會造成巨大礦量損失。而且自然崩落法受礦巷道存在時間長，受二次爆破影響頻繁，工程縱橫交錯密集程度高，所處環(huán)境十分復(fù)雜，因此維護(hù)難度極大。據(jù)此，自然崩落法能否在夜長坪鉬礦成功應(yīng)用的關(guān)鍵，取決于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度和支護(hù)效果，解決好巷道支護(hù)問題對夜長坪鉬礦的發(fā)展具有極其重要的意義。本研究采用FLAC3D軟件，對巷道支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了模擬和計算，對不同的方案進(jìn)行了甄選，為現(xiàn)場支護(hù)方案和參數(shù)確定提供重要的依據(jù)。［1］。

1 巷道工程圍巖環(huán)境

1.1 礦巖物理力學(xué)特性

夜長坪鉬礦根據(jù)自然崩落采礦方法的設(shè)計需要，前期做過系統(tǒng)的巖石力學(xué)研究，并主要圍繞礦巖的穩(wěn)固特性和崩落特性開展過礦巖力學(xué)性質(zhì)測定工作，所得主要數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 夜長坪鉬礦巖石物理力學(xué)參數(shù)室內(nèi)測試結(jié)果

1.2 應(yīng)力環(huán)境

夜長坪鉬礦處于溝深山高的構(gòu)造發(fā)育區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力場突出。根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果，地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大和最小主應(yīng)力大致呈水平分布，即礦區(qū)地壓活動被構(gòu)造應(yīng)力所控制。另由于礦體上部先期的開采和已形成的地表塌陷，將會造成970 m中段的垂直應(yīng)力場加大或局部支撐應(yīng)力集中的存在，使礦區(qū)應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜多變。從整體結(jié)果看，夜長坪鉬礦原巖應(yīng)力場明顯高于國內(nèi)其他礦區(qū)，在有些區(qū)段測出的最大和最小應(yīng)力比值之高在國內(nèi)也是少見的，由此說明，礦區(qū)的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，且原巖應(yīng)力高，這對礦山開采尤其是對巷道工程的維護(hù)帶來極為不利影響。

通過線性回歸分析，得出了各主應(yīng)力值(最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2和最小主應(yīng)力σ3)隨埋深H變化的特性方程［2］如下:

式中，H為垂直方向深度，m。

2 巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬實驗研究

2.1 分析模型的建立

根據(jù)巷道斷面設(shè)計圖紙，選擇受礦巷道典型斷面進(jìn)行分析。巷道凈寬2.6 m，凈高2.9 m，斷面為直墻三心拱。選擇巷道位置為1 020 m水平，按照實驗分析970 m平均埋深計算此位置埋深約為352 m，模擬采用的參數(shù)均為巖性最差的氧化礦的數(shù)據(jù)。模擬過程中對模型底部進(jìn)行了位移約束，在X方向施加最大水平應(yīng)力，Y方向施加最小水平應(yīng)力，Z方向施加垂直應(yīng)力，巷道走向垂直于最大主應(yīng)力方向。所建模型如圖1所示。

圖1 模擬實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 不同混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)實驗研究

2.2.1 3種混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計算

初次模擬混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)分3種形式:第1種形式為300 cm厚度混凝土支護(hù)，第2種為400 cm混凝土，第3種為鋼纖維混凝土，3種混凝土支護(hù)都設(shè)有底梁。計算結(jié)果如表2。

表2 不同混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計算數(shù)據(jù)

通過模擬計算結(jié)果可以看出，加大混凝土的厚度和采用鋼纖維混凝土，較素混凝土的承載能力有所增強(qiáng)，控制圍巖變形能力也相應(yīng)加強(qiáng)。

通過位移矢量模擬發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫向中間移動，底板向上方移動，頂板向下方移動，說明在實際工程中，容易出現(xiàn)片幫底鼓和冒頂?shù)默F(xiàn)象;從位移趨勢可以看出，加大混凝土厚度和采用鋼纖維混凝土優(yōu)于素混凝土支護(hù)效果;另從應(yīng)力模擬可以看出，3種支護(hù)的最大水平應(yīng)力位置位于混凝土內(nèi)拱頂正中位置和底梁位置，正中心部分應(yīng)力值高達(dá)40 MPa，所以混凝土很容易在這2個位置發(fā)生破壞，從而引起頂?shù)装逯虚g位置失效產(chǎn)生錯動或破裂，導(dǎo)致兩幫向內(nèi)運動，底板鼓起的破壞發(fā)生;從塑性區(qū)模擬也可以看出，400 mm厚度混凝土和鋼纖維混凝土塑性區(qū)面積基本相同，與300 mm厚度混凝土相差也不大，說明施工一定厚度的混凝土支護(hù)后，基本上起到了限制塑性區(qū)發(fā)展的作用，因此在實際工程中，混凝土的厚度不能無限加大，要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)成本和施工難易程度，在不同的圍巖條件下采用不同的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2.2 增設(shè)底梁支護(hù)及壁后充填接頂模擬計算

