高海拔破碎圍巖排水巷道錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

摘要：合理的支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)是確保巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。巨龍銅礦排水巷道Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域采用錨桿+金屬網(wǎng)+噴漿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)效果較差。針對(duì)巨龍銅礦Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域支護(hù)存在的問(wèn)題，在現(xiàn)有支護(hù)基礎(chǔ)上增加錨索和鋼拱架支護(hù)，同時(shí)增加噴漿厚度。設(shè)計(jì)了不同錨索支護(hù)參數(shù)，利用有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明：巷道圍巖頂板處存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著錨索支護(hù)參數(shù)增加，巷道頂板處最大應(yīng)力值增加。隨著錨索間排距增大，巷道頂板最大位移增加，錨桿間距由1.2 m增加至2.0 m，巷道頂板位移分別為4 mm、4.38 mm、4.82 mm。錨索最優(yōu)支護(hù)參數(shù)為1.6 m×2.4 m。研究結(jié)果為類(lèi)似巷道錨索支護(hù)參數(shù)選取提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：高海拔；巷道支護(hù)；破碎圍巖；錨索支護(hù)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TD353文章編號(hào)：1001-1277（2024）05-0009-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240503

引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，礦產(chǎn)資源作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)被大量開(kāi)發(fā)應(yīng)用，淺部且賦存狀態(tài)良好的礦產(chǎn)資源近年來(lái)大量縮減，深部礦床、高海拔礦床的開(kāi)采成為了資源開(kāi)發(fā)的主流方向［1-5］。井巷作為礦產(chǎn)資源開(kāi)采所必需的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性關(guān)系著礦山開(kāi)發(fā)的成?。?-8］。由于高海拔礦床井巷施工極易遇不良地質(zhì)條件，故不良地質(zhì)條件下高海拔巷道支護(hù)參數(shù)需進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化工作，以保證井巷施工、營(yíng)運(yùn)的安全性［9-11］。陳才賢等［12］以西藏某銅礦皮帶巷道為工程背景，采用數(shù)值模擬軟件分析了不同支護(hù)方案下巷道開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定性，并對(duì)皮帶巷支護(hù)方案與參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了該方案滿足礦區(qū)皮帶巷運(yùn)輸安全的要求。丹增等［13］針對(duì)高寒高海拔和軟巖地質(zhì)條件下某隧洞施工過(guò)程中遇到的工程問(wèn)題，研究采用超前支護(hù)+剛性支護(hù)+柔性支護(hù)+有序排水的支護(hù)技術(shù)，結(jié)果表明，該技術(shù)可以有效處理圍巖支護(hù)難題，研究成果對(duì)于同類(lèi)型工程具有一定的參考意義。沙仙武等［14］針對(duì)高海拔大斷面皮帶巷道變形破壞難題，采用數(shù)值模擬的方法研究了皮帶巷道開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律，總結(jié)得出了高海拔大斷面皮帶巷道變形機(jī)理，并提出了相應(yīng)的支護(hù)工藝，符合礦山安全高效開(kāi)采要求。黃啟貴等［15］以開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生突水涌泥事故的西藏某隧道為工程背景，結(jié)合數(shù)值模擬方法還原了淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工力學(xué)模型，研究結(jié)果表明，CRD法在該隧道的應(yīng)用可以有效控制拱頂下沉及周邊位移，并且還可以有效降低圍巖擾動(dòng)，提高巷道全部開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性。黎倩［16］通過(guò)川西高原工程案例，對(duì)不良地質(zhì)條件下隧道施工的基本原則、施工難點(diǎn)和施工限制因素進(jìn)行總結(jié)，提出了高海拔地區(qū)軟巖隧道施工方案的具體優(yōu)化措施，有效提高了隧道施工質(zhì)量。

本次研究對(duì)西藏巨龍銅業(yè)有限公司（下稱(chēng)“巨龍銅礦”）破碎圍巖條件下排水巷道施工穩(wěn)定性進(jìn)行探討，通過(guò)數(shù)值模擬方法分析不同錨索支護(hù)參數(shù)下巨龍銅礦排水巷道的變形特征，對(duì)軟弱圍巖排水巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果可為相關(guān)高海拔破碎圍巖排水巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1工程概況

巨龍銅礦位于青藏高原岡底斯山脈東段，為極高山地帶，平均海拔在5 200 m。目前，該礦區(qū)擬施工2條長(zhǎng)距離深埋排水巷道，該巷道為直徑6.47 m的圓形巷道。前期地質(zhì)勘探與巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，排水巷道貫穿多種地層和數(shù)條破碎帶。圍巖主要為千枚巖、凝灰?guī)r和英安巖，巖體穩(wěn)定性為Ⅲ—Ⅴ級(jí)。根據(jù)巖體穩(wěn)定性等級(jí)設(shè)計(jì)不同支護(hù)方式。

