夜長坪鉬礦軟巖巷道支護數值模擬研究

孫祥鑫 明士祥 秦 帥 嚴榮富

(北京科技大學土木與環境工程學院)

中原礦業有限公司夜長坪鉬礦是一個具有巨大開發潛力的大型鉬金屬原料基地，2004年2月重新規劃生產，目前正在進行擴產設計和技術改造，一期生產規模將達2萬t/d，這將成為國內最大的地下鉬礦山，為了實現這一目標，該礦正在井下開展自然崩落采礦法試驗。

自然崩落采礦法是一種高強度、大規模、安全、低成本的采礦方法，但也是一種對礦體賦存條件和礦巖性質有較高要求的采礦方法，適用條件是礦體厚大或傾角陡的中厚礦體，同時礦巖具有良好的可崩性。根據前期研究，夜長坪鉬礦礦體厚大且可崩性能好，適合使用自然崩落法開采，但根據礦體賦存條件和放礦要求，底部結構工程都需布置在不穩定的礦巖中，其中絕大多數位于氧化礦石中，而氧化礦石又是礦區最不穩定的礦巖之一，所以回采巷道穩定性極差，一旦巷道破壞，將會造成巨大礦量損失。而且自然崩落法受礦巷道存在時間長，受二次爆破影響頻繁，工程縱橫交錯密集程度高，所處環境十分復雜，因此維護難度極大。據此，自然崩落法能否在夜長坪鉬礦成功應用的關鍵，取決于底部結構的穩定程度和支護效果，解決好巷道支護問題對夜長坪鉬礦的發展具有極其重要的意義。本研究采用FLAC3D軟件，對巷道支護形式及支護參數進行了模擬和計算，對不同的方案進行了甄選，為現場支護方案和參數確定提供重要的依據。［1］。

1 巷道工程圍巖環境

1.1 礦巖物理力學特性

夜長坪鉬礦根據自然崩落采礦方法的設計需要，前期做過系統的巖石力學研究，并主要圍繞礦巖的穩固特性和崩落特性開展過礦巖力學性質測定工作，所得主要數據如表1所示。

表1 夜長坪鉬礦巖石物理力學參數室內測試結果

1.2 應力環境

夜長坪鉬礦處于溝深山高的構造發育區，構造應力場突出。根據礦區地應力測試結果，地應力場以水平構造應力為主，最大和最小主應力大致呈水平分布，即礦區地壓活動被構造應力所控制。另由于礦體上部先期的開采和已形成的地表塌陷，將會造成970 m中段的垂直應力場加大或局部支撐應力集中的存在，使礦區應力環境更加復雜多變。從整體結果看，夜長坪鉬礦原巖應力場明顯高于國內其他礦區，在有些區段測出的最大和最小應力比值之高在國內也是少見的，由此說明，礦區的應力環境復雜，且原巖應力高，這對礦山開采尤其是對巷道工程的維護帶來極為不利影響。

通過線性回歸分析，得出了各主應力值(最大主應力σ1、中間主應力σ2和最小主應力σ3)隨埋深H變化的特性方程［2］如下:

式中，H為垂直方向深度，m。

2 巷道穩定性數值模擬實驗研究

2.1 分析模型的建立

根據巷道斷面設計圖紙，選擇受礦巷道典型斷面進行分析。巷道凈寬2.6 m，凈高2.9 m，斷面為直墻三心拱。選擇巷道位置為1 020 m水平，按照實驗分析970 m平均埋深計算此位置埋深約為352 m，模擬采用的參數均為巖性最差的氧化礦的數據。模擬過程中對模型底部進行了位移約束，在X方向施加最大水平應力，Y方向施加最小水平應力，Z方向施加垂直應力，巷道走向垂直于最大主應力方向。所建模型如圖1所示。

圖1 模擬實驗模型

2.2 不同混凝土支護結構實驗研究

2.2.1 3種混凝土支護結構模擬計算

初次模擬混凝土支護結構分3種形式:第1種形式為300 cm厚度混凝土支護，第2種為400 cm混凝土，第3種為鋼纖維混凝土，3種混凝土支護都設有底梁。計算結果如表2。

