銅坑礦92號礦體巷道頂板錨桿支護參數(shù)優(yōu)化研究*

王輝,陳慶發(fā),張紹國,李進霖,歐恩國,王少平

(1.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西 河池市 547205;3.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

地質(zhì)情況復(fù)雜區(qū)域巷道支護失效,影響巷道的安全運行[1-4]。掌握回采巷道的失穩(wěn)特征,根據(jù)實際情況提出切實合理的支護方案,可以保障礦井安全生產(chǎn)。

目前巷道支護理論與技術(shù)研究取得了較多進展。國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列巷道支護的重要理論,如剛性支護理論[5]與金屬剛性支架支護理論[6]、利用巷道圍巖自穩(wěn)能力和采用先進的支護技術(shù)為特征的松動圈理論[7]、一般塊體理論、軟巖巷道支護理論、深井巷道支護理論等[8]。王會瓊等[9]采用3DEC離散元數(shù)值分析軟件對開挖后圍巖位移與應(yīng)力分布規(guī)律及巷道穩(wěn)定性進行了模擬分析?？得鞒萚10]借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同支護參數(shù)下巷道位移及塑性區(qū)變形情況進行分析,同時采用灰色關(guān)聯(lián)分析法,對支護參數(shù)進行優(yōu)選。

本文以廣西銅坑礦92號礦體深部破碎軟巖巷道為研究對象,選取代表性試驗區(qū)巷道,基于現(xiàn)場調(diào)查、3DEC數(shù)值模擬等手段,研究確定最優(yōu)錨桿支護參數(shù),并對比優(yōu)化前后效果,從而為類似條件下的巷道支護提供借鑒。

1 工程概況與試驗區(qū)選定

銅坑礦主產(chǎn)錫、鉛、鋅、銻和銦等礦產(chǎn)資源。礦區(qū)內(nèi)廣泛出露中、上泥盆世地層及少量中、下石炭世地層;斷裂構(gòu)造較發(fā)育,主要有NW向的大廠斷裂和NE向的黑水溝斷裂;圍巖蝕變主要類型為碳酸鹽化、矽卡巖化、大理巖化等;礦化類型主要為矽卡巖型鋅銅礦化、錫多金屬硫化物型礦化和含銀閃鋅礦至方鉛礦型礦化;礦體圍巖主要為泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖等;礦體為巖層分布或小角度穿層分布,與圍巖呈類層狀接觸產(chǎn)出。銅坑礦有上中下3個大型礦體,依次分別為細脈帶礦體、91號礦體和92號礦體。

采用崩落法回采92號礦體過程中,鑿巖巷道由于斷面尺寸過大,以及受到重復(fù)采動、爆破振動、結(jié)構(gòu)面分布狀態(tài)、地下水等不良因素的影響,已出現(xiàn)冒頂、片幫及整體垮塌等不良災(zāi)害現(xiàn)象,甚至部分不穩(wěn)定區(qū)域在已經(jīng)采取掛網(wǎng)及錨桿等加固措施情況下仍發(fā)生掛網(wǎng)破裂、錨桿失效、較大規(guī)模冒頂?shù)痊F(xiàn)象。裂隙巖體鑿巖巷道冒頂、片幫及整體垮塌等災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生與防治影響了礦山安全生產(chǎn),威脅著井下作業(yè)人員的生命健康。

選擇92號礦體405水平2#探礦巷為試驗區(qū),如圖1所示。巷道走向為160°,斷面形狀為三心拱,巷道寬為3.5 m,高為4 m。試驗區(qū)使用錨桿加固,但錨桿打入巖體的方向大多平行于結(jié)構(gòu)面方向,該加固方法不但起不到加固巖體的作用,反而會加速結(jié)構(gòu)面的開裂。

圖1 試驗區(qū)位置

2 結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果

采用精測網(wǎng)法調(diào)查結(jié)構(gòu)面,測網(wǎng)布置在巷道邊幫,測網(wǎng)長13.4 m,寬3.5 m。調(diào)查共測得223條結(jié)構(gòu)面,二維密度為5.55條/m2,并分為3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 試驗區(qū)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組統(tǒng)計

3 試驗區(qū)錨桿支護參數(shù)優(yōu)化

由于傳統(tǒng)的設(shè)計方法更多地是參照工程經(jīng)驗,所確定的支護方案并不一定能夠達到最優(yōu)的支護效果,甚至還無法滿足工程穩(wěn)定性要求。因此,利用3DEC數(shù)值模擬軟件對錨桿支護參數(shù)設(shè)計進行優(yōu)化研究,為保證巷道穩(wěn)定運行提供合理的支護依據(jù)。

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

試驗區(qū)巷道長13.4 m、寬3.5 m、高4 m,構(gòu)建尺寸長×寬×高為13.4 m×20 m×16 m的三維幾何模型。將得到的離散節(jié)理網(wǎng)絡(luò)DFN導(dǎo)入到3DEC中,并合并相鄰夾角小于5°的節(jié)理,利用FISH函數(shù)剔除跡長小于2 m的節(jié)理。劃分網(wǎng)格后,模型共包含64 178個單元和37 188個網(wǎng)格節(jié)點,如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

