凌源日興礦業(yè)公司開拓巷道錨噴支護參數(shù)數(shù)值模擬優(yōu)化

摘要：錨噴支護技術(shù)是礦山工程控制圍巖穩(wěn)定的主要技術(shù)之一，而數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用使得錨噴支護設(shè)計可以更客觀地考慮巷道圍巖與錨噴支護體之間的相互作用，在多支護方案比較時選出最優(yōu)方案，具有較高的科學(xué)性和合理性。結(jié)合凌源日興礦業(yè)公司深部-150 m開拓巷道工程實際，設(shè)計采用錨噴支護方式對局部破碎地段進行強化支護，并提出了3種支護參數(shù)優(yōu)化方案，通過Flac3D軟件對巷道開挖、支護過程進行模擬計算，獲得了不同支護參數(shù)優(yōu)化方案的巷道圍巖應(yīng)力、位移及支護體的力學(xué)特征，為巷道支護方案優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：開拓巷道;錨噴支護;數(shù)值模擬;圍巖變形;支護體力學(xué)特征

中圖分類號：TD353????????? 文章編號：1001-1277（2021）06-0035-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20210607

引 言

錨噴支護技術(shù)是礦山工程控制圍巖穩(wěn)定的主要手段之一，其本質(zhì)是將錨噴支護體和圍巖黏結(jié)在一起，形成一個統(tǒng)一整體，二者之間互相依存，彼此制約，共同變形，聯(lián)合受力[1]。傳統(tǒng)的支護設(shè)計方法主要為工程類比、理論計算法，而數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用使得錨噴支護設(shè)計可以更客觀地考慮巷道圍巖與錨噴支護體之間的相互作用，尤其在多參數(shù)方案優(yōu)化時技術(shù)優(yōu)勢更為明顯，便于設(shè)計者快速直觀選出最優(yōu)方案，具有較高的科學(xué)性和合理性[2-3]。

本次研究針對凌源日興礦業(yè)有限公司（下稱“凌源日興礦業(yè)公司”）在-150 m開拓工程中遇到圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育等惡劣工程條件的問題，設(shè)計采用錨噴支護方式對局部區(qū)段巷道巖體進行強化支護處理，綜合工程地質(zhì)條件特征并結(jié)合以往工程經(jīng)驗研究提出了3種支護參數(shù)優(yōu)化方案;采用Flac3D軟件建立不同參數(shù)條件下的三維數(shù)值分析模型，分別對同一地質(zhì)條件下的巷道開挖、支護過程進行仿真模擬計算，獲得了不同支護強度下巷道圍巖應(yīng)力、位移及支護體受力的力學(xué)特征與演變規(guī)律，為巷道支護方案優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程背景

凌源日興礦業(yè)公司（原柏杖子金礦）為地下開采礦山，目前共有14個生產(chǎn)中段，最低開采標高為-110 m 中段，-150 m中段處于開拓階段。礦山采用豎井開拓方式，新掘混合井主要承擔(dān)礦石提升任務(wù)，同時兼人員、材料提升，原豎井主要負責(zé)提升廢石、人員、材料及少量礦石。采礦方法因礦體開采技術(shù)條件差異而不同，主要為有底柱分段崩落采礦法、無底柱分段崩落采礦法、干式充填采礦法、淺孔留礦采礦法、削壁充填采礦法等。

-150 m中段巷道圍巖主要為石英砂巖、花崗巖及細粒閃長巖，花崗巖和細粒閃長巖為中等堅硬巖石，石英砂巖屬相當(dāng)堅硬巖石，圍巖整體穩(wěn)固性較好，但局部存在不穩(wěn)定巖層及破碎帶，導(dǎo)致局部地段施工難度較大。由巖石質(zhì)量數(shù)據(jù)分析判斷，高于莊組泥質(zhì)白云巖、粉砂質(zhì)頁巖及其互層帶和F2斷裂雙重因素，導(dǎo)致巖石破碎，暴露脫水后由于地下水靜水壓力作用，致使局部巷道冒落、片幫。