表2 不同混凝土支護結構模擬計算數據

通過模擬計算結果可以看出，加大混凝土的厚度和采用鋼纖維混凝土，較素混凝土的承載能力有所增強，控制圍巖變形能力也相應加強。

通過位移矢量模擬發現，巷道兩幫向中間移動，底板向上方移動，頂板向下方移動，說明在實際工程中，容易出現片幫底鼓和冒頂的現象;從位移趨勢可以看出，加大混凝土厚度和采用鋼纖維混凝土優于素混凝土支護效果;另從應力模擬可以看出，3種支護的最大水平應力位置位于混凝土內拱頂正中位置和底梁位置，正中心部分應力值高達40 MPa，所以混凝土很容易在這2個位置發生破壞，從而引起頂底板中間位置失效產生錯動或破裂，導致兩幫向內運動，底板鼓起的破壞發生;從塑性區模擬也可以看出，400 mm厚度混凝土和鋼纖維混凝土塑性區面積基本相同，與300 mm厚度混凝土相差也不大，說明施工一定厚度的混凝土支護后，基本上起到了限制塑性區發展的作用，因此在實際工程中，混凝土的厚度不能無限加大，要綜合考慮其經濟成本和施工難易程度，在不同的圍巖條件下采用不同的混凝土支護結構。

2.2.2 增設底梁支護及壁后充填接頂模擬計算

為了比較混凝土支護添加底梁和壁后充填接頂的效果，進行了不同工況條件下的穩定狀況的模擬，分為有底梁全封閉混凝土支護、無底梁混凝土支護和無底梁不接頂混凝土支護3種形式，3種計算結果如表3。

表3 有無底梁和不接頂混凝土支護結構模擬計算數據

通過模擬計算結果可以看出，全封閉混凝土支護結構要優于其他2種支護結構。通過位移模擬可以看出，無底梁的混凝土支護結構變形量要大于有底梁的情況，而不接頂的支護情況水平方向和垂直方向位移更大，混凝土發生了嚴重破壞，基本失效。再觀察應力模擬，無底梁支護的水平應力最大位置在頂板正中，底板位置應力較小，這點不同于有底梁支護，而不接頂支護的應力最大區域位于支護結構外部的圍巖中，說明混凝土已經無法發揮支護作用，而由圍巖起到支撐作用;再觀察塑性區，有底梁形式的塑性區面積明顯小于無底梁支護方式，而不接頂的情況下，在近7 m的范圍內都產生了破壞，說明這樣的支護明顯是失效的，因此，在實際施工中，必須施工全封閉混凝土，保證混凝土壁后充填接頂，只有這樣混凝土才能起到支護作用。

2.2.3 混凝土和錨桿聯合支護巷道穩定性模擬

巷道采用300 mm厚素混凝土有底梁的支護形式后，再采用不同長度錨桿加固，其穩定計算結果如表4所示。

表4 澆灌混凝土和錨桿聯合支護結構模擬計算數據

通過模擬計算結果可以看出，采用錨桿進行加固后，巷道的水平位移量明顯減小，塑性區面積也大大減小，說明施工錨桿會對限制位移和塑性區發展起到很大的作用，甚至優于增加混凝土的厚度。

通過位移和應力模擬可以看出，混凝土和錨桿聯合支護的結構能夠進一步限制位移，降低混凝土承載的應力，無論對于圍巖和混凝土結構都是有利的;通過塑性區模擬，可以發現施工錨桿后，塑性區面積減小，破壞區域變小，而且隨著錨桿長度的增加，起到的作用愈加明顯，所以在實際施工中，應該選擇混凝土和錨桿聯合支護的方式，根據塑性區模擬可以看出圍巖塑性圈在1～3 m，所以應當增加錨桿的長度，使錨固端楔入到塑性區外圍巖中，從而起到錨固作用［3-6］。

3 結論

(1)巷道的破壞主要集中在拱頂正中和底板位置，主要變形方式是拱頂下移，底板上鼓，兩幫向內移動，相比較來說兩幫內移量大于頂底板移動量。

(2)對于混凝土厚度的選取，以及是否采用鋼纖維混凝土，要根據具體的巖石條件確定。對于極為破碎，而且巷道方向垂直于最大主應力方向，那么應該優選鋼纖維混凝土;對于巖石條件較好，或巷道方向平行于最大主應力，可以選取經濟合理的支護方式。

(3)混凝土施工有底梁且接頂的支護效果，要遠遠優于無底梁和不接頂的情況，所以在生產中應當施工全封閉混凝土結構，而且要保證施工質量，確保底梁的連接和壁后拱頂充填接頂。

(4)施工混凝土且增加錨桿后可以起到很好的支護效果，所以優選全封閉混凝土和錨桿聯合支護的結構，而且在實際施工中必須保證錨桿安裝質量，來確保錨桿發揮作用。

［1］ 周貫中.夜長坪鉬礦開采優化研究報告［R］.長沙:長沙礦山研究院，2008.

［2］ 周貫中.夜長坪鉬礦區原巖應力測試研究［R］.長沙:長沙礦山研究院，2010.

［3］ 明世祥.夜長坪鉬礦采場巷道支護技術研究綱要［R］.北京:北京科技大學，2011.

［4］ 劉 波，韓彥輝.FLAC原理實例與應用指南［M］.北京:人民交通出版社.2005.

［5］ 彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［6］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.