巷道圍巖主要為硅質(zhì)巖,圍巖力學(xué)參數(shù)見表2,節(jié)理力學(xué)參數(shù)見表3。在模型側(cè)面和底面施加速度為0的約束邊界,模型頂面埋深為388 m,故在模型頂面施加自重應(yīng)力10.848 MPa。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3.2 錨桿支護參數(shù)優(yōu)化方案

巷道支護采用管縫式錨桿,直徑為38 mm,材料密度為7900 kg/m3,彈性模量為100 GPa,拉伸屈服強度為0.5 MPa。管縫式錨桿支護強度影響因素主要為錨桿網(wǎng)度、長度。錨桿網(wǎng)度選取3個水平,分別為0.6 m×0.6 m、1 m×1 m、1.4 m×1.4 m。參照錨桿整體系統(tǒng)支護時參數(shù)計算方法[11],錨桿長度計算結(jié)果為2.13 m。以此數(shù)值為基礎(chǔ),將錨桿長度設(shè)計成8個水平,分別為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m。

3.3 計算結(jié)果及分析

在巷道頂?shù)装宀贾秘Q向位移監(jiān)測點,記錄不同錨桿支護參數(shù)下的巷道頂板下沉量和底板隆起量,繪制出不同方案下的支護效果,如圖3所示。

由圖3可知,1 m×1 m網(wǎng)度與1.4 m×1.4 m網(wǎng)度的支護效果相差不大,而0.6 m×0.6 m網(wǎng)度支護效果明顯比前兩者要好,故選取0.6 m×0.6 m網(wǎng)度為最優(yōu)。在0.6 m×0.6 m網(wǎng)度下,隨著錨桿長度增加,頂?shù)装逦灰瓶偭炕旧想S之減小,但在錨桿長度為2.2 m時,相比于錨桿長度2 m的頂?shù)装逦灰瓶偭砍霈F(xiàn)了略微增大,故選取2 m錨桿長度為最優(yōu)。綜上所述,最優(yōu)錨桿支護參數(shù)網(wǎng)度為0.6 m×0.6 m、錨桿長度為2.0 m。

圖3 各方案下的支護效果

3.4 試驗區(qū)支護優(yōu)化前后效果對比

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),試驗區(qū)巷道頂板雖已進行錨桿支護,但部分位置出現(xiàn)有錨桿冒出或錨桿順著層理方向支護,使得錨桿并未起到支護作用。當某根錨桿冒出無法承受頂板重量時,將增大其他錨桿的受力,造成周圍多根錨桿相繼失效,產(chǎn)生連鎖反應(yīng),引起頂板整體冒落;并且錨桿順著層理面布置,不但起不到支護作用,反而會加速頂板的失穩(wěn)。為了保證巷道的安全穩(wěn)定,進一步對錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化。

試驗區(qū)原支護方案中錨桿長度為1.8 m,根據(jù)試驗區(qū)頂板的錨桿布設(shè)情況,確定每根錨桿的坐標以及打入巖層的大致方向。其中,有部分錨桿沒有垂直于巖層支護,而是順著層理縫支護,且有部分錨桿冒出,據(jù)此在試驗區(qū)巷道頂板模型中設(shè)置錨桿,進行原支護方案的支護效果模擬計算。

試驗區(qū)巷道在無支護方案、原支護方案以及優(yōu)化方案下的豎向位移云圖見圖4。

由圖4可知,無支護方案、原支護方案、優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逦灰瓶偭糠謩e為128.751 mm、121.902 mm、111.501 mm。相比于無支護方案與原支護方案,優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逦灰瓶偭糠謩e減少17.25 mm、10.401 mm,分別減少約13.4%、8.53%,優(yōu)化方案能較大程度降低頂板下沉量。原支護方案相比于無支護方案,其位移總量減少6.849 mm,減少約5.32%,說明原支護方案對加強巷道圍巖的穩(wěn)定性有一定作用,但其支護效果相對較差。

圖4 支護優(yōu)化前后巷道豎向位移云圖對比

采用巷道頂?shù)装逑鄬κ諗柯蔏g小于3%作為評價巷道穩(wěn)定性的標準[12],Kg為頂?shù)装逦灰瓶偭颗c巷道高度(4 m)的比值。無支護方案、原支護方案的巷道頂?shù)装逑鄬κ諗柯史謩e為3.219%、3.048%,大于3%為不穩(wěn)定狀態(tài);支護參數(shù)優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逑鄬κ諗柯蕿?.788%,小于3%為穩(wěn)定狀態(tài),說明采用優(yōu)化方案可以保證頂板的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)在銅坑礦92號礦體劃定試驗區(qū),以試驗區(qū)巷道圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用3DEC數(shù)值模擬軟件確定出優(yōu)化后的錨桿支護網(wǎng)度為0.6 m×0.6 m,錨桿長度為2 m。

(2)無支護方案、原支護方案、優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逦灰瓶偭糠謩e為128.751 mm、121.902 mm、111.501 mm,相比于前兩者,優(yōu)化方案位移總量分別減少約13.4%、8.53%,較大程度地降低了頂板下沉量。原支護方案相比于無支護方案,其位移總量減少6.849 mm,減少約5.32%,說明原支護方案對加強巷道圍巖的穩(wěn)定性有一定作用,但其支護效果較差。

(3)三種方案中,只有優(yōu)化方案的巷道頂?shù)装逑鄬κ諗柯市∮?%,達到穩(wěn)定狀態(tài),因此,應(yīng)采用優(yōu)化方案對巷道進行支護。