基于正交試驗的尖山地下礦巷道支護參數研究

馬濤，朱志崗，董秋平，陳樹林，薛麗娟，楊八九，孫發院

(1.攀鋼集團礦業有限公司， 四川 攀枝花市 617000； 2.云南亞融礦業科技有限公司， 云南 昆明 650093)

0 引言

巷道是地下采礦作業的重要工程，是人員、設備、物資進出采場的重要通道。其穩定性對人員設備安全和采礦作業有序推進具有重要意義。位于不穩定巖層或者長期供人員設備和物資出入的巷道，常須在正式投入使用之前進行支護。對于地下金屬礦而言，目前常用的支護方式有錨桿支護、錨索支護、噴射混凝土支護、鋼拱架支護、錨注支護以及錨網噴支護等[1]。

錨桿支護是主要的巷道支護方式之一[2]。錨桿支護參數的設計和優化有多種方式，如理論計算分析[3-5]、基于松動圈測試的巷道支護參數優化[6-7]、基于巷道圍巖RQD分級的支護參數選取[8]、數值模 擬[9-13]、基于巷道變形規律確定支護參數[14-15]、基于巷道塑性區變化規律確支護參數[16-17]、基于巷道斷面收縮率確定支護參數[18-19]等。通常使用以上方法中的幾種對巷道支護效果進行綜合分析，進而選取更合理的參數。

課題組運針對尖山地下礦巖性較好區域、礦巖接觸帶破碎區域以及巷道交叉口3種情形，設計巷道支護方案正交試驗，運用數值模擬的方法研究錨桿/錨索支護參數對巷道支護效果的影響，并確定出合理的錨桿/錨索長度、間距、排距。

1 礦山工程地質條件

尖山地下礦隸屬于攀鋼集團，位于攀枝花市區北側。目前已從露天采礦轉為地下無底柱崩落法采礦。主礦體近東西走向，傾向北，傾角為53°，主要分為V#、VI#、VII#和VIII#礦體。礦體上盤為流層狀輝長巖，下盤為細粒輝長巖。VII#礦體未達工業品位，是為流層狀輝長巖夾層。距離礦體較遠的上下盤圍巖相對完整，礦巖接觸帶和礦體較破碎。巷道埋深400 m左右，采用噴錨網支護方式，噴射混凝土厚度為10 cm。

2 數值模擬試驗方案

運用FLAC3D數值模擬軟件，通過正交試驗分析當巷道穿過上下盤巖性相對完整的輝長巖和礦巖接觸破碎帶兩種圍巖條件以及巷道交叉口處，錨桿長度、間距、排距對巷道穩定性的影響及合理的支護參數。

項目前期開展的巷道圍巖松動圈測試結果表明：上下盤巖性相對完整的輝長巖區域松動圈厚度為1.8 m，礦巖接觸破碎帶松動圈厚度為2.2 m。錨桿支護長度應超過圍巖松動圈的厚度才能取得較好的支護效果，因此根據圍巖松動圈測試結果進行支護方案正交試驗設計，見表1和表2。

用于數值模擬試驗的巷道為三心拱，凈斷面尺寸為：拱頂部分半徑為3.113 m，拱肩部分半徑為1.174 m，拱高1.5 m，側幫高2.3 m，巷道寬4.5 m。

為滿足計算需要和保證計算精度，本次計算采用的模型尺寸為開挖區域的5倍左右。模型X方向長70 m，Y方向長40 m，Z方向長70 m。

計算域邊界采取位移約束。由于采動影響范圍有限，在離巷道較遠處巖體位移值將很小，可將計 算模型邊界處位移視為零。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節點采用X、Y、Z三個方向約束，模型X方向的兩端采用X方向約束，模型Y方向的兩端采用Y方向約束。模型頂部施加11 MPa的應力，模擬上覆巖體重量。

