深部大斷面硐室開(kāi)挖順序及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

摘要：為解決深部大斷面硐室開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方式開(kāi)展深部大斷面硐室開(kāi)挖順序及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究。建立了大斷面硐室分布開(kāi)挖模型，依據(jù)“先頂后幫”“先幫后頂”“幫頂同掘”的原則并參照工程現(xiàn)場(chǎng)中綜掘機(jī)截割方式，設(shè)計(jì)16種模擬開(kāi)挖方案。分別針對(duì)5種不同支護(hù)類型進(jìn)行效果分析，并依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：綜合考慮塑性區(qū)變化、圍巖收斂及開(kāi)挖器具等因素，認(rèn)為采用“先頂后幫”的斷面開(kāi)挖方式具有較小的擾動(dòng)，并確認(rèn)了最佳的開(kāi)挖順序。錨桿錨索和混凝土砌碹可以有效增加硐室的穩(wěn)定性和承載能力，但硐室?guī)筒?、中間部位及底板中間部位仍存在變形，需要適當(dāng)提高錨桿錨索的支護(hù)密度，并輔以注漿加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；大斷面；硐室；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；開(kāi)挖順序；支護(hù)

中圖分類號(hào)：TD354文章編號(hào)：1001-1277（2025）01-0075-07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250112

引言

目前，各大礦山都已基本完成淺部資源開(kāi)采進(jìn)而轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采3。深部開(kāi)采將成為金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)，向地球深部進(jìn)軍，著力推動(dòng)采礦行業(yè)智能化改造升級(jí)，開(kāi)展深部智能化開(kāi)采技術(shù)研究具有重要的戰(zhàn)略意義④。深部開(kāi)采相較于淺部開(kāi)采，地應(yīng)力較大、應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜多變，圍巖出現(xiàn)脆性向延性轉(zhuǎn)變及流變和擴(kuò)容特征等現(xiàn)象⑧～，加之強(qiáng)采動(dòng)影響下所導(dǎo)致的次生破碎巖體開(kāi)挖條件，導(dǎo)致深埋大斷面硐室群圍巖控制難度增大、支護(hù)成本劇增，因此為實(shí)現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源的安全開(kāi)采，保證深部大斷面硐室施工及圍巖穩(wěn)定性控制成為亟須解決的問(wèn)題。

深部硐室工程具有以下特點(diǎn)：①硐室斷面尺寸大，斷面高寬比不均，硐室群暴露空間大；②硐室群空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可劃分為空間密集交錯(cuò)型和平面展開(kāi)布局型兩類典型布局形式；③硐室埋深大，工程穩(wěn)定性受深部高地應(yīng)力及破碎巖體工程地質(zhì)條件影響；④硐室巷硐集中，各子工程開(kāi)挖次序復(fù)雜，大斷面硐室開(kāi)挖分步工程較多，后掘工程施工對(duì)先掘工程損傷擾動(dòng)大；⑤硐室服務(wù)周期長(zhǎng)，受高原巖應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力及井下作業(yè)擾動(dòng)等耦合作用影響，巷硐支護(hù)要求高12—15

為解決深部大斷面硐室開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn)題，本研究采用數(shù)值模擬的方式開(kāi)展深部大斷面硐室開(kāi)挖順序優(yōu)化研究，并在此研究基礎(chǔ)上提出支護(hù)優(yōu)化建議，這對(duì)確保深部資源開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1巖體力學(xué)參數(shù)

巖體力學(xué)參數(shù)是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參數(shù)準(zhǔn)確性越高，模擬結(jié)果可靠性越強(qiáng)6。甘肅某礦山巖體及錨桿錨索力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。巖體采用Mohr—Coulomb 本構(gòu)模型，數(shù)值計(jì)算遵循軟件默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)并計(jì)算至完全平衡（不平衡力收斂比率小于10～3）。在模型四周及頂?shù)撞抗潭?，根?jù)礦山實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，其中，垂直應(yīng)力σ取30MPa，水平應(yīng)力σ取30MPa、σ，取50MPa。