基于上述情況，礦山采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護對局部巷道進行強化支護（見圖1），錨桿選用管縫式錨桿，桿體為40 mm有縫鋼管，錨桿長度1.6～1.8 m，初始錨固力3～7 kN/根;金屬網(wǎng)選用12#鍍鋅鐵絲編織，網(wǎng)孔為菱形，規(guī)格為46 mm×56 mm，網(wǎng)片尺寸1.2 m×1.5 m，網(wǎng)片之間搭接寬度不小于0.1 m;噴射C20混凝土，使用強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，細集料為中粗砂，細度模數(shù)2.6，表觀密度為2 642 kg/m3，粗集料為碎石，粒徑5～15 mm，連續(xù)級配，表觀密度為2 715 kg/m3。

根據(jù)礦山以往設(shè)計經(jīng)驗，-150 m中段巷道初步支護方案為管縫式錨桿+噴射混凝土支護，其中，錨桿長1.8 m，網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，噴射混凝土厚80 mm。通過圍巖松弛范圍聲波測定結(jié)果判定，該方案現(xiàn)場支護效果存在著支護強度過大的問題，因而有必要開展有針對性的支護參數(shù)優(yōu)化工作。

2 巷道支護方案數(shù)值模擬計算

為盡可能節(jié)約巷道支護成本，同時保證巷道安全施工和斷面完整性，進一步提高開拓巷道掘進和支護效率，提出3種-150 m中段巷道支護參數(shù)優(yōu)化方案（見表1）。

2.1 本構(gòu)模型與假設(shè)

礦山巖體屬于脆性硬巖，當(dāng)外荷載達到巖石強度后，巖石會發(fā)生斷裂破壞，產(chǎn)生弱化現(xiàn)象，屬于彈塑性體。在Flac3D軟件中，一般對于彈塑性材料，判斷其破壞與否的基本準則有Druckerprager準則和Mohr-Coulomb準則。根據(jù)大量的理論分析和試驗結(jié)果，Mohr-Coulomb準則具有較強的適應(yīng)性[4-5]，因此本次計算中采用該破壞準則。

為便于數(shù)值計算，提高效率，需要對巷道開挖過程進行適當(dāng)簡化，同時又確保數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，特做如下假設(shè)[6-7]：

1）開挖巖體、圍巖視為各向同性的彈塑性體。

2）開挖之前，數(shù)值計算模型處于初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。

3）巷道開挖、支護均為一次完成，不考慮混凝土養(yǎng)護時間。

4）噴漿、錨桿支護同時進行，不考慮混凝土養(yǎng)護時間與強度變化。

5）巖體中各種結(jié)構(gòu)弱面通過巖體力學(xué)參數(shù)折減予以綜合考慮。

2.2 巖體力學(xué)計算參數(shù)

本次計算選取的巖體力學(xué)計算參數(shù)依據(jù)為凌源日興礦業(yè)公司礦山巖石力學(xué)試驗報告，同時綜合考慮巖體節(jié)理裂隙、巖體結(jié)構(gòu)、地下水和尺寸效應(yīng)的影響，采用Hoek-Brown強度準則將巖塊力學(xué)參數(shù)進行折減、修正后換算獲得巖體力學(xué)計算參數(shù)[8]。-150 m中段巷道圍巖主要為花崗巖，根據(jù)礦山工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果折減后的巖體力學(xué)計算參數(shù)見表2。

由于Flac3D軟件采用體積模量和剪切模量描述彈性模量和泊松比，因此，需要采用下面公式計算巖體的體積模量和剪切模量。（E，μ）與（K，G）的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

K=E3（1-2μ）

G=E2（1+μ）（1）

式中：K為體積模量（MPa）;G為剪切模量（MPa）;E為彈性模量（MPa）;μ為泊松比。

2.3 巷道支護計算參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬計算工作的需要，對-150 m中段巷道錨噴支護設(shè)計如下：

