采場(chǎng)破碎上盤支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬研究

王海文，張 寶，顧生春，李志軍，吳亞飛

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

新疆某金礦賦存于上石炭統(tǒng)含碳泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層灰?guī)r條帶中，礦體嚴(yán)格受此層位控制，礦體與圍巖界線清楚。礦體由條帶狀、透鏡狀或薄層狀組成，呈層狀產(chǎn)出。產(chǎn)狀與圍巖基本一致，總體走向近東西向。該脈礦體中等穩(wěn)固、上盤圍巖不穩(wěn)固、下盤圍巖中等穩(wěn)固，礦體傾角65°，平均品位6.2 g/t，厚度達(dá)2～8 m，屬于急傾斜高品位中等穩(wěn)固中厚礦體。礦石松散系數(shù)為1.6，體重為2.85 t/m3，巖石體重為2.70 t/m3。

礦山采用平硐+豎井聯(lián)合開拓。對(duì)于該高品質(zhì)礦體，目前采用上向進(jìn)路充填法進(jìn)行開采。設(shè)計(jì)采場(chǎng)長(zhǎng)度為50 m，寬度為礦體厚度，高度為中段高度50 m，分段高度10 m，分層高度2.5 m。該方法回采貧損率＜8%。

1 破碎上盤支護(hù)方案與數(shù)值模擬方案

1.1 采場(chǎng)上盤支護(hù)方案

由于采場(chǎng)上盤破碎，給礦山安全管理帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了預(yù)防采礦過程上盤圍巖剝落，必須了解上下盤圍巖巖體質(zhì)量等級(jí)。通過對(duì)該金礦上盤巖體質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其巖芯破碎呈短柱狀、碎塊狀為主，裂隙極發(fā)育，常見綠泥石化，淺部巖石中發(fā)育有風(fēng)化裂隙，巖體質(zhì)量指標(biāo)＜0.12，抗壓強(qiáng)度＜30 MPa，巖體較破碎，厚度巨大，巖體質(zhì)量分級(jí)為Ⅳ類，RQD分級(jí)、RMR分級(jí)、Q系統(tǒng)分級(jí)分別為 32，30，2.9，上盤巖體質(zhì)量總體為差巖體。設(shè)計(jì)對(duì)開挖后進(jìn)路上盤加以支護(hù)，采用螺紋鋼錨桿+噴漿+雙筋條進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，以確保在回采期間上盤的穩(wěn)定性。即首先對(duì)進(jìn)路上盤及頂板進(jìn)行噴漿（2～3 cm）處理，然后對(duì)采場(chǎng)上盤圍巖進(jìn)行螺紋鋼錨桿（全長(zhǎng)錨固）+雙筋條支護(hù)，再進(jìn)行一次噴漿支護(hù)（2～3 cm），服務(wù)周期約1個(gè)月。

為了獲得科學(xué)合理的采場(chǎng)破碎上盤支護(hù)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及類似巖性支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)兩種支護(hù)方案：第一種方案的錨桿網(wǎng)度為2 m×2 m，錨桿長(zhǎng)度為2 m，噴射混凝土厚度為10 cm；第二種方案的錨桿網(wǎng)度為1 m×1 m，錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，噴射混凝土厚度為4～6 cm。

本文將采用數(shù)值仿真模擬方法，從理論上對(duì)這兩種支護(hù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，優(yōu)選出一種支護(hù)參數(shù)方案，以獲得更適合礦山實(shí)際情況的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型和模擬方案

1.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

數(shù)值分析軟件采用巖土計(jì)算專業(yè) FLAC3D。在建立了采場(chǎng)數(shù)值模型后，通過其FISH程序命令語言添加錨桿和錨索（cable）單元、噴射混凝土（line二步驟）單元，錨桿和噴射混凝土單元需在分層礦體開挖后一排排安裝在上盤，首先噴漿，然后安裝錨桿和雙筋條（局部采用鋼絲網(wǎng)），最后再噴射混凝土。

結(jié)合礦山所使用的支護(hù)形式（樹脂錨桿，噴漿支護(hù)）及其具體的支護(hù)參數(shù)，參考類似礦山同類型支護(hù)的參數(shù)，得出礦山支護(hù)數(shù)值模擬分析的FLAC3D參數(shù)如表1所示。同時(shí)，設(shè)置錨桿的預(yù)應(yīng)力為6×104Pa。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

