金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)研究

趙小平 白本祥 高創(chuàng)州 呂 軍 鄧 柯

(金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌737104)

金川集團(tuán)股份有限公司是我國(guó)的鎳生產(chǎn)基地，其下轄的龍首礦東部采場(chǎng)已回采至1 100 m中段，距地表垂直高度已超過(guò)600 m，隨著開(kāi)采深度的增加，受采掘擾動(dòng)影響，地壓活動(dòng)明顯，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，巷道變形嚴(yán)重，返修工程量增加，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。鑒于上述問(wèn)題，應(yīng)該深入研究并優(yōu)化金川礦區(qū)深部巷道的噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)，以此來(lái)提高深部巷道的噴錨網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度，避免巷道發(fā)生大變形，減少巷道返修次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。

1 工程概況

龍首礦礦體賦存于超基性巖體中，圍巖主要為混合巖，其次是大理巖和片巖、片麻巖等。礦區(qū)巖石破碎，穩(wěn)定性差，采用脈外開(kāi)拓方式，無(wú)軌巷道設(shè)計(jì)凈斷面規(guī)格為4.6 m×4.3 m，1 100 m中段雙軌運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)凈斷面達(dá)到4.8 m×4.1 m，距離地表垂直深度600～1 000 m。目前，局部巷道變形嚴(yán)重，返修頻繁，不但返修費(fèi)用增加而且影響礦山的正常生產(chǎn)。

目前，深部脈外巷道一般采用雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用18 mm的螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2.25 m，網(wǎng)度1 m×1 m，梅花形布置，緊固端采用滾壓直螺紋，并配套相應(yīng)的螺帽;墊板采用厚10 mm普通鋼板制作的蝶形墊板，墊板尺寸為200 mm×200 mm;金屬網(wǎng)采用6.5 mm鋼筋在地表根據(jù)施工需要焊接而成，施工中網(wǎng)片之間牢靠連接。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)厚度200 mm。巷道設(shè)計(jì)施工圖如圖1所示。但因深部巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地壓活動(dòng)明顯，以前慣用的噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)已經(jīng)不足以維持巷道的正常使用壽命，因此有必要在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，探求更加合理的噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)。

圖1 運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)施工示意Fig.1 Design and construction schematic diagram of haulage roadway

2 模型的建立

2.1 計(jì)算所采用的力學(xué)模型

在巖體的破壞分析模型中，三維有限元軟件提供了多種力學(xué)模型。經(jīng)過(guò)大量的研究表明，對(duì)于巷道的變形破壞分析，莫爾庫(kù)倫塑性模型［1］更接近于客觀(guān)實(shí)際，該理論認(rèn)為巖石的破壞是由剪應(yīng)力引起，而且?guī)r體所受的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間存在下列的函數(shù)關(guān)系:

式中，τ為巖體所受到的剪應(yīng)力;σ為巖體所受到的法向應(yīng)力，即正應(yīng)力。

莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則是一系列極限莫爾圓的包絡(luò)線(xiàn)。該本構(gòu)模型表明，在莫爾應(yīng)力圓到包絡(luò)線(xiàn)上及包絡(luò)線(xiàn)以外則巖體發(fā)生破壞，在包絡(luò)線(xiàn)以?xún)?nèi)巖體不發(fā)生破壞。

2.2 力學(xué)參數(shù)

通過(guò)參閱有關(guān)金川銅鎳礦工程地質(zhì)與巖石力學(xué)性質(zhì)的研究資料［2-4］，模擬研究中所采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模擬計(jì)算所采用的參數(shù)Table 1 Parameters used in simulation

2.3 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)巷道的開(kāi)挖斷面規(guī)格，并結(jié)合實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù)與選定的破壞理論準(zhǔn)則，建立三維有限元模型［5］。巷道斷面為直墻半圓拱［6］，凈斷面規(guī)格4.8 m×4.1 m，雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)。模型大小為10 m×65 m×60 m，即沿巷道中心線(xiàn)水平方向取10 m(y方向)，垂直巷道水平方向取65 m(x方向)，巷道垂直方向取60 m(z方向)，共生成節(jié)點(diǎn)18 546個(gè)，計(jì)算單元15 920個(gè)。模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算機(jī)模擬巷道網(wǎng)格劃分Fig.2 Model diagram of roadway simulation

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果［4，7-9］，金川礦區(qū)地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，目前龍首礦開(kāi)采深度已達(dá)600 m以上，因此，水平應(yīng)力為18.86 MPa，垂直應(yīng)力為14.17 MPa。根據(jù)龍首礦巖石應(yīng)力分布特征設(shè)置模型邊界條件。對(duì)模型四周邊界節(jié)點(diǎn)的x、y、z方向分別設(shè)置約束，相當(dāng)于固定支座約束，在圍巖與混凝土間建立接觸面，并進(jìn)行固定約束，并對(duì)錨桿端部施加預(yù)應(yīng)力。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算方案