2 Flac3D數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

2.1斷面開(kāi)挖順序優(yōu)化

硐室群中各硐室普遍是較大斷面硐室，而且處于地下數(shù)千米深，一般采用分布開(kāi)挖，然而不同分布開(kāi)挖順序?qū)?duì)硐室圍巖穩(wěn)定性帶來(lái)不同程度的影響。因此，將硐室分8步進(jìn)行開(kāi)挖（如圖1所示）。依據(jù)“先頂后幫”“先幫后頂”“幫頂同掘”的原則并參照工程現(xiàn)場(chǎng)中綜掘機(jī)截割方式，設(shè)計(jì)了16種開(kāi)挖方案。采用Flac3軟件對(duì)硐室開(kāi)挖順序進(jìn)行模擬，模型整體長(zhǎng)×寬為27m×90m，高為120m，硐室尺寸為9m×12.4m，該模型包括174243個(gè)節(jié)點(diǎn)、939970個(gè)單元、9個(gè)群組。硐室開(kāi)挖順序優(yōu)化數(shù)值模型如圖2所示。

2.2支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

為研究不同硐室圍巖支護(hù)形式的效果和承載結(jié)構(gòu)對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響，待斷面開(kāi)挖順序優(yōu)化完畢后，在開(kāi)挖模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化模擬。本文共設(shè)置5種初始支護(hù)方案，分別如表3所示，無(wú)支護(hù)的方案為對(duì)照組。錨桿支護(hù)采用φ32 mm×6 mm的無(wú)縫鋼管，間排距為2 m×2m，注漿材料采用單水泥漿液，其水灰比為0.65～0.80。錨索支護(hù)采用規(guī)格為φ15.2 mm×10000 mm的精軋螺紋鋼筋錨索，以M25砂漿全長(zhǎng)錨固，網(wǎng)度為1.9m×1.9m，墊板規(guī)格采用δ=15 mm、S=300 mm×300 mm?；炷疗鲰壑ёo(hù)采用厚度為600 mm的混凝土砌塊，其強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋混凝土保護(hù)層厚度為50 mm。Cable結(jié)構(gòu)單元和Liner結(jié)構(gòu)單元分別用來(lái)模擬錨桿錨索支護(hù)和混凝土砌碹支護(hù)[18]。根據(jù)初始設(shè)計(jì)要求，頂板和幫部安裝了14排錨桿和錨索，共計(jì)420根，錨桿和錨索的力學(xué)參數(shù)如表2所示?；炷疗鲰酆穸仍O(shè)定為0.6 m。支護(hù)模擬的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

3結(jié)果及分析

3.1開(kāi)挖順序優(yōu)化結(jié)果及分析

通過(guò)模擬計(jì)算平衡，得到各方案的塑性區(qū)破壞情況，如圖4所示。從圖4可以看出：不同的開(kāi)挖順序必然會(huì)對(duì)硐室圍巖產(chǎn)生不同的擾動(dòng)影響，最終表現(xiàn)為塑性區(qū)發(fā)育范圍與圍巖收斂量存在顯著區(qū)別。各開(kāi)挖方案數(shù)值計(jì)算結(jié)束后硐室圍巖塑性區(qū)總面積與收斂量的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出：①在同等條件下，方案6的兩幫收斂量最小，方案3的頂?shù)资諗苛孔钚?；②兩幫收斂量都遠(yuǎn)高于頂?shù)资諗苛?；③方?開(kāi)挖時(shí)是塑性區(qū)總面積最小的方案。

通過(guò)前述分析可知，塑性區(qū)總面積與圍巖收斂量的最小值均屬于不同方案，為確定硐室的最佳開(kāi)挖方式，仍以圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將方案1中的兩幫收斂量、頂?shù)资諗苛亢退苄詤^(qū)總面積作為參照量。各方案的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)如圖6所示。從圖6可以看出：方案3的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)最小，其次是方案2，其余均較高。從可行性角度分析方案2、方案3均可選擇，但根據(jù)礦山要求、鑿巖開(kāi)挖器具及開(kāi)挖進(jìn)度，選擇方案2作為開(kāi)挖的最佳方案較為合理。

