金山店鐵礦采準巷道噴射混凝土試驗研究

曾順洪，陳清運，董宏濤，魏敬芮，張海建

(1.武漢工程大學資源與安全學院； 2.云南磷化集團有限公司)

引 言

巷道是礦井生產中交通、運輸及通風等不可缺少的通道，為保證開采工作的正常進行、生產人員及財產的安全，必須確保巷道在服務期間始終處于穩定狀態[1]。巷道開挖后圍巖將產生變形，其圍巖狀態的改變會對礦井的安全生產造成巨大影響。例如，采場空間范圍內巖體變形、破壞、運移將會引發巷道離層、破斷、垮塌、片幫、底鼓等現象[2]。張斌等[3]采用現場試驗、數值模擬等方法,對巷道圍巖受擾動影響進行研究，提出了解決方案。郭建偉[4]采用離散元數值模擬方法研究平頂山礦區巷道圍巖變形破壞及破壞機理，提出巷道圍巖控制技術。焦建康等[5]采用現場實測、室內試驗、數值模擬相結合的方法，分析動載沖擊地壓巷道沖擊破壞特征和破壞原因，提出“深部卸壓-淺部強支-巷表防護”的多層次控制技術。

巷道開挖后，受特殊環境影響，不可能馬上進行支護加強，均采用噴射混凝土封閉巷道圍巖，而后再進行二次加固支護，這一過程完成需要15 d左右。此期間噴射混凝土的力學性質至關重要。因此，本文以武鋼資源集團有限公司金山店鐵礦(下稱“金山店鐵礦”)為研究背景，通過室內試驗測定噴射混凝土的抗壓及抗變形強度，結合數值模擬軟件Flac3D分析當前噴射混凝土支護對巷道圍巖的控制及支護時間，進一步分析噴射混凝土存在的問題，并給出了相應的改進措施。

1 工程背景

金山店鐵礦主要開采張福山礦床，該礦床處于新華夏系第二隆起帶的次級構造鄂城、大磨山主體復合隆起帶與過渡地帶連接部位，屬于接觸交代型鐵礦床[6]。該礦床東西長3.5 km，南北寬1 km，面積約3.5 km2；分布100多個礦體，尤以Ⅰ、Ⅱ號礦體規模較大，二者儲量占區內探明鐵總儲量的90 %以上。主要礦體在平面上大致呈NWW—EW向條帶狀展布[7]。

金山店鐵礦井下采準巷道圍巖表現為“粉、碎、膨”的特征，即粉狀鐵礦、破碎狀矽卡巖、膨脹狀石英閃長巖。工程地質條件表現為“高、大、低”的特征，即高地壓、大變形、低強度，巷道開挖后圍巖變形較大。根據RMR工程地質力學穩定性分級，其大部分圍巖屬于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，以 Ⅳ、Ⅴ級居多，歸屬塑性流變巖體一類。礦山目前開拓系統已經達到-810 m水平，回采工作主要在-425 m水平，巷道主要支護形式為噴錨網支護，局部地段采用鋼拱架支護。

2 噴射混凝土抗壓和抗變形試驗

2.1 試件制備

2.1.1 現場取樣

金山店鐵礦井下巷道噴射混凝土配比采用水泥、砂、碎石的質量比為1 ∶2 ∶2。采用三夾板現場取樣，井下養護1 d后脫模。噴射混凝土大板試樣見圖1。

圖1 噴射混凝土大板試樣

2.1.2 標準試件制備

將噴射混凝土大板移至實驗室，切割成長、寬、高均為100 mm的標準試塊，共5組，總計15塊。繼續養護至28 d，然后進行試驗。噴射混凝土大板切割制樣見圖2。

圖2 噴射混凝土大板切割制樣

2.2 試驗設備

金山店鐵礦采用WAW-600B型微機控制電液伺服萬能試驗機進行強度試驗。該設備主要規格、技術參數指標為：最大試驗力600 kN、示值精度1級、最大壓縮空間400 mm、電動機總功率3.3 kW。試驗設備見圖3。