1）噴射混凝土厚80～100 mm，28 d單軸抗壓強度不得低于30 MPa，塑料纖維摻量0.9～1.0 kg/m3。

2）管縫式錨桿長1.8 m，選用16Mn或20MnSi材質(zhì)，錨桿壁厚不小于3 mm，外徑40 mm，縫隙寬13～18 mm。

3）巷道斷面錨桿間距1.0 m，排距1.0 m，拉拔力不小于60 kN，初始錨固力不小于12 kN/m。

4）錨桿托盤尺寸不小于200 mm×200 mm，托盤厚度不小于5 mm，可用Q235鋼材或同類材質(zhì)鋼材。

結(jié)合上述錨噴支護體結(jié)構(gòu)及參數(shù)，確定本次Flac3D軟件數(shù)值模擬計算的單元類型為：噴漿支護采用襯砌（liner）結(jié)構(gòu)單元，管縫式錨桿采用樁（pile）結(jié)構(gòu)單元[9]。通過查閱Flac3D軟件指南，對上述支護參數(shù)進行分析擬合，計算獲得的數(shù)值模擬噴漿結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見表3，管縫式錨桿結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見表4。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

為了能夠直觀反映不同支護參數(shù)條件下圍巖內(nèi)部、支護體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征，需要選取有代表性的剖面位置進行巖體、支護體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性數(shù)據(jù)分析，垂直于巷道軸線對模型進行剖切形成模型橫斷面剖面圖，在此基礎(chǔ)上對方案一、方案二、方案三進行巷道錨桿支護效果分析，其結(jié)果如下。

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

1）方案一巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變及支護分析。方案一巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖見圖2-a），剪應(yīng)力云圖見圖2-b）、f），位移云圖見圖2-c）、d），錨桿軸向受力圖見圖2-e）。

從圖2可以看出：隨著巷道巖體的開挖，巖體中初始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，橫斷面上呈現(xiàn)由圍巖表面向深部逐漸加劇的趨勢，尤其巷道側(cè)幫區(qū)域易出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象，最大值為0.35 MPa，小于巖體抗拉強度1.65 MPa。橫斷面上巷道4個拐角區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值達到11.93 MPa。巷道頂板、底板圍巖中出現(xiàn)了較大的豎向位移，最大位置出現(xiàn)在巷道底板，表現(xiàn)為巷道底鼓，最大值達到7.0 cm，由于頂板進行了錨網(wǎng)支護，頂板沉降的最大位移僅為5.88 cm。水平位移方面，巷道側(cè)幫圍巖有向中央收斂的趨勢，最大位置達到3.95 cm。從錨桿軸向受力圖（見圖2-e））可以看出，巷道兩幫錨桿受力較大，其次為頂板中央錨桿，再次是拱肩錨桿，所有錨桿受力最大值達到4.863 kN，小于錨桿最小錨固力，因而錨桿并不會失效。而混凝土噴層的受力主要集中在拱肩部位，最大值達到1.04 MPa。

2）方案二巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變及支護分析。方案二巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖見圖3-a），剪應(yīng)力云圖見圖3-b）、f），位移云圖見圖3-c）、d），錨桿軸向受力圖見圖3-e）。

從圖3可以看出：隨著巷道巖體的開挖，巖體中初始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，橫斷面上呈現(xiàn)出由圍巖表面向深部逐漸加劇的趨勢，尤其巷道側(cè)幫區(qū)域易出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象，最大值為0.27 MPa，小于巖體抗拉強度1.65 MPa。橫斷面上巷道4個拐角區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值達到12.04 MPa。巷道頂板、底板圍巖中出現(xiàn)了較大的豎向位移，最大位置出現(xiàn)在巷道底板中，表現(xiàn)為巷道底鼓，最大值達到8.70 cm，由于頂板進行了錨網(wǎng)支護，頂板沉降的最大位移僅為6.17 cm。水平位移方面，巷道側(cè)幫圍巖有向中央收斂的趨勢，最大位置達到5.10 cm。從錨桿軸向受力圖（見圖3-e））可以看出，巷道兩幫錨桿受力較大，其次為頂板中央錨桿，再次是拱肩錨桿，所有錨桿受力最大值達到5.049 kN，小于錨桿最小錨固力，因而錨桿并不會失效。而混凝土噴層的受力主要集中在拱肩部位，最大值達到1.04 MPa。

3）方案三巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變及支護分析。方案三巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖見圖4-a），剪應(yīng)力云圖見圖4-b）、f），位移云圖見圖4-c）、d），錨桿軸向受力圖見圖4-e）。

