基于普氏冒落拱理論的矽卡巖型底部結(jié)構(gòu)支護(hù)優(yōu)化研究

耿 帥，楊 航，楊金光，何 偉，尹愛(ài)民

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

0 引 言

某鐵礦礦區(qū)內(nèi)的近礦圍巖大部分屬于Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖，其中-230 m水平北部區(qū)域底部結(jié)構(gòu)圍巖以蝕變矽卡巖為主，其單軸抗壓強(qiáng)度約為8.5 MPa，強(qiáng)度較低，節(jié)理發(fā)育。北部區(qū)域采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，其-230 m水平底部結(jié)構(gòu)需布置多條出礦進(jìn)路(尺寸為4.10 m×3.45 m的三心拱斷面)，底部結(jié)構(gòu)巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴，采場(chǎng)受開(kāi)挖擾動(dòng)與周邊礦體回采影響，大部分圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的底部結(jié)構(gòu)開(kāi)挖初期均出現(xiàn)大量變形破壞，部分底部結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行二次支護(hù)或三次支護(hù)，增加大量返修成本，嚴(yán)重影響礦山正常生產(chǎn)，亟需對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，以新奧法、松動(dòng)圈理論、錨噴支護(hù)理論等[1-5]為代表的圍巖支護(hù)理論開(kāi)始在礦山、隧道等領(lǐng)域大量應(yīng)用，并取得良好的效果，然而軟巖巷道支護(hù)一直是地下礦山生產(chǎn)中的難題。目前，軟巖巷道支護(hù)主要采用工程類(lèi)比法，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定合理性。為此，一些專(zhuān)家針對(duì)具體的工程地質(zhì)實(shí)際，提出適用于不同工程地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)參數(shù)與支護(hù)技術(shù)，在保證巷道穩(wěn)定的前提下，節(jié)省了大量支護(hù)工程費(fèi)用。張農(nóng)等[6]根據(jù)不同等級(jí)的圍巖穩(wěn)定性，提出以錨桿支護(hù)技術(shù)為主的“三高”圍巖支護(hù)理論；康紅普等[7]提出增加錨桿預(yù)緊力，防止頂板離層產(chǎn)生；楊亞平等[8]提出基于巷道圍巖變形破壞特征，考慮工程地質(zhì)條件、地應(yīng)力特征、采動(dòng)影響三個(gè)方面，分析了深部高應(yīng)力破碎巖體巷道變形破壞原因；孟慶彬等[9]分析軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力演化規(guī)律，提出“三錨”聯(lián)合支護(hù)體系及分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；楊勝利等[10]利用巖體超聲探測(cè)，確定圍巖松動(dòng)圈范圍，選擇了合理的支護(hù)參數(shù)，有效保證了巷道圍巖在服務(wù)周期內(nèi)的穩(wěn)定性；王超等[11]提出考慮錨固復(fù)合支護(hù)體的作用來(lái)計(jì)算巷道最小支護(hù)參數(shù)；陳國(guó)良等[12]分析甲瑪?shù)V區(qū)破碎軟弱巖體巷道的失穩(wěn)機(jī)理，提出針對(duì)不同級(jí)別巖體的支護(hù)參數(shù)；朱士永[13]分析軟巖巷道變形破壞特征及失穩(wěn)機(jī)理，提出長(zhǎng)短錨索+錨桿+充填層+鋼拱架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；柳小波等[14]通過(guò)工程類(lèi)比法確定圍巖類(lèi)型，借助FLAC3D數(shù)值模擬方法，以圍巖變形、塑性區(qū)范圍和錨桿所受最大應(yīng)力為參考指標(biāo)，模擬支護(hù)系統(tǒng)對(duì)硐室圍巖穩(wěn)定性，確定最佳錨桿間距。各位專(zhuān)家學(xué)者均在各類(lèi)巖石條件下對(duì)支護(hù)理論及方法進(jìn)行了深入研究，但針對(duì)復(fù)雜破碎矽卡巖型礦山支護(hù)參數(shù)選取等方面的研究仍舊鮮有，針對(duì)此類(lèi)巖性仍需要開(kāi)展大量的工作。

本文以某鐵礦-230 m水平2 N2礦房底部結(jié)構(gòu)為研究背景，針對(duì)復(fù)雜破碎矽卡巖型底部結(jié)構(gòu)巷道現(xiàn)有錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)不合理現(xiàn)象展開(kāi)研究，進(jìn)行巖石膨脹性試驗(yàn)[15]，在普氏冒落拱理論[16]的基礎(chǔ)上進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，提出了預(yù)應(yīng)力錨索+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證兩種方式進(jìn)行支護(hù)效果評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，采用新型聯(lián)合支護(hù)控制技術(shù)可以有效解決某鐵礦底部結(jié)構(gòu)巷道圍巖穩(wěn)定控制難題，降低了支護(hù)成本，保證了底部結(jié)構(gòu)巷道在使用期限內(nèi)的基本穩(wěn)定和安全回采及周?chē)饕┟}的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1 巷道巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 成分分析

