復(fù)雜矽卡巖巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

王立杰 耿 帥 尹愛(ài)民 張素娜 何 偉

(河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司,河北 邢臺(tái) 054100)

我國(guó)礦山巷道最常用和經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù),其主要以錨桿為主體控制巷道圍巖變形與破壞,錨桿在錨網(wǎng)噴支護(hù)體系中起著至關(guān)重要的作用。其錨桿長(zhǎng)度與間排距的選取及預(yù)應(yīng)力的加載是體現(xiàn)支護(hù)效果的關(guān)鍵因素,合理的匹配參數(shù)方能完全發(fā)揮支護(hù)作用,既降低成本又提高支護(hù)效果。近年來(lái),錨網(wǎng)噴支護(hù)在國(guó)內(nèi)煤巷及金屬礦山巷道得到較快發(fā)展,但錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化一直是實(shí)際工程中的難題,針對(duì)支護(hù)優(yōu)化,學(xué)者們做了大量研究工作。董方庭等[1-4]采用巷道圍巖松動(dòng)圈理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;伍永平等[5]采用有限元ANSYS二維數(shù)值模擬研究錨桿支護(hù)參數(shù);康紅普等[6-13]采用有限差分FLAC3D三維數(shù)值模擬確定錨桿支護(hù)參數(shù)。本文針對(duì)某鐵礦復(fù)雜破碎矽卡巖巷道,現(xiàn)有錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)不合理,支護(hù)效果不理想,在松動(dòng)圈支護(hù)理論的基礎(chǔ)上,采用FLAC3D三維數(shù)值模擬進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究。

1 工程概況

某鐵礦井下-260 m水平圍巖以矽卡巖為主,巷道埋深483 m,現(xiàn)有支護(hù)方式主要為錨網(wǎng)噴支護(hù),常用錨桿為φ20 mm的螺紋鋼,長(zhǎng)1.8 m,網(wǎng)度 1 m×1 m,采用網(wǎng)度為0.1 m×0.1 m和φ6 mm圓鋼為編網(wǎng),噴漿厚度100 mm。但支護(hù)效果不理想,經(jīng)常出現(xiàn)支護(hù)體開(kāi)裂、頂板冒落、片落等現(xiàn)象,部分巷道需要多次返修支護(hù)。對(duì)礦山正常生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,同時(shí)又增加支護(hù)成本,亟需對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試及分類

2.1 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

為進(jìn)一步優(yōu)化錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù),礦山前期進(jìn)行了-260 m水平巖石力學(xué)試驗(yàn)和工程地質(zhì)調(diào)查,并采用探地雷達(dá)進(jìn)行巷道松動(dòng)圈測(cè)試。根據(jù)礦巖力學(xué)特征、巷道支護(hù)及表面平整情況,在-260 m中段巷道共選取10個(gè)具有代表性的測(cè)點(diǎn),-260 m中段巷道寬4.1 m高3.85 m。為提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,分析過(guò)程主要采用沿巷道走向進(jìn)行松動(dòng)圈厚度測(cè)量。

根據(jù)礦山井下巷道圍巖主要為矽卡巖,圍巖較為破碎、遇水膨脹等特性,采用比擬法對(duì)已知物體進(jìn)行不同波速下雷達(dá)探測(cè),結(jié)合常規(guī)介質(zhì)中電磁波的傳播速度,設(shè)置井下巷道松動(dòng)圈雷達(dá)探測(cè)電磁波速度為17 cm/ns。圖1為部分測(cè)點(diǎn)沿巷道走向松動(dòng)圈地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試波形圖,波形清晰的區(qū)域?yàn)橄锏绹鷰r松動(dòng)圈厚度范圍。

圖1 部分測(cè)點(diǎn)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果Fig.1 Loose circle test results of some measuring points