從圖4可以看出：隨著巷道巖體的開挖，巖體中初始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，橫斷面上呈現(xiàn)出由圍巖表面向深部逐漸加劇的趨勢，最小主應(yīng)力值為0.018 MPa，集中出現(xiàn)在巷道頂板、側(cè)幫及底板表面，該區(qū)域易出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象。橫斷面上巷道4個拐角區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值達到12.12 MPa。巷道頂板、底板圍巖中出現(xiàn)了較大的豎向位移，最大位置出現(xiàn)在巷道底板中，表現(xiàn)為巷道底鼓，最大值達到13.05 cm，由于頂板進行了錨網(wǎng)支護，頂板沉降的最大位移僅為7.71 cm。水平位移方面，巷道側(cè)幫圍巖有向中央收斂的趨勢，最大位置達到10.41 cm。從錨桿軸向受力圖（見圖4-e））可以看出，巷道兩幫錨桿受力較大，其次為頂板中央錨桿，再次是拱肩錨桿，所有錨桿受力最大值達到7.612 kN，小于錨桿最小錨固力，因而錨桿并不會失效。而混凝土噴層的受力主要集中在拱肩部位，最大值達到0.92 MPa。

3.2 方案比選

為了方便對比不同巷道支護方案的地壓特征，以下提取數(shù)值模型圍巖、支護結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力、應(yīng)變特征數(shù)據(jù)（見表5）進行統(tǒng)計分析。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和應(yīng)力應(yīng)變特征的對比：方案三的巖石力學(xué)物理特性出現(xiàn)了明顯裂化現(xiàn)象，方案二與方案一的巖石力學(xué)行為表現(xiàn)相對均衡，支護效果相差不大，但方案二支護成本和效果更優(yōu)越，因而將方案二作為推薦方案的最佳方案，凌源日興礦業(yè)公司可通過現(xiàn)場工業(yè)試驗進行實際論證。

4 結(jié) 論

1）針對凌源日興礦業(yè)公司巷道支護初步方案支護強度過大的問題，研究提出了3種巷道支護參數(shù)優(yōu)化方案，根據(jù)Flac3D軟件數(shù)值模擬計算要求完成巖石力學(xué)、錨桿支護參數(shù)的匹配取值。

2）通過Flac3D軟件對同一地質(zhì)條件下的巷道開挖、支護過程進行模擬計算，獲得了不同支護強度下巷道圍巖應(yīng)力、位移及支護體受力的力學(xué)特征與演變規(guī)律。

3）數(shù)值模擬計算結(jié)果表明：方案二的巖石力學(xué)物理特性整體上相對較好，即錨桿長度1.7 m，錨桿網(wǎng)度1.0 m×1.0 m時巖體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)較好，可以作為最優(yōu)支護參數(shù)進行現(xiàn)場工業(yè)試驗。

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Numerical simulation and optimization of bolting and shotcreting parameters

in development roadway of Lingyuan Rixing mining company

Zhang Wenguo

（Lingyuan Rixing Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Bolting and shotcreting support technology is one of the main means to control the stability of surrounding rocks in mining engineering，and the application of numerical simulation technology makes the design of bolting and shotcreting support more objective by considering the interaction between roadway surrounding rocks and the bolt-ing and shotcreting supporting body.It is scientific and reasonable to select the optimal scheme by comparing multiple support schemes.Based on the engineering practice of deep -150 m development roadway in Lingyuan Rixing mining company，bolting and shotcreting support is designed to strengthen support in local broken area，and three optimization schemes of support parameters are put forward.Through the simulation calculation of roadway excavation and support process by Flac3D software，the surrounding rock stress，displacement and mechanical characteristics of the supporting bodies of different optimization schemes with support parameters are obtained.The purpose of this paper is to provide theoretical basis and technical guidance for the optimization of roadway support scheme.

Keywords：roadway excavation;bolting and shotcreting support;numerical simulation;surrounding rock deformation;mechanical characteristics of support body

收稿日期：2020-09-14; 修回日期：2021-03-18

作者簡介：張文國（1972—），男，遼寧朝陽人，高級工程師，從事采礦與安全專業(yè)的設(shè)計審核及管理工作;遼寧省凌源市刀爾登鎮(zhèn)柏杖子村，凌源日興礦業(yè)有限公司，122500;E-mail：1362428207@qq.com