深井降溫硐室支護設計結構模擬與應用

呂 琳

(煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽省合肥市，230041)

井下的熱源(圍巖散熱、機電設備放熱、礦巖氧化熱、熱水放熱、人體散熱等)及其熱量是形成熱害的主要原因，基于地質條件的復雜性和獨特性，本文以山東招金礦業夏甸金礦降溫硐室為例，充分考慮圍巖擾動效應，采用一次性動態支護，結合降溫設計的思想，并且充分利用了礦用維護材料在高溫環境下的力學性能，采用數值模擬以及現場測試的方法，最后給出深井硐室結構的支護方案，采用本文的支護方案可以有效保證硐室的安全性。

1 工程背景

山東招金礦業夏甸金礦位于招遠市南約20 km處，黃金產量達4 t/a。由于該礦-652 m水平以上淺部礦脈資源即將枯竭，目前正在向-720 m及以下水平開拓。開拓過程中，受到井下高溫干擾，開拓人員的生產環境超過《金屬非金屬礦山安全規程》(GBl6423-2006)26～28℃的采掘作業地點氣象條件規定。經現場實測，-700 m水平掘進風筒出口處溫度已達33.8℃，回風豎井掘進頭溫度已達32.8℃，相對濕度達到100%。因此迫切需要建設井下降溫硐室來解決礦井生產過程中產生的熱害問題。

2 巷道支護理論

目前我國巷道支護大多采用錨桿及配套支護結構，對圍巖起控制變形、防止破壞的作用，巷道開挖后，一次支護、二次支護甚至多次支護都不一定能有效控制圍巖變形與破壞。康紅普院士提出一次錨桿支護是高效改善圍巖不連續應力的有效手段，錨桿工作阻力擴散到圍巖中，圍巖離層、滑動、裂隙擴大，因而一次支護可以有效在圍巖揭露時立即支護，保證圍巖穩定。

3 巷道支護設計方法

3.1 地質資料及生產條件

硐室周圍巖體組成主要為黑云母花崗巖和膠東群、粉子山群的變質巖、北東向構造破碎帶發育一套蝕變巖。巖石力學試驗結果顯示，礦體頂、底板和圍巖均為堅硬或比較堅硬巖石，一般比較穩固，巖石普氏系數f=8～12，其支護結構采用直墻半圓拱斷面結構形式，降溫制冷硐室主斷面尺寸寬度5.3 m，直墻高2.5 m，長度為40 m。

3.2 支護材料

硐室的支護結構中采用管縫錨桿MF40，符合《有色金屬礦山井巷工程施工及驗收規范》，長度2200 mm，間排距800 mm×800 mm。管縫式錨桿是一種全長錨固，主動加固圍巖的新型錨桿，立體部分是1根縱向開縫的高強度鋼管，當安裝于比管徑稍小的鉆孔時，可立即在全長范圍內對孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力，加上錨桿托盤托板的承托力，從而使圍巖處于三向受力狀態，后期錨固力明顯增大。

3.3 支護方案

硐室的支護結構采用錨桿+鋼筋網+噴射混凝土結構。支護總厚度為150 mm，錨桿規格為MF40管縫錨桿，長度2200 mm，間排距800 mm×800 mm；鋼筋網采用?6 mm鋼筋焊接，網孔100 mm×100 mm；噴射混凝土強度等級為C20，現澆底板及基礎鋼筋混凝土強度等級為C30，底板受力鋼筋為HPB300、HRB400，混凝土保護層厚度50 mm。巷道支護形式如圖1所示。

4 支護效果

4.1 現場實測

采用數值模擬進行多方案比較，結合現場地質條件和實際工程經驗最后確定巷道采用錨網噴結構+管縫錨桿支護形式，管縫錨桿全長錨固組合支護。在施工期間進行巷道內表面位移、頂板離層及錨桿受力觀測。在巷道開挖掘進35 m后，圍巖變形達到最大值之后趨于穩定。在實際工程中允許施工單位根據實際情況，如遇硐室變形量較大時，應采取加強支護強度等措施或對硐室處圍巖進行注漿加固。如硐室處底板地壓較大或巖性破碎時，須在硐室底部增設適量的錨桿、錨索或先對硐室底板處圍巖進行注漿加固。

圖1 巷道支護形式

圖2 巷道位移曲線

在掘進期間，降溫硐室巷道表面位移曲線如圖2所示。由圖2可知，表面位移在距掘進工作面30 m以后趨于穩定。兩幫移近量為40 mm。頂底移近量為70 mm，其中頂板下沉量為43 mm，底鼓量30 mm，底鼓量占巷道頂底移近量的64.5%。底部位移大的原因主要是圍巖較穩定，而底板沒有進行錨桿支護。

4.2 數值模擬

巖體本身構造復雜，存在各種斷裂帶和節理面影響，考慮其不連續性，在勘察提出的巖土力學參數上進行一定折減，得到適用本工程的土體力學參數如下：圍巖密度2500 kg/m3，泊松比0.25，彈性模量26.8 GPa，摩擦角49.4°，粘聚力3.46 MPa，選用摩爾—庫倫本構模型。

選用Midas GTS軟件，根據實際尺寸進行巷道模擬，建立幾何模型，土體采用3 d單元，噴射混凝土采用2 d板單元，管縫錨桿采用植入式桁架模擬，設置自重荷載，采用自動約束約束兩側及頂底的自由度如圖3所示，自重和邊界條件如圖4所示。

圖3 巷道網格劃分

圖4 自重和邊界條件

4.3 模擬結果

噴射混凝土應力云圖、錨桿應力云圖見圖5和圖6。當巖層開挖時，原始的地應力重新分布，從巷道的應力云圖可以看出開挖空區出現次生應力場，模擬開挖以礦山實際開挖順序，其主壓應力在開挖中段從16 MPa增大到33 MPa，主拉應力由小增大，最大達到2.3 MPa，未超過巖體抗拉強度，在安全范圍內。

圖5 噴射混凝土應力云圖

圖6 錨桿應力云圖

5 結論

在巷道設計時考慮地質條件復雜性以及施工擾動對周圍巖體的影響，通過分析工程實例與數值模擬的結果，采用本文的錨桿支護體系，可以達到降低結構頂板、底拱以及施工后期變形的效果，并以此為借鑒為其他類似巷道提供參考。