根據(jù)巷道支護(hù)方案，以最大限度節(jié)省材料為原則，分別按照1.8 m、2.25 m、3 m 3種錨桿長(zhǎng)度和0.75 m ×1.0 m、1.0 m ×1.0 m、1.5 m ×1.0 m 、1.5 m×2.0 m 4種安裝網(wǎng)度以及200 mm的混凝土噴射厚度，選擇12種組合方案進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工順序，12種組合模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，12種支護(hù)方案中，方案4的最大壓應(yīng)力為32.45 MPa，最大拉應(yīng)力為9.12 MPa，此方案巷道壁承受的應(yīng)力最大;方案9中最大壓應(yīng)力為18 MPa，最大拉應(yīng)力為7.47 MPa，此方案為12種方案中巷道壁承載的應(yīng)力最小。而且從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)錨桿安設(shè)網(wǎng)度相同的情況下，錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)巷道壁承受的應(yīng)力值越小;當(dāng)錨桿長(zhǎng)度相同的情況下，安設(shè)網(wǎng)度越小，巷道壁承載的應(yīng)力越小。但從數(shù)值模擬云圖分布結(jié)果可以看出，方案11可使巷道壁應(yīng)力與位移分布均勻，而且在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上比較合理，因此，該方案為模擬計(jì)算最優(yōu)方案，即錨桿長(zhǎng)度采用3 m、安設(shè)網(wǎng)度采用1.5 m×1.0 m、噴射混凝土厚度為200 mm是金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)合理方案。方案11的數(shù)值模擬計(jì)算云圖分布如圖3所示。

表2 各種支護(hù)方案數(shù)值模擬參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of numerical simulation parameters of all supports

4 工程應(yīng)用

圖3 方案11的數(shù)值分析云圖Fig.3 Numerical analysis contours of scheme 11

龍首礦現(xiàn)有井下主要巷道總長(zhǎng)達(dá)78 km(不包括在建工程)，其中1 100 m中段運(yùn)輸巷道承擔(dān)著東中采區(qū)礦石以及基建施工中的廢石運(yùn)輸任務(wù)，因此人員、車(chē)輛流動(dòng)量大，運(yùn)輸任務(wù)繁重。在1 100 m中段有200 m的雙軌運(yùn)輸巷道，設(shè)計(jì)凈斷面規(guī)格為4.8 m×4.1 m(寬×高)，因該段巷道設(shè)計(jì)服務(wù)年限長(zhǎng)，加之地壓大、巖石節(jié)理裂隙發(fā)育、流變特性強(qiáng)等特點(diǎn)，致使巷道收斂變形嚴(yán)重，車(chē)輛安全間距不夠，直接影響著1 100 m中段礦石及毛石的運(yùn)輸作業(yè)，同時(shí)也存在安全隱患。因此，為了保證1 100 m中段運(yùn)輸系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，曾多次對(duì)該段巷道進(jìn)行返修，但由于特殊的地質(zhì)條件和復(fù)雜的巖體力學(xué)特性，致使以前慣用的噴錨網(wǎng)參數(shù)已經(jīng)很難奏效，最終陷入“壞了再修、修了再壞”的死循環(huán)。

綜上所述，該段巷道所處的地質(zhì)條件和巖石特性基本代表了金川礦區(qū)深部巷道支護(hù)的客觀(guān)不利條件，因此將本次模擬研究的結(jié)果應(yīng)用在該段巷道的支護(hù)中，不但可以有效的提高1 100 m中段運(yùn)輸巷道的抗地壓能力，延緩巷道收斂變形、減少返修次數(shù)，同時(shí)也驗(yàn)證了本次模擬研究結(jié)果在金川礦區(qū)深部巷道支護(hù)中的可行性。對(duì)1 100 m中段雙軌運(yùn)輸巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)改進(jìn)前后的效果進(jìn)行分析，見(jiàn)表3。

表3 1 100 m中段雙軌運(yùn)輸巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)改進(jìn)前后支護(hù)效果對(duì)照Table 3 Comparison before and after spray-anchor-net support parameters improved in double-rail transportation roadway of 1 100 m level

經(jīng)過(guò)對(duì)1 100 m中段雙軌運(yùn)輸巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)改進(jìn)前后的效果對(duì)比，可以看出，采用模擬研究得出的噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)后，巷道抗地壓能力明顯增強(qiáng)，收斂變形減緩，同時(shí)巷道壁受力較均勻，巷道斷面形狀規(guī)格保持較好，應(yīng)力集中減弱，從而較好的維持了支護(hù)混凝土體的完整性。

以上結(jié)果表明，采用模擬研究得出的噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)對(duì)金川礦區(qū)深部巷道的支護(hù)具有較好的改善效果，見(jiàn)圖4所示。

圖4 巷道改進(jìn)前后支護(hù)效果對(duì)比Fig.4 Comparison of supporting effects before and after roadway improved

5 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證了目前金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)的可行性，為后續(xù)研究指明了方向。

(2)從數(shù)值模擬研究結(jié)果可以看出，金川礦區(qū)深部巷道底板變形現(xiàn)象明顯，因此今后在深部巷道的支護(hù)研究中還應(yīng)該重點(diǎn)探究經(jīng)濟(jì)、合理的巷道底板的封底加固措施。

(3)通過(guò)12種方案的分析比較，采用方案11可以使巷道壁應(yīng)力與位移相對(duì)較小，同時(shí)又分布均勻，因此可以有效的提高巷道的穩(wěn)定性。故金川礦區(qū)深部巷道噴錨網(wǎng)支護(hù)的經(jīng)濟(jì)合理參數(shù)為:錨桿長(zhǎng)度3 m、安設(shè)網(wǎng)度1.5 m×1.0 m、噴射混凝土厚度為200 mm。

(4)通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，模擬研究得出的噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)對(duì)提高金川礦區(qū)深部巷道的穩(wěn)定性具有比較明顯的效果，可在深部巷道的支護(hù)中采納并不斷改進(jìn)。

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