圖3 WAW-600B型微機控制電液伺服萬能試驗機

2.3 試驗過程

2.3.1 抗壓強度試驗

試塊在原位主要是側面承擔壓力，試驗也按此方向進行加壓，壓力加載速度0.2 kN/s，直至試塊破壞為止。

2.3.2 變形測定

試塊側面分別粘貼垂直與水平的應變片(見圖4)。抗壓強度測試的同時，分別記錄試塊水平和垂直應變。試塊破壞形態見圖5。

圖4 部分貼好應變片的試塊

圖5 試塊破壞形態

2.4 試驗結果及分析

噴射混凝土抗壓強度和抗變形強度結果見表1。由表1可知：金山店鐵礦巷道噴射混凝土修正后的平均抗壓強度為17.05 MPa；彈性模量為7.90～14.55 GPa，平均值為12.28 GPa；泊松比為0.267～0.330，平均值為0.287。試驗得到的噴射混凝土抗壓強度和抗變形強度值與設計標準值相比偏小。

表1 噴射混凝土相關參數

3 數值模擬

根據室內試驗獲得噴射混凝土抗壓強度及抗變形強度參數，采用數值模擬軟件Flac3D研究當前噴射混凝土對巷道圍巖的支護作用。

3.1 模型建立

巷道為三心拱斷面，斷面寬×高為3.6 m×3.4 m，根據圣維南原理，計算時一般取巷道直徑的3～5倍[8-9]，結合研究區域實際情況，選取計算巷道模型長×寬×高為20 m×12 m×20 m。

3.2 邊界條件及網格劃分

模型x、y方向采取位移固定，模型底部采用位移約束，頂部為自由面且施加上覆巖層自重應力，巷道巖體采用Mohr-Coulomb模型模擬。模型共劃分22 800 個節點，22 464個單元。

3.3 模型參數選擇

選擇金山店鐵礦西區-396 m水平采準巷道為研究對象。巷道圍巖主要為石英閃長巖，根據巖體結構特征及巖體分級指標，得到石英閃長巖物理力學參數[10]，結果見表2。垂直應力為17.4 MPa，水平應力為自重應力的1.7倍。礦床在開采之前均要進行地下水疏干處理，且該地區水文地質條件一般，地表沒有大的水系與礦山發生水力聯系，數值模擬分析過程中不考慮孔隙水壓力的影響[11]。噴射混凝土參數見表3。

表2 巖體物理力學參數

表3 噴射混凝土參數

3.4 數值模擬結果及分析

3.4.1 巷道開挖圍巖位移

1)巷道開挖圍巖豎直位移分析。數值模擬一個開挖循環為2.4 m。巷道開挖后巷道圍巖豎直方向位移變化情況見圖6-a)。由圖6-a)可知：巷道開挖后，巷道頂部圍巖向下移動，最大位移為3.63 mm，其變形表現為“月牙形”；底部圍巖向上移動，最大位移為4.68 mm，底部變形表現為層狀。

2)巷道開挖圍巖水平位移分析。巷道開挖后巷道水平方向圍巖變化情況見圖6-b)。由圖6-b)可知：巷道開挖后，巷道兩邊圍巖變形呈對稱“月牙形”變化，分布在整個巷道兩幫，有向巷道中間移動的趨勢。巷道左、右幫最大位移分別為6.10 mm和6.03 mm，兩幫位移較大，與受水平應力較大有關。

圖6 巷道開挖圍巖位移變化云圖

3.4.2 巷道開挖圍巖應力分布特征

1)巷道圍巖豎直應力。巷道開挖后，圍巖應力大小對巷道圍巖穩定性影響至關重要，豎直方向圍巖應力分布情況見圖7-a)。由圖7-a)可知：巷道開挖后，在巷道頂、底板形成較大的拉應力區，拉應力區呈拱形分布。拱腳和拱肩處分別形成壓應力集中區，壓應力集中區分別存在于拱腳和巷道兩幫，最大垂直應力為16.6 MPa，從巷道兩幫向遠處延伸。

圖7 巷道圍巖應力分布特征

2)巷道圍巖水平應力。巷道圍巖應力在水平方向分布情況見圖7-b)。由圖7-b)可知：巷道剛開挖時，巷道拱頂、拱腳、底板產生壓應力集中區，最大水平應力為23.1 MPa，呈拱形向遠處擴散；拉應力集中區在巷道兩幫形成，呈“月牙形”逐漸向遠處擴散。