1.2.2 開采步驟數(shù)值模擬

根據(jù)上向進(jìn)路充填法回采技術(shù)特點(diǎn)，為盡可能模擬礦體回采-支護(hù)-充填過程中應(yīng)力、應(yīng)變的疊加演變，共設(shè)計(jì) 18次“采-支-充”循環(huán)進(jìn)行模擬計(jì)算。自下向上依次劃分為 18個(gè)分層，每個(gè)分層高為2.5 m。

（1）模擬采場(chǎng)拉底時(shí)，一次性完成“開挖1”達(dá)到控頂高度，隨后采用錨桿和混凝土支護(hù)上盤圍巖，最后采用高配比混凝土“充填1”。

（2）完成“充填1”后，繼續(xù)開采2，即完成“開挖2”；隨后采用錨桿和混凝土支護(hù)上盤圍巖，最后采用高配比混凝土“充填 2”形成本階段的假底。

（3）依次循環(huán)向上發(fā)展直至本階段回采結(jié)束。同時(shí)，在進(jìn)行“采-支-充”循環(huán)模擬分析時(shí)，記錄每一分層開挖平衡后的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、最大垂向位移和塑性區(qū)變化情況。

因本次需重點(diǎn)分析穩(wěn)定性的對(duì)象為上盤的圍巖，為證明錨桿支護(hù)的效果和選擇最佳的支護(hù)參數(shù)，本節(jié)對(duì)4 m、6 m厚礦體開采時(shí)在3種支護(hù)參數(shù)：不支護(hù)、2 m×2 m網(wǎng)度支護(hù)、1 m×1 m網(wǎng)度支護(hù)條件下，探討上盤的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)情況。

2 不同厚度礦體支護(hù)參數(shù)數(shù)值分析

2.1 4 m厚礦體支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果

（1）上盤應(yīng)力演變。開采4 m厚礦體完成整體開挖后，最大主應(yīng)力即最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在采場(chǎng)的底板和底板的位置，且隨著網(wǎng)度的增加，頂?shù)装宄霈F(xiàn)的拉應(yīng)力集中區(qū)變大，但拉應(yīng)力變小，由于數(shù)值不大，對(duì)上盤的穩(wěn)定性影響不大。而隨著支護(hù)網(wǎng)度的增加，礦體的上盤和下盤的應(yīng)力集中區(qū)域面積逐漸減小，數(shù)值逐漸增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。由圖1，圖2可以看出，對(duì)于不支護(hù)或2 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著回采的進(jìn)行，上盤拉應(yīng)力逐漸增加，但對(duì)于1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，上盤拉應(yīng)力卻在逐漸減小，開挖完成后圍巖內(nèi)的最大應(yīng)力為0.15 MPa，說明這種支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效釋放上盤內(nèi)的拉應(yīng)力。但壓應(yīng)力卻較另外兩種方案有所增加，且在上盤內(nèi)造成了十分明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)域，但盡管壓應(yīng)力有集中現(xiàn)象，但絕對(duì)數(shù)值較小，在8.7～9.2 MPa之間，對(duì)上盤的穩(wěn)定性構(gòu)不成威脅，可忽略。

圖1 不同支護(hù)方式開采過程中最大拉應(yīng)力演變

圖2 不同支護(hù)方式開采過程中最大壓應(yīng)力演變

（2）上盤垂直位移演變。由圖 3可知，不支護(hù)和2 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤中的最大位移基本相同，為28～36 mm，說明2 m的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效控制上盤變形。1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤下沉位移保持在11.6 mm左右，控制了采場(chǎng)周邊圍巖的變形，維持了上盤的穩(wěn)定性。

圖3 不同支護(hù)方式開采過程中最大垂向位移演變

（3）上盤圍巖塑性區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，隨著采場(chǎng)不斷回采，支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效的減小圍巖的塑性區(qū)，但2 m網(wǎng)度的上盤圍巖還是出現(xiàn)了成片的塑性區(qū)，這代表此種支護(hù)結(jié)構(gòu)不能最大限度保持上盤圍巖的穩(wěn)定性，而1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤圍巖內(nèi)基本沒有塑性區(qū)，在下盤內(nèi)同樣沒有明顯的塑性區(qū)，這代表圍巖的穩(wěn)定性良好，小網(wǎng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效控制上盤圍巖的變形，使之保持穩(wěn)定。