施工過(guò)程中，Ⅱ—Ⅲ級(jí)圍巖采用錨桿+金屬網(wǎng)+噴漿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。其中，錨桿為直徑22 mm、長(zhǎng)2.5 m的樹(shù)脂錨桿，間排距為1.0 m×1.0 m。金屬網(wǎng)為直徑6 mm、網(wǎng)度100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)。采用C25混凝土進(jìn)行噴漿支護(hù)，噴漿厚度135 mm。該支護(hù)方式對(duì)Ⅱ—Ⅲ級(jí)圍巖支護(hù)效果較好，而對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)強(qiáng)度較弱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在現(xiàn)有支護(hù)基礎(chǔ)上增加錨索和鋼拱架支護(hù)，鋼拱架為29U型鋼支架，厚度124 mm，間距500 mm。同時(shí)，將噴漿厚度增加到250 mm。目前，錨索支護(hù)參數(shù)有待研究。

2錨索支護(hù)方案設(shè)計(jì)與模型建立

2.1錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在礦山生產(chǎn)過(guò)程中，巷道頂板穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此，破碎圍巖區(qū)域巷道頂板采用4根錨索進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)GB/T 5224—2014 《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》，選取直徑為18.9 mm、強(qiáng)度為1 860 MPa的標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線，錨索采用JLM型錨具，墊板厚20 mm、面積S=220 mm×220 mm。設(shè)計(jì)3種不同錨索支護(hù)參數(shù)（如表1所示）。

2.2模型建立

根據(jù)巷道設(shè)計(jì)方案，巷道直徑為6.47 m，模型長(zhǎng)度和高度設(shè)為巷道直徑的5倍。建立巷道掘進(jìn)三維數(shù)值模型，模型長(zhǎng)、寬、高分別為32.35 m、10 m、32.35 m。模型共創(chuàng)建14 683個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，76 208個(gè)網(wǎng)格。模型采用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。支護(hù)結(jié)構(gòu)包括錨索、錨桿、鋼拱架及噴射混凝土。根據(jù)錨索支護(hù)設(shè)計(jì)方案建立3種不同錨索支護(hù)參數(shù)模型。錨桿錨索采用Cable結(jié)構(gòu)。數(shù)值模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3數(shù)值模擬參數(shù)確定

由于巨龍銅礦未進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試研究，因此，選取距離較近的甲瑪?shù)V區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。地應(yīng)力參數(shù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)獲取。根據(jù)前期巖石力學(xué)試驗(yàn)研究結(jié)果獲取巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1應(yīng)力

不同錨索支護(hù)參數(shù)下應(yīng)力分布云圖如圖2～4所示。巨龍銅礦地應(yīng)力以水平方向地應(yīng)力為主。由圖2～4可知：水平方向最大應(yīng)力集中在巷道頂板區(qū)域，垂直方向最大應(yīng)力集中于巷道肩部。最大主應(yīng)力分布形式與水平方向應(yīng)力分布相似，最大應(yīng)力集中于巷道頂板位置。除頂板位置外，巷道圍巖應(yīng)力分布較均勻。最小主應(yīng)力沿錨桿支護(hù)區(qū)域近似均勻分布。由最大主應(yīng)力分布可知：3種錨索參數(shù)下巷道頂板應(yīng)力值較接近。頂板區(qū)域應(yīng)力隨著錨索間排距增大而增大。因此，當(dāng)錨索間排距較大時(shí)，巷道頂板位置易發(fā)生較大位移，可能出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿省?/p>

不同錨索支護(hù)參數(shù)垂直應(yīng)力分布云圖如圖5所示。由圖5可知：錨索間距為1.2 m時(shí)，巷道頂板最外側(cè)錨索位置應(yīng)力為18.32 MPa；錨索間距為1.6 m時(shí)，巷道頂板最外側(cè)錨索位置應(yīng)力為19.84 MPa；錨索間距為2.0 m時(shí)，巷道頂板最外側(cè)錨索位置應(yīng)力為21.18 MPa。錨索間排距增加導(dǎo)致頂板錨索加固區(qū)域應(yīng)力明顯增加。由圖5-a）可知，當(dāng)錨索間距為1.2 m時(shí)，4根錨索間黃色區(qū)域貫通為整體，這表明錨索間圍巖受力均勻，錨索錨固區(qū)圍巖共同承載效果較好；而錨索間距大于1.2 m時(shí)，錨索間關(guān)聯(lián)性較差。

