某多金屬礦炭質(zhì)板巖巷道支護(hù)數(shù)值分析與方案優(yōu)化

王少林

（紫金（長(zhǎng)沙）工程技術(shù)有限公司）

在巷道開(kāi)拓過(guò)程中，由于圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巷道圍巖整體性較差，易出現(xiàn)頂板垮塌、冒頂及片幫等現(xiàn)象［1-3］。通過(guò)解析巷道圍巖力學(xué)特性，利用模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)勘察和數(shù)值模擬等方法開(kāi)展巷道圍巖支護(hù)穩(wěn)定性的研究，不僅對(duì)巷道支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定及優(yōu)化具有指導(dǎo)作用，而且對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義［4-7］。目前礦山巷道多采用管縫錨桿支護(hù)，但支護(hù)效果不理想，巷道仍出現(xiàn)冒頂?shù)默F(xiàn)象，在一些巷道采用的混凝土砌碹支護(hù)及超前管棚支護(hù)，雖然能夠有效控制巷道變形、垮塌，但支護(hù)材料成本較高，每年支護(hù)費(fèi)用較高。此外，現(xiàn)有井下巷道采用的支護(hù)形式較多，給礦山支護(hù)管理帶來(lái)不便［8-10］。

某多金屬礦井下巷道主要采用的支護(hù)形式有素噴支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、鋼拱架+素噴支護(hù)、U型鋼（鋼拱架）+錨網(wǎng)噴支護(hù)等，在長(zhǎng)期使用的巷道中，主要采用錨網(wǎng)噴支護(hù)、鋼拱架+素噴支護(hù)、U型鋼（鋼拱架）+錨網(wǎng)噴支護(hù)等；而在臨時(shí)性巷道穿脈巷道主要采用錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)等，采用的錨桿主要有管縫式錨桿和樹(shù)脂錨桿。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，巷道支護(hù)主要在炭質(zhì)板巖中，巷道支護(hù)失效主要發(fā)生在聯(lián)絡(luò)巷的拐彎處，主要原因是圍巖近垂直節(jié)理發(fā)育較強(qiáng)，在巷道拐彎處易形成楔形體破壞，在局部較大構(gòu)造面存在的區(qū)域易發(fā)生冒頂、片幫等破壞。此外，由于該礦山巷道支護(hù)形式不統(tǒng)一，支護(hù)管理復(fù)雜，未有效針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，缺乏支護(hù)形式的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案。

為此，針對(duì)某多金屬礦巷道支護(hù)現(xiàn)狀，在保證巷道支護(hù)效果良好與采場(chǎng)安全的前提下，為了盡可能地節(jié)約支護(hù)成本，提高支護(hù)效率，利用RS2軟件開(kāi)展巷道不同支護(hù)技術(shù)的有限元數(shù)值分析研究，得到某多金屬礦巷道支護(hù)總體優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案。

1 巷道巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

1.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查測(cè)繪

針對(duì)巷道圍巖的節(jié)理裂隙特性，開(kāi)展炭質(zhì)板巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)分析，得到4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面以及一些紊亂的結(jié)構(gòu)面，如圖1所示。炭質(zhì)板巖優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面：第一組為273°∠72°，占結(jié)構(gòu)面調(diào)查總條數(shù)的60.96%；第二組為169°∠88°，占結(jié)構(gòu)面調(diào)查總條數(shù)的12.33%；第三組為4°∠45°，占結(jié)構(gòu)面調(diào)查總條數(shù)的10.27%；第四組為161°∠19°，占結(jié)構(gòu)面調(diào)查總條數(shù)的5.48%；優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面以外紊亂的結(jié)構(gòu)面占10.96%。炭質(zhì)板巖節(jié)理密度較大，為21.159條/m，影響了巖石整體穩(wěn)定性。

1.2 巷道巖體物理力學(xué)特性獲取

通過(guò)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行取樣，開(kāi)展單軸、劈裂、三軸試驗(yàn)，獲取了圍巖的巖石力學(xué)特性，并結(jié)合炭質(zhì)板巖的節(jié)理裂隙特征，通過(guò)Roc Data軟件，利用Hock-Brown準(zhǔn)則折減得到巷道圍巖的巖體力學(xué)特性［11］，如表1所示。

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2 巷道支護(hù)數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

依據(jù)某多金屬礦的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)資料，利用RS2有限元軟件［12］建立了巷道的二維有限元分析模型，如圖2所示，巷道尺寸為2.8 m×2.7 m。

在巷道的二維有限元分析模型中開(kāi)展5種不同支護(hù)形式的設(shè)置：

（1）無(wú)支護(hù)。

（2）素噴支護(hù)，噴層厚度為80 mm。

（3）錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿長(zhǎng)1200 mm，直徑42 mm；錨桿支護(hù)密度1 500 mm×1 500 mm；鋼筋網(wǎng)直徑6 mm，網(wǎng)度100 mm×100 mm；