2.2 6 m厚礦體支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果

（1）上盤應(yīng)力演變。開采6 m厚礦體完成整體開挖后，最大主應(yīng)力即最大拉應(yīng)力。由圖 4、圖5可以看出，對(duì)于不支護(hù)或2 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著回采的進(jìn)行，上盤拉應(yīng)力逐漸增加，但對(duì)于1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，上盤拉應(yīng)力卻在逐漸減小，開挖完成后圍巖內(nèi)的最大應(yīng)力小于0.2 MPa，這說明這種支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效釋放上盤拉應(yīng)力。但壓應(yīng)力卻較另外兩種方案有所增加，基本保持在10 MPa左右，且在上盤內(nèi)造成了十分明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)域。盡管壓應(yīng)力有集中現(xiàn)象，但絕對(duì)數(shù)值較小，對(duì)上盤的穩(wěn)定性構(gòu)不成威脅。

（2）上盤豎直位移演變。從圖 6可知，不支護(hù)和2 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤中的最大位移基本相同，為35～42 mm，說明2 m的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效控制上盤變形。1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤下沉位移，保持在16 mm左右，控制了采場(chǎng)周邊圍巖的變形，維持了上盤的穩(wěn)定性。

圖4 不同支護(hù)方式開采過程中最大拉應(yīng)力演變

圖5 不同支護(hù)方式開采過程中最大壓應(yīng)力演變

圖6 不同支護(hù)方式開采過程中最大垂向位移演變

（3）上盤圍巖塑性區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，隨著采場(chǎng)不斷回采，支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效減小圍巖的塑性區(qū)，但2 m網(wǎng)度的上盤圍巖還是出現(xiàn)了成片的塑性區(qū)，這代表此種支護(hù)結(jié)構(gòu)不能最大限度保持上盤圍巖的穩(wěn)定性，而1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤圍巖內(nèi)基本沒有塑性區(qū)，在下盤內(nèi)同樣沒有明顯的塑性區(qū)，這代表圍巖的穩(wěn)定性良好，小網(wǎng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效控制上盤圍巖變形，使之保持穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于不支護(hù)或2 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著回采的進(jìn)行，上盤內(nèi)拉應(yīng)力逐漸增加。但對(duì)于1m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，上盤內(nèi)的拉應(yīng)力會(huì)逐漸減小，此種支護(hù)結(jié)構(gòu)能釋放上盤內(nèi)拉應(yīng)力，同時(shí)壓應(yīng)力卻較另外兩種方案有所增加，上盤內(nèi)有明顯的應(yīng)力集中區(qū)，但絕對(duì)數(shù)值較小，約為9 MPa，不會(huì)對(duì)上盤的穩(wěn)定性構(gòu)造成影響。

（2）不支護(hù)和2 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上盤中的最大位移基本相同，平均為35 mm左右，基本為1 m網(wǎng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)的上盤位移的2倍，2 m的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效控制上盤變形。1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效減小上盤圍巖的下沉位移，控制了圍巖變形，保持上盤的穩(wěn)定性。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效的控制圍巖的塑性區(qū)，但2 m網(wǎng)度的上盤圍巖內(nèi)會(huì)出現(xiàn)成片的塑性區(qū)，表明此種支護(hù)結(jié)構(gòu)不能保持上盤圍巖的穩(wěn)定性。而 1 m網(wǎng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)上下盤圍巖內(nèi)均沒有塑性區(qū)，只有充填體內(nèi)出現(xiàn)零星塑性區(qū)，對(duì)上盤穩(wěn)定性影響不大。這表明1 m網(wǎng)度的噴漿+錨桿+雙筋條支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地控制上盤圍巖變形，保持其穩(wěn)定。

因此，為了保證上盤圍巖的穩(wěn)定性，確保采場(chǎng)安全高效回采，推薦上向進(jìn)路充填法采場(chǎng)上盤圍巖的支護(hù)參數(shù)為：錨桿支護(hù)網(wǎng)度1 m×1 m，錨桿長(zhǎng)度3.5 m，噴射混凝土厚度4～6 cm。