3.2支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

不同支護(hù)形式下圍巖的位移分布云圖如圖7所示。從圖7可以看出：當(dāng)沒(méi)有任何支護(hù)時(shí)，硐室的兩幫收斂量達(dá)到了7.7 cm，頂?shù)装迨諗苛繛?.6 cm。只選擇錨桿進(jìn)行單獨(dú)支護(hù)，兩幫收斂量為7.6 cm，而頂?shù)装迨諗苛縿t為5.5 cm。單獨(dú)的錨索支護(hù)，頂?shù)装寮皟蓭偷氖諗苛恐德缘陀阱^桿支護(hù)，由于錨索的長(zhǎng)度及抗拉強(qiáng)度更高，因此錨索支護(hù)效果略勝于錨桿支護(hù)。錨桿錨索與圍巖之間的相互接觸會(huì)產(chǎn)生擠壓摩擦，二者的作用機(jī)理類似。混凝土砌碹支護(hù)極大地提高了硐室的穩(wěn)定性，圍巖兩幫的收斂量縮短至5.6 cm，而頂?shù)装迨諗苛恳矞p少至3.4 cm，其他部分的變形也變小了許多。這表明，混凝土砌碹支護(hù)對(duì)圍巖的支護(hù)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于錨桿錨索單獨(dú)支護(hù)。當(dāng)采用3種支護(hù)方式進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)時(shí)，硐室兩幫及頂?shù)装宓氖諗苛肯鄬?duì)混凝土砌碹支護(hù)來(lái)說(shuō)也得到了小幅度降低，這意味著三者聯(lián)合支護(hù)對(duì)井下超大斷面硐室變形破壞的控制效果要優(yōu)于混凝土砌碹單獨(dú)支護(hù)。

不同支護(hù)形式下大斷面硐室圍巖的塑性變形云圖如圖8所示。從圖8可以看出：由方案1到方案5進(jìn)行支護(hù)時(shí)硐室周邊塑性區(qū)范圍顯著減小，而硐室的穩(wěn)定性得到了顯著提高。當(dāng)硐室沒(méi)有任何支護(hù)時(shí)，硐室周邊塑性區(qū)分布范圍較大，破壞主要集中在頂部及幫部。而單獨(dú)采用錨桿錨索支護(hù)時(shí)，硐室周邊的塑性破壞范圍幾乎相同，這表明錨桿錨索對(duì)硐室支護(hù)效果不夠明顯。然而，采用混凝土砌碹單獨(dú)支護(hù)后，破壞面積明顯減少，硐室的穩(wěn)定性得到了顯著提高。采用3種支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)后，圍巖的塑性區(qū)達(dá)到最小值，硐室更加穩(wěn)定。綜合來(lái)看，聯(lián)合使用錨桿錨索和混凝土砌碹的支護(hù)方式是一種更為優(yōu)秀的方案，可有效提高井下超大斷面硐室的穩(wěn)定性和安全性。

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)變形特征如圖9所示。從圖9可以看出：聯(lián)合支護(hù)下，錨桿錨索x方向上最大位移量約為20 mm，集中于硐室兩幫，而拱頂位移變化較??；z方向位移變化較大的部位分布在硐室頂板及直墻腳底，最大位移量可達(dá)7.9 mm。這主要是由于硐室開(kāi)挖后，直墻處產(chǎn)生了較大的臨空面，出現(xiàn)應(yīng)力松弛效應(yīng)，硐室圍巖失去支撐，于是逐漸向內(nèi)收斂。當(dāng)硐室進(jìn)行支護(hù)時(shí)，由于圍巖與錨桿錨索及水泥漿之間相互作用，產(chǎn)生了摩擦和擠拉[19]。這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)下的作用，也反映在錨固水泥漿的應(yīng)力云圖中，呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特點(diǎn)。在襯砌固定后，錨桿錨索墊板附近受到了較大的壓力，導(dǎo)致應(yīng)力集中的出現(xiàn)。與此同時(shí)，錨桿錨索的尾端則出現(xiàn)了拉力狀態(tài)。通過(guò)觀察錨桿錨索單元的塑性分布特征可以發(fā)現(xiàn)，在支護(hù)過(guò)程中，錨桿錨索單元并沒(méi)有發(fā)生塑性屈服現(xiàn)象。這表明支護(hù)措施起到了很好的作用，穩(wěn)定了硐室結(jié)構(gòu)，提高了圍巖的穩(wěn)定性和抗壓能力。

砌碹支護(hù)位移云圖如圖10所示。從圖10可以看出：在水平方向上，硐室圍巖受到了近乎相同的擠壓力，因此變形量也接近。在垂直方向上，由于底部未進(jìn)行支護(hù)，所以圍巖的位移量比拱頂多出了兩倍多。此外，混凝土砌碹支護(hù)還可以提高硐室的承載能力，從而減少圍巖破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在硐室設(shè)計(jì)中，混凝土砌碹支護(hù)是一種十分重要的圍巖支護(hù)形式。