（4）噴錨網(wǎng)支護(hù)，噴層厚度80 mm；錨桿長(zhǎng)1 200 mm，直徑42 mm；錨桿支護(hù)密度1 500 mm×1 500 mm；鋼筋網(wǎng)直徑6 mm，網(wǎng)度100 mm×100 mm；

（5）噴錨網(wǎng)+鋼拱架支護(hù)，噴層厚度100 mm；錨桿長(zhǎng)1 800 mm，直徑42 mm；錨桿支護(hù)密度1 000 mm×1 000 mm；鋼筋網(wǎng)直徑6 mm，網(wǎng)度100 mm×100 mm；U型鋼拱架支護(hù)距離1 000 mm。

通過(guò)對(duì)比5種不同支護(hù)形式下巷道圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化，分析得到不同支護(hù)形式的效果及適用區(qū)域。

2.2 支護(hù)參數(shù)

在巷道的二維有限元分析模型中開(kāi)展不同支護(hù)形式的設(shè)置，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)參考表1，不同支護(hù)形式的參數(shù)參考表2。

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2.3 數(shù)值分析結(jié)果

2.3.1 巷道無(wú)支護(hù)條件下分析

巷道在無(wú)支護(hù)條件下的分析結(jié)果如圖3所示。應(yīng)力分布規(guī)律如圖3（a）所示，拱頂2.70 MPa，拱肩2.90 MPa，側(cè)幫2.20 MPa，拱腳3.30 MPa，底板2.20 MPa，巷道周邊應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，拱頂、拱肩和拱腳存在應(yīng)力集中區(qū)，兩幫和底板為應(yīng)力釋放區(qū)；巷道位移分布規(guī)律如圖3（b）所示，拱頂6.4 cm，拱肩6.80 cm，側(cè)幫4.4 cm，拱腳1.60 cm，底板0.80 cm，巷道開(kāi)挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在巷道頂板位置，次之為巷道拱肩處，底板位移量較?。幌锏绹鷰r強(qiáng)度系數(shù)如圖3（c）所示，巷道圍巖強(qiáng)度系數(shù)均為0.95，在無(wú)支護(hù)條件下，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采用支護(hù)措施防范圍巖體變形破壞；塑性區(qū)分布規(guī)律如圖3（d）所示，在拱頂和拱肩位置形成了較大范圍的塑性區(qū)，在底板處主要為受拉產(chǎn)生塑性區(qū)，在拱頂拱肩處主要為剪切破壞產(chǎn)生塑性區(qū)?？拷吔缥恢弥饕獮槭芾茐膮^(qū)，深部主要為剪切破壞區(qū)，塑性區(qū)深度為0.4 m?？梢钥闯?，巷道在無(wú)支護(hù)條件下極易在拱頂及兩側(cè)發(fā)生巖體破壞，因此，設(shè)置合適的支護(hù)方案對(duì)保證巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要作用。

2.3.2 巷道不同支護(hù)條件下的分析

巷道在不同支護(hù)條件下的分析結(jié)果如圖4～圖7所示。

（1）應(yīng)力分布：4種不同支護(hù)條件下，采用素噴支護(hù)時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力集中在側(cè)幫處最?。?.65 MPa），而在拱腳最大（7.80 MPa），采用素噴支護(hù)時(shí)巷道圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域主要為巷道拱腳處；采用錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力集中在拱頂處最小（2.20 MPa），而在拱肩處最大（4.40 MPa），巷道圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域主要為行巷道拱肩處；采用錨噴網(wǎng)支護(hù)時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力集中在底板處最小（2.20 MPa），而在拱腳處最大（4.40 MPa），巷道圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域主要為行巷道拱腳處；采用鋼拱架+錨噴網(wǎng)支護(hù)時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力集中在拱頂處最?。?.65 MPa），而在拱肩處最大（4.40 MPa），巷道圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域主要為巷道拱肩處。

（2）巷道圍巖分布：巷道開(kāi)挖后，巷道周邊位移量較小，最大位移發(fā)生在巷道拱頂位置，次之為巷道拱肩處，底板位移量較小。采用素噴支護(hù)時(shí)，拱頂?shù)淖畲笪灰谱畲?，?.00 cm；采用錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)位移次之，為5.60 cm；采用錨噴網(wǎng)支護(hù)與鋼拱架+錨噴網(wǎng)支護(hù)時(shí)拱頂位移明顯減少，分別為4.90與4.65 cm。

（3）巷道圍巖強(qiáng)度分布：相比于無(wú)支護(hù)時(shí)的圍巖強(qiáng)度系數(shù)，采用4種支護(hù)均可使得圍巖的強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中，采用鋼拱架+錨噴網(wǎng)支護(hù)時(shí)，圍巖強(qiáng)度系數(shù)可在巷道拱頂處達(dá)到2.84，可知，采用鋼拱架+錨噴網(wǎng)支護(hù)時(shí)，巷道頂板圍巖穩(wěn)固性最佳。