本次沿巷道走向測(cè)試巷道圍巖松動(dòng)圈,測(cè)試總長(zhǎng)度約101.70 m,對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),并繪制-260 m巷道圍巖松動(dòng)圈厚度分布情況圖,詳見(jiàn)圖2。由圖2可以看出,松動(dòng)圈厚度在1.00～2.50 m之間變化,其中松動(dòng)圈厚度在 0～1.25 m范圍的占7.32%;1.25～1.50 m范圍的占31.38%;1.50～2.00 m范圍的占54.14%;2.00～2.50 m范圍的占7.16%。反映了巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)空間變異很大,其中松動(dòng)圈厚度在1.25～2.00 m范圍占比最大約85.52%。為提高巷道支護(hù)效果,需要根據(jù)松動(dòng)圈的厚度和巖體結(jié)構(gòu)特征,對(duì)巷道圍巖進(jìn)行工程分類,在巷道圍巖分類的基礎(chǔ)上,分類設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案。

圖2 松動(dòng)圈厚度分布情況Fig.2 Loose ring thickness distribution

2.2 巷道圍巖分類

在前期巖石力學(xué)試驗(yàn)、工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合-260 m巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果,根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況、塊體咬合力強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)體大小,結(jié)合點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果及松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果,將矽卡巖圍巖分為3類,如表1所示?？煽闯?矽卡巖等蝕變圍巖互相嵌入復(fù)合,松動(dòng)圈特征復(fù)雜且厚度寬泛,在0～2.50 m范圍變化。為提高支護(hù)的針對(duì)性和有效性,進(jìn)行分類支護(hù)方案優(yōu)化。

表1 矽卡巖巷道圍巖分類Table 1 Skarn roadway surrounding rock classification

3 巖體力學(xué)參數(shù)確定

巖體力學(xué)參數(shù)的確定一直是十分棘手的問(wèn)題,室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果往往不具有代表性。故本次在前期點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用FLAC3D軟件進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)反演,強(qiáng)度參數(shù)的反演依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍巖松動(dòng)圈范圍,變形參數(shù)的反演依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)的位移。采用黃金分割迭代法按式(1)進(jìn)行多次計(jì)算,根據(jù)已有巷道圍巖資料,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)結(jié)果,優(yōu)先確定巖體強(qiáng)度參數(shù),再反演巖體變形參數(shù),最后得到符合-260 m巷道地質(zhì)條件的巖體力學(xué)參數(shù)如表2。經(jīng)驗(yàn)證,與實(shí)際圍巖較相符。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果Table 2 Inversion results of rock mechanical parameters

式中,R為目標(biāo)函數(shù);X0為實(shí)測(cè)值;Xi為模擬計(jì)算值。

4 巷道支護(hù)錨桿參數(shù)優(yōu)化

4.1 建立三維數(shù)值模型

以-260 m水平巷道為例,采用Rhino和Griddle軟件建模,巷道形狀為三心拱形,尺寸為4.1 m×3.85 m,模型長(zhǎng)70 m、寬 45 m、高 45 m,共劃分7 765 666個(gè)單元,140 196個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.2 錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化

結(jié)合表1中巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果,依據(jù)松動(dòng)圈理論,分別確定每類圍巖支護(hù)錨桿最佳長(zhǎng)度[1-4]:

式中,L為錨桿總長(zhǎng)度;L1為錨固段長(zhǎng)度,依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取0.3～0.5 m;L2為巷道圍巖松動(dòng)圈厚度值,取最大值;L3為錨桿外露長(zhǎng)度,依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取0.05～0.1 m。最終確定前述Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類巷道支護(hù)錨桿的最佳長(zhǎng)度分別為2.4、2.8和3.2 m。

4.3 錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)定

錨桿施加預(yù)應(yīng)力的作用是使軟巖間形成整體應(yīng)力區(qū)。根據(jù)工程實(shí)踐,錨桿型號(hào) HRB400,直徑20 mm,其預(yù)應(yīng)力范圍為38～63 kN。通過(guò)對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)模擬研究表明,當(dāng)錨桿預(yù)緊力為45～55 kN時(shí),支護(hù)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)最大,結(jié)合工程實(shí)踐可判斷,錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)定50 kN較為合理。