3)巷道xz方向應力。垂直應力與水平應力聯合作用對巷道穩定性產生巨大影響。對巷道開挖后xz方向應力分布特征進行分析，結果見圖7-c)。由圖7-c)可知：巷道開挖后,在巷道拱腳和拱肩出現應力復合集中現象，形成以巷道左底腳、右拱肩和右底腳、左拱肩為對角線，呈中心對稱分布的應力復合集中區；左底腳、右拱肩為拉應力集中區；右底腳、左拱肩為壓應力集中區，拉、壓應力集中區不斷向巷道頂、底板中心靠攏，并逐步向位移深處擴散。

3.4.3 噴射混凝土支護圍巖位移分析

巷道開挖后，噴射混凝土支護變形放大50倍的結果見圖8。由圖8可知：噴射混凝土在靠近開挖掌子面的地方變形較大，最大位移為4.48 mm。隨著與掌子面距離的增加，噴射混凝土變形逐漸減小，兩幫邊墻部分有向巷道中央移動的趨勢。這可能是巷道開挖后兩幫變形較大所致，越靠近掌子面，圍巖位移變化趨勢越明顯。

圖8 噴射混凝土支護變形放大50倍的情況

3.4.4 支護前后圍巖位移對比分析

對巷道開挖后的拱頂、邊墻、拱肩和底腳進行位移監測，得到巷道開挖后無支護和噴射混凝土支護后的位移變化(見圖9)。由圖9可知：巷道開挖后，無支護時,拱頂、邊墻、拱肩最大位移量分別為4.92 mm、6.46 mm、4.01 mm；噴射混凝土支護后，拱頂、邊墻、拱肩最大位移量分別減小為4.30 mm、6.02 mm、3.47 mm；可見噴射混凝土支護可以抑制圍巖變形，拱頂、邊墻及拱肩位移量分別減少了0.62 mm、0.44 mm、0.54 mm，為巷道進行二次加強支護贏得時間。巷道無支護，時間步為7.0×103步時，其變形量基本達到穩定，后期變化不大；在6.0×103～7.0×103步時圍巖發生劇烈變形，拱頂、邊墻、拱肩位移變化量分別為1.15 mm、1.14 mm及1.02 mm，巷道支護應該在此段時間內進行；5.9×103～6.0×103步時圍巖位移不變。

圖9 巷道開挖圍巖位移變化曲線

4 討論與建議

4.1 討 論

根據GB 50086—2015 《巖土錨固與噴射混凝土支護工程技術規范》[12]，噴射混凝土設計強度等級不應低于C20。金山店鐵礦噴射混凝土設計強度為C20，按此要求其抗壓強度應為20 MPa，彈性模量理論值為23 GPa。 通過室內試驗可知，金山店鐵礦噴射混凝土抗壓及抗變形強度除第2組抗壓強度達到要求外，其余各組試塊指標均未達到設計值，與標準指標還有一定的差距。通過對現場施工工藝調查、分析，得到造成此結果的原因可能為：

1)噴射混凝土試塊切割后蜂窩麻面比較多，骨料集配不均勻，顆粒間黏結不夠牢固。

2)噴射混凝土強度沒有達到設計要求，可能與細骨料為機制砂、含泥較多有關，也可能與速凝劑添加量較多有關。

3)噴射混凝土拌和料在井下平均滯留時間長達1.5 h，超過20 min的要求，這是導致強度降低的重要原因。

4.2 建 議

1)進行機制砂與黃砂作為噴射混凝土細骨料的對比試驗研究。

2)進行噴射混凝土工藝流程考察，優化噴射混凝土的工藝。

5 結 論

以金山店鐵礦采準巷道為背景，研究噴射混凝土性能對巷道圍巖的支護效果。通過室內試驗測定其抗壓強度及抗變形強度參數，結合數值模擬軟件Flac3D分析噴射混凝土支護對巷道圍巖的支護效果，得出了以下結論：

1)通過室內噴射混凝土抗壓及抗變形強度試驗，得到噴射混凝土修正后的平均抗壓強度為17.05 MPa；彈性模量為7.90～14.55 GPa，平均值為12.28 GPa；泊松比為0.267～0.330，平均值為0.287。

2)通過數值模擬，得到噴射混凝土能較好地控制圍巖變形，在靠近掌子面的地方噴射混凝土變形較大，最大位移為4.48 mm，隨著與掌子面距離增加，位移逐漸減小。

3)分析了當前噴射混凝土存在的問題，并給出了相應的解決措施。