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)主要受礦物成分、溫度、濕度、圍巖壓力等因素影響，其中決定巖石性質(zhì)的最顯著內(nèi)在因素是礦物成分。為充分掌握巖石樣品的礦物成分組成，尤其是膨脹親水性礦物的含量，采集巖石樣品進(jìn)行X射線(xiàn)衍射巖樣礦物成分定量分析試驗(yàn)。由矽卡巖樣品XRD的分析結(jié)果可知，矽卡巖樣品中的主要黏土礦物為綠泥石、蛇紋石、高嶺石等，非黏土礦物有輝石、鈉長(zhǎng)石等。

1.2 無(wú)荷載條件下膨脹性測(cè)試

通過(guò)X射線(xiàn)衍射分析確定某鐵礦矽卡巖樣本中含有大量的綠泥石、高嶺石等易膨脹巖體，利用巖石膨脹性試驗(yàn)確定其膨脹性能，膨脹性能通常由膨脹率表示。為研究試樣膨脹性性能，采用側(cè)向約束軸向膨脹試驗(yàn)儀進(jìn)行矽卡巖樣品無(wú)荷載膨脹性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 無(wú)荷載矽卡巖樣品膨脹數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Unloaded skarn sample expansion data record sheet

矽卡巖巖樣遇水易膨脹，普遍在20 h內(nèi)基本膨脹完畢，膨脹率高達(dá)85.06%。由此可以推斷，當(dāng)巷道開(kāi)挖后，圍巖暴露在空氣中，若不采取相應(yīng)的空氣阻隔措施，巖石中的膨脹性礦物成分與空氣中的水分子相結(jié)合，將導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生較大的膨脹變形，矽卡巖基本巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 矽卡巖巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of skarn rock mass

2 普氏冒落拱理論在支護(hù)中的應(yīng)用研究

根據(jù)普氏松散介質(zhì)理論，地下空間開(kāi)挖后應(yīng)力重新分布，上部圍巖產(chǎn)生破壞最終形成拋物線(xiàn)形自然平衡拱，即冒落拱。冒落拱上部為穩(wěn)定巖體，下部為非穩(wěn)定巖體，在無(wú)支護(hù)措施條件下有冒落趨勢(shì)。底部結(jié)構(gòu)巷道受采場(chǎng)采礦活動(dòng)影響，實(shí)際頂部塑性區(qū)將遠(yuǎn)超巷道開(kāi)挖產(chǎn)生的冒落拱范圍，因此底部結(jié)構(gòu)巷道冒落拱理論計(jì)算中采用采場(chǎng)參數(shù)更為合理。普氏計(jì)算公式中采場(chǎng)長(zhǎng)度方向上的壓力p計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：p為沿著采場(chǎng)長(zhǎng)度方向頂部壓力，kN；a為采場(chǎng)寬度的一半，m；b為冒落拱高度，m，當(dāng)兩幫穩(wěn)定時(shí)，b=a/f，f為普氏系數(shù)，其值為巖體整體抗壓強(qiáng)度的十分之一，當(dāng)兩幫不穩(wěn)固時(shí)，b=[a+htan(45°)-φ/2]/f，h為礦房高度，φ為上部巖體的內(nèi)摩擦角；r為上覆巖體平均容重，t/m3；g為重力加速度，m/s2。

錨索長(zhǎng)度應(yīng)使錨索錨固在穩(wěn)定巖層中，且不得小于自然平衡拱2 m以上。采場(chǎng)頂部的冒落拱壓力P0計(jì)算見(jiàn)式(2)。

P0=pL

(2)

式中，L為釆場(chǎng)的長(zhǎng)度，m。

當(dāng)埋深大于400 m后，對(duì)普氏公式進(jìn)行修正，其修正公式為P=KP0，K為修正系數(shù)。錨索的作用則是懸吊這部分巖石，防止其冒落。作用在長(zhǎng)錨索的力即為在采場(chǎng)礦巖頂部的總壓力P，因此可得采場(chǎng)需要錨索根數(shù)n計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：m為安全系數(shù)，一般取m=1.5；R為鋼繩破拉斷力，kN。

錨索的布設(shè)網(wǎng)度D計(jì)算見(jiàn)式(4)。

(4)

式中，S為采場(chǎng)頂板面積，S=2La，m2。

3 工程應(yīng)用

3.1 支護(hù)參數(shù)選擇

根據(jù)冒落拱高度公式計(jì)算見(jiàn)式(5)。

(5)