（4）巷道塑性區(qū)分布：相比于無(wú)支護(hù)時(shí)的塑性區(qū)深度（0.4 m），采用4種支護(hù)均可使得圍巖的塑性區(qū)深度減少，其中，采用鋼拱架+錨噴網(wǎng)支護(hù)時(shí)，巷道塑性區(qū)深度可減少至0.3 m。

根據(jù)數(shù)值分析所得到巷道圍巖應(yīng)力、位移演化規(guī)律，對(duì)于炭質(zhì)板巖變形與破壞過(guò)程可概括為開(kāi)拓?fù)p傷→裂隙擴(kuò)展→碎脹擴(kuò)容→擠壓變形→應(yīng)力擾動(dòng)→變形加劇→頂板垮塌。井下巷道兩側(cè)覆巖結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊在破斷后，將產(chǎn)生回轉(zhuǎn)變形，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)，在其回轉(zhuǎn)變形過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生較為顯著的偏載作用力，進(jìn)而使巷道肩角區(qū)域頂板產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的擠壓變形。同時(shí)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，在巷道圍巖體上支承壓力增大，巷道為側(cè)向卸荷、垂直應(yīng)力集中狀態(tài)，主應(yīng)力差增大，由于圍巖自身強(qiáng)度低，節(jié)理、裂隙發(fā)育，必然導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展、演化和貫通，力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步劣化衰減，形成大小不等的碎裂塊體，造成圍巖的剪脹擴(kuò)容變形，向巷道空間產(chǎn)生顯著擠壓位移。破碎的圍巖結(jié)構(gòu)本身對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)的敏感性強(qiáng)，巷道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力重新分布調(diào)整，造成局部應(yīng)力集中，加劇圍巖的擠壓變形?？梢钥闯?，不同類型的支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)巷道圍巖不同區(qū)域部位的應(yīng)力、位移影響不同，應(yīng)基于不同巖體質(zhì)量條件設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方式。

3 巷道支護(hù)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可知，大部分支護(hù)形式能夠滿足炭質(zhì)板巖巷道支護(hù)要求，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，但在炭質(zhì)板巖中仍然存在支護(hù)效果不良的現(xiàn)象，特別是深部下斜坡道拐彎處巷道外側(cè)幫出現(xiàn)垮塌，主要原因是炭質(zhì)板巖陡傾斜節(jié)理（節(jié)理傾角≥72°）發(fā)育較強(qiáng)，且占比有73%，在拐彎處形成一個(gè)個(gè)小的楔形體，在擾動(dòng)下發(fā)生脫落，引起較大的垮塌。主要原因是炭質(zhì)板巖分層含水較大，水的存在弱化了巖體的整體強(qiáng)度，容易導(dǎo)致圍巖體失去自穩(wěn)能力，在節(jié)理發(fā)育較強(qiáng)條件下容易產(chǎn)生冒頂、片幫且炭質(zhì)板巖中的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組數(shù)較多，存在4組，圍巖中容易形成頂板掉塊、側(cè)幫片幫現(xiàn)象。此外，支護(hù)形式較多給礦山支護(hù)管理帶來(lái)麻煩。

因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與巷道支護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)于在炭質(zhì)板巖中支護(hù)形式，優(yōu)化巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，如表3所示。

（1）對(duì)于巷道含水大、節(jié)理發(fā)育強(qiáng)、圍巖整體差、破碎的條件，推薦使用噴錨網(wǎng)+鋼拱架支護(hù)形式。

（2）對(duì)于巷道含水較大、節(jié)理發(fā)育較強(qiáng)、圍巖整體較差的條件，推薦使用噴錨網(wǎng)支護(hù)形式。

（3）對(duì)于巷道含水少、節(jié)理發(fā)育一般、圍巖整體一般的條件，推薦使用錨網(wǎng)支護(hù)。

（4）對(duì)于圍巖條件相對(duì)較好的情況下，推薦使用素噴支護(hù)形式。

此外，對(duì)于巷道中含水大和圍巖體破碎的情況下，增加噴漿工序有利用防止破碎的巖體碎塊脫落、遇水弱化等。在采用錨網(wǎng)支護(hù)的巷道中，適當(dāng)增大支護(hù)密度，采用較短的錨桿。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，獲取了某多金屬礦巷道炭質(zhì)板巖的節(jié)理裂隙特性，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合炭質(zhì)板巖的物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，利用Hock-Brown準(zhǔn)則折減得到巷道圍巖的巖體力學(xué)特性。

（2）采用RS2有限元分析軟件，開(kāi)展不同支護(hù)形式的數(shù)值模擬研究，提取巷道位移、應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度及塑性區(qū)結(jié)果，總結(jié)分析了不同支護(hù)形式下巷道圍巖的失穩(wěn)破壞特性。

（3）根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)了某多金屬礦在圍巖類型為炭質(zhì)板巖時(shí)不同圍巖質(zhì)量條件下巷道的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方案，為巷道支護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理提供了參考依據(jù)。