為了比較混凝土支護(hù)添加底梁和壁后充填接頂?shù)男Ч?，進(jìn)行了不同工況條件下的穩(wěn)定狀況的模擬，分為有底梁全封閉混凝土支護(hù)、無底梁混凝土支護(hù)和無底梁不接頂混凝土支護(hù)3種形式，3種計算結(jié)果如表3。

表3 有無底梁和不接頂混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計算數(shù)據(jù)

通過模擬計算結(jié)果可以看出，全封閉混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于其他2種支護(hù)結(jié)構(gòu)。通過位移模擬可以看出，無底梁的混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量要大于有底梁的情況，而不接頂?shù)闹ёo(hù)情況水平方向和垂直方向位移更大，混凝土發(fā)生了嚴(yán)重破壞，基本失效。再觀察應(yīng)力模擬，無底梁支護(hù)的水平應(yīng)力最大位置在頂板正中，底板位置應(yīng)力較小，這點不同于有底梁支護(hù)，而不接頂支護(hù)的應(yīng)力最大區(qū)域位于支護(hù)結(jié)構(gòu)外部的圍巖中，說明混凝土已經(jīng)無法發(fā)揮支護(hù)作用，而由圍巖起到支撐作用;再觀察塑性區(qū)，有底梁形式的塑性區(qū)面積明顯小于無底梁支護(hù)方式，而不接頂?shù)那闆r下，在近7 m的范圍內(nèi)都產(chǎn)生了破壞，說明這樣的支護(hù)明顯是失效的，因此，在實際施工中，必須施工全封閉混凝土，保證混凝土壁后充填接頂，只有這樣混凝土才能起到支護(hù)作用。

2.2.3 混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)巷道穩(wěn)定性模擬

巷道采用300 mm厚素混凝土有底梁的支護(hù)形式后，再采用不同長度錨桿加固，其穩(wěn)定計算結(jié)果如表4所示。

表4 澆灌混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計算數(shù)據(jù)

通過模擬計算結(jié)果可以看出，采用錨桿進(jìn)行加固后，巷道的水平位移量明顯減小，塑性區(qū)面積也大大減小，說明施工錨桿會對限制位移和塑性區(qū)發(fā)展起到很大的作用，甚至優(yōu)于增加混凝土的厚度。

通過位移和應(yīng)力模擬可以看出，混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步限制位移，降低混凝土承載的應(yīng)力，無論對于圍巖和混凝土結(jié)構(gòu)都是有利的;通過塑性區(qū)模擬，可以發(fā)現(xiàn)施工錨桿后，塑性區(qū)面積減小，破壞區(qū)域變小，而且隨著錨桿長度的增加，起到的作用愈加明顯，所以在實際施工中，應(yīng)該選擇混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)的方式，根據(jù)塑性區(qū)模擬可以看出圍巖塑性圈在1～3 m，所以應(yīng)當(dāng)增加錨桿的長度，使錨固端楔入到塑性區(qū)外圍巖中，從而起到錨固作用［3-6］。

3 結(jié)論

(1)巷道的破壞主要集中在拱頂正中和底板位置，主要變形方式是拱頂下移，底板上鼓，兩幫向內(nèi)移動，相比較來說兩幫內(nèi)移量大于頂?shù)装逡苿恿俊?/p>

(2)對于混凝土厚度的選取，以及是否采用鋼纖維混凝土，要根據(jù)具體的巖石條件確定。對于極為破碎，而且巷道方向垂直于最大主應(yīng)力方向，那么應(yīng)該優(yōu)選鋼纖維混凝土;對于巖石條件較好，或巷道方向平行于最大主應(yīng)力，可以選取經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方式。

(3)混凝土施工有底梁且接頂?shù)闹ёo(hù)效果，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無底梁和不接頂?shù)那闆r，所以在生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)施工全封閉混凝土結(jié)構(gòu)，而且要保證施工質(zhì)量，確保底梁的連接和壁后拱頂充填接頂。

(4)施工混凝土且增加錨桿后可以起到很好的支護(hù)效果，所以優(yōu)選全封閉混凝土和錨桿聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)，而且在實際施工中必須保證錨桿安裝質(zhì)量，來確保錨桿發(fā)揮作用。

［1］ 周貫中.夜長坪鉬礦開采優(yōu)化研究報告［R］.長沙:長沙礦山研究院，2008.

［2］ 周貫中.夜長坪鉬礦區(qū)原巖應(yīng)力測試研究［R］.長沙:長沙礦山研究院，2010.

［3］ 明世祥.夜長坪鉬礦采場巷道支護(hù)技術(shù)研究綱要［R］.北京:北京科技大學(xué)，2011.

［4］ 劉 波，韓彥輝.FLAC原理實例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社.2005.

［5］ 彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.