根據(jù)計(jì)算得到的冒落拱高度b=6 m(礦房長(zhǎng)50 m，寬15 m，高30 m)，按照錨索長(zhǎng)度超過(guò)自然平衡拱2 m以上的原則，錨索長(zhǎng)度至少為8 m，考慮到底部結(jié)構(gòu)受礦房上部采切工程開(kāi)挖影響，圍巖破裂范圍明顯超過(guò)底部結(jié)構(gòu)巷道開(kāi)挖產(chǎn)生的破裂范圍。同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際揭露情況，底部結(jié)構(gòu)破裂范圍一般在7～8 m，綜合考慮冒落拱理論計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，確定本次錨索長(zhǎng)度為10 m。

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線(xiàn)》(GB/T 5224—2003)可知，Φ17.8 mm(1×7)1 860 MPa級(jí)別的鋼絞線(xiàn)的破斷拉力為320 kN。依據(jù)采場(chǎng)布置情況，當(dāng)采場(chǎng)參數(shù)為長(zhǎng)×寬×高=50 m×15 m×60 m時(shí)，布設(shè)網(wǎng)度D=2.29 m，當(dāng)采場(chǎng)參數(shù)為長(zhǎng)×寬×高=25 m×9 m×30 m時(shí)，布設(shè)網(wǎng)度D=2.96 m，采用采場(chǎng)參數(shù)為長(zhǎng)×寬×高=25 m×9 m×30 m時(shí)的布設(shè)網(wǎng)度作為布置參數(shù)，巷道中錨索采用扇形布置，根據(jù)巷道寬度，主運(yùn)輸巷道上覆巖層要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采場(chǎng)，因此垂直斷面布置錨索5個(gè)/排，排距為3 m。

3.2 支護(hù)技術(shù)方案實(shí)施

由矽卡巖膨脹性實(shí)驗(yàn)可知，開(kāi)挖后要迅速隔絕空氣，避免空氣中的水分與矽卡巖發(fā)生反應(yīng)，造成礦巖強(qiáng)度下降，因此巷道開(kāi)挖后立即進(jìn)行素噴，隔絕空氣中的水分對(duì)礦巖力學(xué)性質(zhì)的影響。完成素噴后通過(guò)三步完成巷道的支護(hù)。

1) 錨桿支護(hù)。 錨桿選用左旋螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，直徑20 mm，長(zhǎng)度2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，半長(zhǎng)錨固，如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)錨索安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of long anchor cable

2) 掛網(wǎng)+復(fù)噴。完成錨桿支護(hù)后，巷道再次噴漿，強(qiáng)度C20，厚度100 mm。

3) 錨索支護(hù)。錨索選用規(guī)格為直徑17.8 mm，長(zhǎng)度10.0 m的鋼絞線(xiàn)，水泥砂漿全長(zhǎng)錨固，直巖面布置，長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度10 m，間距約為2.1 m，排距3 m，每排布置5根長(zhǎng)錨索。 注漿完畢后快速對(duì)托盤(pán)進(jìn)行緊固安裝并施加預(yù)應(yīng)力，錨索托盤(pán)尺寸選用150 mm×150 mm。圖2為巷道支護(hù)后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)支護(hù)圖Fig.2 Site bottom structure support drawing

4 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)值模擬支護(hù)參數(shù)驗(yàn)證分析

4.1.1 建立三維數(shù)值模型

以-230 m水平2 N2礦房底部結(jié)構(gòu)巷道為例，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D軟件建模，巷道形狀為三心拱形，尺寸為4.10 m×3.45 m，巷道支護(hù)參數(shù)確定后，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D驗(yàn)證矽卡巖巷道采用錨索+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)方式的有效性。巷道寬4.10 m，直墻高度2.08 m，拱高1.37 m，由于整體模型網(wǎng)格較多，影響計(jì)算速度，因此在礦體周邊建立重點(diǎn)研究區(qū)域，模型大小為長(zhǎng)×寬×高=45 m×20 m×45 m，地表標(biāo)高按+220 m計(jì)算，受模型大小限制，巷道底板距離模型頂部?jī)H為25 m，整體模型上邊界為-205 m水平，巖體具有非均質(zhì)性，各向異性和不連續(xù)性的特點(diǎn)，巖體自重應(yīng)力通常不能進(jìn)行精確計(jì)算，同時(shí)由于不知道具體地應(yīng)力分布，本次模擬采用假定計(jì)算點(diǎn)附近巖體為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)體進(jìn)行計(jì)算。在這種情況下，鉛垂方向自重應(yīng)力分量P為單元體以上至地表的巖柱的重量，即P=pgH，其中，p為2 500 kg/m3，g為9.8 m/s2，H為425 m，故模型頂部設(shè)置10.4 MPa均布載荷，四周和底面位移約束，共有節(jié)點(diǎn)108 528個(gè)，單元格100 500個(gè)，完全滿(mǎn)足數(shù)值計(jì)算的需求。