4.4 錨桿間排距優(yōu)化模擬方法

為確定合理的錨桿間距及排距,在巷道頂部、底板、右?guī)?、左幫等處各設(shè)置巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),利用所測(cè)得的圍巖變形量和前述巖石力學(xué)參數(shù),按已確定的錨桿最佳長(zhǎng)度和最佳預(yù)應(yīng)力值,以錨桿間、排距互為定量和變量,通過(guò)FLAC3D模擬計(jì)算不同巖體性質(zhì)及工況的圍巖塑性區(qū)面積,根據(jù)塑性區(qū)面積和巷道變形量確定合理的錨桿間距及排距。

4.4.1 錨桿間距優(yōu)化

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),按前述3類巷道圍巖類別分別計(jì)算分析 700、800、900、1 000 mm計(jì)4個(gè)間距的巷道塑性區(qū)面積及變形量。其中,錨桿排距依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)為較常用的800 mm,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿長(zhǎng)度分別為2.4、2.8 和3.2 m。以Ⅱ類矽卡巖巷道為例,表3為Ⅱ類矽卡巖巷道不同錨桿間距數(shù)值模擬結(jié)果,圖3為巷道圍巖變形云圖。

表3 不同錨桿間距數(shù)值模擬結(jié)果Table 3 Numerical simulation results of different bolt spacing

由表3及圖3可判斷,巷道圍巖塑性區(qū)面積和變形量隨錨桿間距的增加而增加[9],具體表現(xiàn):

圖3 不同錨桿間距數(shù)值模擬云圖Fig.3 Numerical simulation cloud diagram of different bolt spacing

(1)錨桿間距為700 mm時(shí),頂板下沉量26.25 mm、底鼓量22.47 mm、左幫移近量35.66 mm、右?guī)鸵平?5.18 mm、塑性區(qū)面積19.43 m2。

(2)當(dāng)錨桿間距增加到800 mm時(shí),頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平?、塑性區(qū)面積較錨桿間距700 mm時(shí)增加幅度分別為0.83%、0.53%、3.22%、2.72%、1.95%。

(3)當(dāng)間距增加到900 mm時(shí),頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平?、塑性區(qū)面積較間距700 mm時(shí)增加幅度分別為 3.16%、0.97%、8.58%、7.87%和10.39%。

(4)當(dāng)間距增加到1 000 mm時(shí),頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平?、塑性區(qū)面積較間距700 mm時(shí)增加幅度分別為3.20%、1.24%、10.15%、9.74%和12.55%。

綜上分析,錨桿間距從800 mm增加至900 mm時(shí)對(duì)巷道變形影響較大;從700 mm增加至800 mm和從900 mm增加至1 000 mm時(shí)影響較小。綜合考慮確定Ⅱ類矽卡巖巷道支護(hù)錨桿間距為800 mm。同理,確定Ⅰ類矽卡巖巷道支護(hù)錨桿間距為900 mm,Ⅲ類矽卡巖巷道支護(hù)錨桿間距為700 mm。