表1 不同錨桿參數支護整體位移量

表2 礦巖接觸破碎帶大斷面巷道錨桿支護正交

圍巖力學參數根據課題組前期進行的現場調查及力學性能試驗結果進行選取，錨桿力學參數見表3。

表3 錨桿力學參數

3 計算結果分析

兩種圍巖條件下巷道的開挖支護模擬，方案為：掘進循環進尺為2 m，每掘進完一循環進尺后，進行該部分的支護，然后再進行下循環的掘進，總的掘進長度為20 m。

3.1 不支護條件下輝長巖大斷面巷道變形破壞 特征

開挖后，巷道頂板位移量較巷道兩幫位移量大，最大位移量為7.3 cm，如圖1和圖2所示。

巷道圍巖及迎頭布滿了塑性區，巷道很有可能會發生破壞，如圖3所示。

巷道頂底板圍巖產生應力釋放，巷道兩幫圍巖出現應力集中現象，最大應力值為16.5 MPa，如圖4所示。

圖1 巷道圍巖徑向位移云圖

圖2 巷道圍巖軸向位移云圖

圖3 不支護時圍巖塑性區

圖4 不支護條件下巷道圍巖應力云圖

綜合圍巖塑性區分布及圍巖應力應變情況，巷道開挖后若不進行支護，巷道很可能會發生頂板垮塌及片幫破壞。

3.2 噴錨支護條件下輝長巖巷道變形破壞特征

巷道開挖后采用噴錨支護，噴射混凝土厚度為10 cm，用FLAC3D數值模擬軟件對不同錨桿支護方案進行對比分析。

3.2.1 巷道圍巖整體位移分析

過模型中心截取巷道圍巖位移云圖，如圖5所示。

圖5 不同支護方案的巷道圍巖位移云圖

由圖5可以看出，進行噴錨支護后，巷道位移量比不支護時明顯減小，最大位移量為2.91 cm，說明噴錨支護的效果較好，巷道穩定性得到明顯改善。從表1極差分析數據得到，不同錨桿支護方案中，影響巷道圍巖整體位移的主次順序為：錨桿間距＞錨桿排距＞錨桿長度。隨著錨桿長度的增加整體位移逐漸減小，隨著錨桿間距、排距的增大，整體位移逐漸增大。錨桿長度、間距和排距對整體位移的影響如圖6所示。

圖6 錨桿長度、間距和排距對整體位移的影響

3.2.2 塑性區分析

由圖7可以看出，進行噴錨支護后，巷道圍巖塑性區體積較不支護時明顯減小，不支護時塑性破壞區域布滿整個巷道圍巖，支護后只是零星地散布于巷道圍巖中，說明噴錨支護的效果較好，巷道穩 定性得到明顯改善。不同錨桿參數支護后巷道圍巖塑性區體積統計結果見表4。從表4極差分析得到，不同錨桿支護方案中，影響巷道圍巖塑性區體積的 主次順序為：錨桿長度＞錨桿排距＞錨桿間距。隨著錨桿長度的增加，數值模型的塑性區體積逐漸減小；隨著錨桿間距、排距的增大，塑性區體積逐漸增大。錨桿長度和間距、排距對塑性區的影響如圖8所示。

圖7 不同支護方案的巷道圍巾巖塑性區分布

表4 不同錨桿支護方案的圍巖塑性區體積

圖8 錨桿長度、間距和排距對塑性區體積的影響曲線

3.2.3 錨桿應變分析

數值模擬中的錨桿參數一致，其應變值對分析巷道支護效果具有一定的參考價值。待不同方案計算結束之后，將錨桿應變圖由FLAC3D中導出，錨桿應變數據見表5，錨桿應變云圖如圖9所示。

從表5極差分析數據得到，不同錨桿支護參數 中，對錨桿受力變形影響最大的為錨桿長度。錨桿長度、間距和排距對錨桿應變的效應如圖10所示。

圖9 不同支護方案的錨桿應變云圖

表5 不同錨桿參數支護的錨桿應變值

綜合分析整體位移量以及塑性區體積可以看出：錨桿長度從1.8 m增大到2.1 m時，塑性區體積減小幅度較大，隨后當錨桿長度增大到2.4 m后，曲線趨于平穩，說明錨桿長度增大到2.1 m時效果較好，繼續增大錨桿長度塑性區減小不明顯；錨桿間距從0.6 m增大到0.9 m時，塑性區體積增大幅度不大，隨后增大到1.2 m時，增長曲線變陡，說明當錨桿間距大于0.9 m時，巷道圍巖塑性區明顯增多；錨桿排距從0.8 m增大到1.6 m時，塑性區體積近似線性增長，說明錨桿排距不宜過大，不然支護效果將會受到明顯影響。

綜上所述，尖山地采大斷面巷道通過上下盤相對穩定性的輝長巖時，推薦的錨桿參數為：錨桿長 度2.1 m，間距0.9 m，排距1.2 m。

圖10 錨桿長度、間距和排距對錨桿應變的效應曲線

3.3 礦巖過渡破碎帶大斷面巷道

針對位于礦巖過渡破碎帶的巷道支護參數，設計如表2的正交試驗，并進行數值模擬計算。

計算結果如下：不支護時最大位移量為13.7 cm，采用推薦方案支護后最大位移量減小為4.06 cm，如圖11和圖12所示。

圖11 不支護巷道圍巖位移云圖

圖12 支護后巷道圍巖位移云圖

不支護時，巷道兩幫出現較大的應力集中現象，應力集中最大值為17.2 MPa，支護后應力集中區域明顯減小，并且應力集中最大值減小至15.2 MPa，如圖13和圖14所示。