3.2位移

不同錨索支護(hù)參數(shù)下位移云圖分布形式如圖6～8所示。巷道水平方向最大位移主要發(fā)生在巷道兩幫位置，垂直方向最大位移主要發(fā)生在頂板位置。結(jié)合應(yīng)力可知，巷道圍巖地應(yīng)力以水平方向地應(yīng)力為主。因此，水平方向位移大于垂直方向位移。例如：當(dāng)錨索間距為1.2 m時(shí)，水平方向最大位移為5.54 mm，垂直方向最大位移為4 mm。

由水平方向位移分布可知，不同錨索支護(hù)參數(shù)下最大水平位移分別為5.54 mm（錨索間距1.2 m）、5.47 mm（錨索間距1.6 m）、5.83 mm（錨索間距2.0 m）。位移值相差較小，且規(guī)律不明顯。垂直方向最大位移隨著錨索間排距增大而增大。錨索間距由1.2 m增加至2.0 m，巷道頂板位移分別為4 mm、4.38 mm、4.82 mm。模擬結(jié)果表明，錨索間排距越小，錨索支護(hù)效果越好。

此外，通過(guò)垂直方向應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，錨索間排距較小時(shí)，各個(gè)錨索間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。例如：方案一、方案二中深藍(lán)色區(qū)域連通成為整體；而方案三中僅中間兩根錨索錨固作用較好，兩側(cè)錨索僅單獨(dú)發(fā)揮作用。

綜上所述，錨索支護(hù)參數(shù)為2.0 m×2.8 m時(shí)，支護(hù)效果相對(duì)較差；錨索支護(hù)參數(shù)為1.2 m×2.0 m時(shí)，巷道頂板應(yīng)力和位移均最小。但是，錨索間排距過(guò)小時(shí)，頂板錨固區(qū)較小。為了使頂板較大區(qū)域形成較好的錨固效果，最終確定錨索支護(hù)參數(shù)為1.6 m×2.4 m。

4結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖采用錨桿+鋼拱架+噴漿支護(hù)的基礎(chǔ)上增加錨索支護(hù)，設(shè)計(jì)了不同錨索支護(hù)參數(shù)，通過(guò)有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，分析了不同錨索支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力和位移變化，主要結(jié)論如下：

1）巷道圍巖最大主應(yīng)力與水平方向應(yīng)力分布形式相似，頂板處存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著錨索支護(hù)參數(shù)增加，巷道頂板處最大應(yīng)力值增加。錨索間距為2.0 m時(shí)，巷道頂板最外側(cè)錨索位置應(yīng)力為21.18 MPa。

2）巷道圍巖最大位移主要出現(xiàn)在巷道兩幫位置。不同錨索支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖最大位移相似，主要區(qū)別在于巷道頂板位移變化。隨著錨索間排距增大，巷道頂板最大位移增加，錨索間距由1.2 m增加至2.0 m，巷道頂板位移分別為4 mm、4.38 mm、4.82 mm。錨索最優(yōu)支護(hù)參數(shù)為1.6 m×2.4 m。

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Optimization of bolt support parameters for drainage roadway

of high-altitude broken surrounding rock

Shen Quansheng1，Wang Zhiyong1，Zhao Ziyue2

（1.Xizang Julong Copper Industry Co.，Ltd.;

2.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：Reasonable support form and support parameters are the key to ensuring the stability of the roadway surrounding rock.The joint support effect of bolt + metal mesh + shot grouting in the Grade Ⅳ surrounding rock area of the drainage roadway of Julong Copper Mine in Xizang is poor.In this paper，for the problems of support in the Grade Ⅳ surrounding rock area of the drainage roadway of Julong Copper Mine，bolt and steel arch support，as well as the thickness of shot grouting，is introduced on the basis of the existing support.Different bolt support parameters are designed and optimized using finite element numerical simulation software.The results show that there is an obvious stress addition phenomenon at the roadway surrounding rock roof.With the increase of bolt support parameters，the maximum stress value at the roadway roof increases.With the increase of row spacing between bolts，the maximum displacement of the roadway roof increases，the bolt spacing increases from 1.2 m to 2.0 m，and the displacement of the roadway roof is 4 mm，4.38 mm，and 4.82 mm，respectively.The optimal support parameter of the bolts is 1.6 m×2.4 m.The results of the study provide theoretical references for the selection of the support parameters of the bolts of similar roadways.

Keywords：high altitude;roadway support;broken surrounding rock;bolt support;numerical simulation

收稿日期：2024-01-25； 修回日期：2024-03-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC2905003）

作者簡(jiǎn)介：沈泉生（1967—），男，高級(jí)工程師，從事礦山管理工作；E-mail：290143567@qq.com

*通信作者：趙紫月（1996—），男，碩士研究生，從事金屬礦山采礦工藝等方面的研究工作；E-mail：zhaoziyue0211@163.com