由上述分析可知，大斷面硐室支護(hù)需要采用多種支護(hù)形式來(lái)確保其穩(wěn)定性和安全性。聯(lián)合支護(hù)可以有效增加硐室的穩(wěn)定性和承載能力。盡管該支護(hù)方案已經(jīng)取得了一定的效果，但是從變形破壞情況來(lái)看，硐室兩幫中間部位仍然是硐室變形的主要部位，變形量約為5.6 cm，底板中央部位的變形量也達(dá)到了3.4 cm。這表明該方案還需要進(jìn)一步優(yōu)化改善。

3.3支護(hù)方案改進(jìn)

前述模擬結(jié)果表明，在不同的支護(hù)參數(shù)下，硐室?guī)筒?、中間部位及底板中間部位仍有一定變形量，因此，對(duì)初始支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)：首先，適當(dāng)提高錨桿錨索的支護(hù)密度；其次，針對(duì)變形部位進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)。在錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護(hù)方案中，將錨索數(shù)量增加至270根，并增加錨桿的數(shù)量和長(zhǎng)度，其中長(zhǎng)3m的錨桿共336根、長(zhǎng)4.5 m的錨桿共168根。錨桿錨索支護(hù)改進(jìn)方案平面布置如圖11所示。通過(guò)模擬計(jì)算和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的支護(hù)方案，不僅使得圍巖受力分布更加均勻，而且具有很好的承載能力和穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)了支護(hù)效果。

4結(jié)論

1）建立了大斷面硐室分布開(kāi)挖模型，依據(jù)“先頂后幫”“先幫后頂”“幫頂同掘”的原則并參照工程現(xiàn)場(chǎng)中綜掘機(jī)截割方式，設(shè)計(jì)16種模擬開(kāi)挖方案。模擬結(jié)果表明，采用“先頂后幫”的斷面開(kāi)挖方式具有較小的擾動(dòng)，并確認(rèn)了最佳的開(kāi)挖順序。

2）模擬結(jié)果表明：采用錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護(hù)方式可以更好地控制深部大斷面硐室的變形和破壞，相較于混凝土砌碹單獨(dú)支護(hù)方式，聯(lián)合支護(hù)的效果更佳。

3）在錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護(hù)方案中，硐室?guī)筒俊⒅虚g部位及底板中間部位仍有一定變形量。因此，將錨索數(shù)量增加至270根，并增加錨桿的數(shù)量和長(zhǎng)度，其中，長(zhǎng)3m的錨桿共336根、長(zhǎng)4.5m的錨桿共168根。改進(jìn)后的支護(hù)方案，不僅使得圍巖受力分布更加均勻，而且具有很好的承載能力和穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)了支護(hù)效果。

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Excavation sequence and support parameter optimization for large-section chambers in deep mining

Li Hongye'，Yang Yaping'，Luo Huanzhen'，Zhang Xizhi1，Shi Ming'，Wang Gang'，Chen Xun2

（1.Mining Engineering Branch of Jinchuan Group Engineering Construction Co.，Ltd.;2.School of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Technology）

Abstract：To address the stability challenges when large-section chambers are excavated in deep mining，this study employed numerical simulations to investigate excavation sequences and optimize support parameters for large-section chambers.A distribution and excavation model for large-section chambers was established，and 16 excavation schemes were designed based on principles such as\"roof first，then walls\"\"walls first，then roof\"and\"simultaneous walls and roof\"as well as the cuting approach of integrated excavator on mine site.The study analyzed the effects of 5 different support types and optimized support parameters based on the simulation results.The findings indicate that the\"roof first，then walls\"excavation sequence results in minimal disturbances when considering factors like plastic zone changes，surrounding rock convergence，and excavation equipment.Bolts，cables，and concrete lining significantly enhance chamber stability and load-bearing capacity;however，deformation persists in the wall，middle，and middle areas of floors of the chamber.It is recommended to increase the density of bolts and cables and supplement with grouting for reinforcement.

Keywords：deep mining;large-section;chamber;stability;numerical simulation;excavation sequence;support