圖13 破碎帶不支護條件下圍巖應力云圖

不支護時，巷道圍巖及迎頭布滿了塑性區，巷道很可能會發生破壞，支護后塑性區明顯減少，如圖15和16所示。

綜上所述，當巷道穿過礦巖過渡破碎帶時，采用推薦的錨桿參數進行支護，巷道穩定性能夠得到較好的改善。推薦的錨桿參數為：錨桿長度2.4 m，間距0.9 m，排距1 m。

圖14 破碎帶支護條件下圍巖應力云圖

圖15 不支護條件下巷道圍巖的塑性區分布

圖16 支護條件下巷道圍巖的塑性區分布

3.4 巷道交叉口處

尖山采場巷道交叉口處經常發生大面積垮塌。課題組利用FLAC3D數值模擬軟件，針對巷道交叉口位于礦巖過渡破碎帶采用噴射混凝土錨桿+錨索支護進行研究，其中噴射混凝土厚度為10 cm，錨桿長度為2.4 m，間距0.9 m，排距1 m。

模型X方向長度為200 m，Y方向長度為150 m，Z方向長度為100 m。約束條件和地應力環境與前述相同。

3.4.1 無支護時巷道交叉口穩定性分析

巷道開挖后，巷道圍巖有一定的移動變形，位移量最大的區域發生在兩條巷道交叉口頂板及邊壁位置，最大位移量為17.7 cm，如圖17所示。

圖17 不支護巷道交叉口的整體位移

若巷道開挖后不采取支護措施，巷道圍巖出現了大范圍的塑性區，說明巷道處于不穩定狀態，可能發生垮塌破壞，如圖18所示。

圖18 不支護巷道交叉口的塑性區

3.4.2 支護后巷道交叉口穩定性分析

巷道開挖后采用噴錨支護。對巷道進行數值模擬研究，計算結果顯示，與不采用支護手段相比，支護后圍巖移動量明顯減小。打錨索加固后，圍巖位移量明顯比不打錨索方案小。隨著錨索長度由6 m到8 m、再增加到10 m，圍巖位移量逐漸減小，其中位移量最小的為打10 m錨索加固的方案，為5.72 cm，比不支護時減小了3倍左右。

受力最大的錨桿錨索均位于巷道交叉口，交叉口處錨桿所承受的載荷是其它部位的1.2～1.5倍。不打錨索時，錨桿受力最大值為99.71 kN，打錨索支護后，錨桿受力轉移到錨索上。隨著錨索長度的增加，錨索受力逐漸增大，而錨桿的受力有所減小，最大值為171.98 kN，說明錨索長度越長，其受力形式越好，發揮的支承作用越明顯，并且打錨索能夠較好地控制頂板地壓，減小錨桿受力，使整體支護達到良好的效果。

支護后，巷道圍巖塑性區比不支護時明顯減少，并且主要位于巷道開口處。打錨索支護后，開口處的塑性區較不打錨索時明顯減少。這是由于巷道交叉口處的潛在冒落區高度較大，普通的錨桿（長度在2.4 m以下）不能達到冒落區以外。為防止頂板上位巖層的大面積冒落，需要在交叉口處布置錨索，穿過潛在冒落區伸入到頂板深部穩定的巖層中。因此，在巷道開口處打長錨索進行加固支護有利于巷道圍巖的穩定。

3.4.3 錨索間距模擬分析

通過上述計算分析可以看出，錨索長度越長，受力形式越好，綜合考慮圍巖位移及錨桿受力情況，選取錨索長度為8 m，對錨索間距為2 m、2.5 m、3 m的方案進行計算分析。

當錨索間距為2.5 m、3 m時的圍巖位移量較大，與不打錨索支護時的位移量差不多，因此，當錨索間距大于2 m，錨索支護效果不明顯。

4 結論

基于正交試驗設計，運用FLAC3D數值模擬，考慮巖性較好區域和礦巖接觸帶破碎區域兩種不同圍巖條件，研究尖山地采大斷面巷道及裝礦點巷道交叉口處錨桿/錨索支護參數對巷道穩定性的影響，研究表明：

（1）巷道開挖后若不進行支護，巷道很有可能會發生頂板垮塌及片幫破壞；

（2）隨著錨桿長度的增加，塑性區體積逐漸減小，隨著錨桿間距、排距的增大，塑性區體積逐漸增大。

（3）隨著錨索長度的增加，錨索受力逐漸增大，其受力形式越好，圍巖位移量越小，有利于實現整體支護的良好效果；

（4）上下盤圍巖中相對穩定的巷道宜采用噴錨網支護，錨桿長度為2.1 m、間距為0.9 m、排距為1.2 m；礦巖過渡帶和礦體中的巷道宜采用噴錨網支護，錨桿長度為2.4 m、間距為0.9 m、排距為1 m；巷道交叉口位置宜采用噴錨網+錨索支護，錨索長度為8 m、間排距為2 m。