4.1.2 錨桿錨索預(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)緊力為50 kN，錨固力為100 KN，結(jié)合工程實(shí)踐可判斷，錨桿預(yù)緊力設(shè)定50 kN較為合理，直徑17.8 mm錨索錨固力設(shè)定為320 kN。

4.1.3 兩種支護(hù)參數(shù)模擬

為了驗(yàn)證錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的有效性，本文分別對(duì)無(wú)支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿支護(hù)+錨索支護(hù)共3種工況進(jìn)行模擬。錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)參數(shù)完全按照實(shí)施的技術(shù)方案，即兩幫各施工1根錨索和3根錨桿，拱部均勻施工3根錨索和6根錨桿，錨桿支護(hù)、錨桿+錨索支護(hù)模型如圖3所示。

4.1.4 不同支護(hù)參數(shù)模擬結(jié)果分析

提取整理3種工況巷道開(kāi)挖支護(hù)后的巷道圍巖變形的數(shù)值模擬結(jié)果(圖4)。巷道開(kāi)挖后不采取支護(hù)措施(圖4(a))，巷道變形量最大約為27 cm，當(dāng)采用錨桿支護(hù)時(shí)(圖4(b))，巷道變形量有所減小，最大約為23 cm，采用錨桿+錨索支護(hù)時(shí)(圖4(c))，巷道變形量最大僅為7 cm，相比較前兩種工況，采用錨桿+錨索支護(hù)方式產(chǎn)生的位移量有明顯減小。因此，在原有錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上增加錨索支護(hù)，可以有效阻止巷道的變形，更適合北區(qū)破碎底部結(jié)構(gòu)圍巖的支護(hù)。

圖4 不同支護(hù)方案巷道位移云圖Fig.4 Displacement cloud map of roadway with different support schemes

4.2 矽卡巖型底部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

針對(duì)某鐵礦底部結(jié)構(gòu)巷道變形，借助巷道斷面收斂?jī)x進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)巷道圍巖移進(jìn)量監(jiān)測(cè)。巷道移進(jìn)量即巷道收斂量，是巷道變形最直觀(guān)的體現(xiàn)，采用十字交叉法進(jìn)行測(cè)量。巷道表面移進(jìn)測(cè)量的目的在于理清巷道自支護(hù)完成后表面的位移移動(dòng)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，從中得出巷道圍巖移動(dòng)與支護(hù)之間的相互關(guān)系，用于評(píng)價(jià)當(dāng)前支護(hù)方案的合理性。

采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道移進(jìn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5所示。錨索支護(hù)完成后立即安裝激光測(cè)距儀，分別在測(cè)站斷面的頂板和右側(cè)幫的中部各安裝布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。觀(guān)測(cè)時(shí)，使用激光測(cè)距儀分別測(cè)量巷道拱頂?shù)较锏赖装?、巷道左幫到巷道右?guī)捅O(jiān)測(cè)點(diǎn)的移進(jìn)量。

圖5 激光測(cè)距儀布置方式Fig.5 Laser rangefinder and its arrangement

巷道支護(hù)完成后每隔3 d記錄觀(guān)測(cè)時(shí)間、移進(jìn)量，連續(xù)觀(guān)測(cè)一個(gè)月，共10組數(shù)據(jù)，整理所有測(cè)點(diǎn)最終變形量及單個(gè)測(cè)點(diǎn)的表面位移量，觀(guān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，觀(guān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，巷道頂板位移變化量為52 mm，兩幫的位移變化量為39 mm，表明錨噴+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)方案能夠有效控制-230 m水平底部結(jié)構(gòu)巷道圍巖變形。

圖6 巷道移進(jìn)量變化趨勢(shì)圖Fig.6 Variation trend diagram of roadway moving amount

5 結(jié) 論

1) 利用X射線(xiàn)衍射分析得知矽卡巖中的含有多種具有遇水膨脹的特性巖石；通過(guò)膨脹性測(cè)試得出，現(xiàn)場(chǎng)矽卡巖遇水極易膨脹，20 h吸水后膨脹率達(dá)到85.06%。因此，提出巷道光面爆破后迅速進(jìn)行混凝土素噴，以隔絕空氣中的水分與矽卡巖發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致巷道膨脹變形。

2) 以普氏冒落拱理論為指導(dǎo)進(jìn)行底部結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，在原有錨噴的基礎(chǔ)上增加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)并確定錨索支護(hù)參數(shù)，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增加預(yù)應(yīng)力錨索后巷道變形有明顯的改善；現(xiàn)場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)巷道位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，30 d頂?shù)装寮白笥規(guī)妥冃瘟績(jī)H為52 mm和39 mm，錨噴+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)方案能夠有效控制-230 m水平底部結(jié)構(gòu)巷道圍巖變形。