4.4.2 錨桿排距優(yōu)化

按已確定的錨桿長(zhǎng)度和間距,其中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿長(zhǎng)度分別為2.4、2.8和3.2 m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿原排距分別為1 000、800、800 mm,結(jié)合實(shí)踐,按3類圍巖分別計(jì)算分析1 000、900、800、700 mm計(jì)4個(gè)不同間距的巷道圍巖塑性區(qū)面積及變形情況。以Ⅱ類矽卡巖為例,對(duì)錨桿排距進(jìn)行數(shù)值模擬分析,表4為不同錨桿排距數(shù)值模擬結(jié)果,圖4為巷道圍巖變形云圖。從表4及圖4可看出,巷道變形隨錨桿排距的增加而增加,具體表現(xiàn)為:排距從800 mm增加至900 mm時(shí)對(duì)巷道變形影響較大;排距從700 mm增加至800 mm和從900 mm增加至1 000 mm時(shí)影響較小。綜合考慮確定Ⅱ類矽卡巖巷道支護(hù)時(shí)錨桿排距為800 mm。同理,確定Ⅰ類矽卡巖巷道支護(hù)錨桿排距為900 mm,Ⅲ類矽卡巖巷道支護(hù)錨桿排距為700 mm。

表4 不同錨桿排距數(shù)值模擬結(jié)果Table 4 Numerical simulation results of different bolt row spacing

圖4 不同錨桿排距數(shù)值模擬云圖Fig.4 Numerical simulation cloud diagram of different bolt row spacing

4.5 錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)前述分析并結(jié)合工程實(shí)踐,最終確定3類矽卡巖巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)優(yōu)化方案。Ⅰ類矽卡巖巷道優(yōu)化支護(hù)方案為:錨網(wǎng)噴支護(hù),錨桿直徑20 mm,長(zhǎng)度2.4 m,間排距0.9 m×0.9 m,掛網(wǎng)直徑6 mm,網(wǎng)度0.1 m×0.1 m,噴漿厚度100 mm;Ⅱ類矽卡巖巷道優(yōu)化支護(hù)方案為:錨網(wǎng)噴支護(hù),錨桿直徑20 mm,長(zhǎng)度2.8 m,間排距0.8 m×0.8 m,掛網(wǎng)直徑6 mm,網(wǎng)度0.1 m×0.1 m,噴漿厚度均150 mm;Ⅲ類矽卡巖巷道優(yōu)化支護(hù)方案為:錨網(wǎng)噴支護(hù),錨桿直徑20 mm,長(zhǎng)度3.2 m,間排距0.7 m×0.7 m,掛網(wǎng)直徑6 mm,網(wǎng)度0.1m×0.1m,噴漿厚度150mm。按優(yōu)化方案對(duì)巷道進(jìn)行二次支護(hù)并進(jìn)行表面位移監(jiān)測(cè),巷道頂板變形量最大為39 mm,且于 40 d后變形趨于穩(wěn)定,實(shí)踐表明,優(yōu)化后支護(hù)效果較穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

(1)采用探地雷達(dá)沿巷道走向進(jìn)行矽卡巖巷道松動(dòng)圈測(cè)試,對(duì)松動(dòng)圈厚度分布結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類,其中松動(dòng)圈厚度在0～1.25 m范圍的占7.32%;1.25～1.50 m范圍的占31.38%;1.50～2.00 m范圍的占54.14%;2.00～2.50 m范圍的占7.16%。根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果及圍巖結(jié)構(gòu)特征將矽卡巖圍巖分為3類,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖巷道圍巖松動(dòng)圈范圍分別為0～1.25、1.25～2.00、2.00～2.50 m,分3類進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。

(2)根據(jù)松動(dòng)圈支護(hù)理論對(duì)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化,確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖支護(hù)的最佳錨桿長(zhǎng)度分別為2.4、2.8 和 3.2 m。

(3)工程實(shí)踐及錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)模擬研究表明,HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿預(yù)緊力設(shè)定50 kN較為合理。

(4)利用FLAC3D進(jìn)行巷道支護(hù)數(shù)值模擬分析,分別獲得3類矽卡巖巷道錨網(wǎng)噴的合理支護(hù)參數(shù),其中Ⅰ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長(zhǎng)2.4 m、間排距0.9 m×0.9 m;Ⅱ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長(zhǎng)2.8 m,間排距0.8 m×0.8 m;Ⅲ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長(zhǎng)3.2 m,間排距0.7 m×0.7 m。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,支護(hù)效果較穩(wěn)定可靠。