銅坑礦92號礦體巷道頂板錨桿支護參數優化研究*

王輝,陳慶發,張紹國,李進霖,歐恩國,王少平

(1.廣西大學 資源環境與材料學院, 廣西 南寧 530004;2.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西 河池市 547205;3.廣西大學 土木建筑工程學院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

地質情況復雜區域巷道支護失效,影響巷道的安全運行[1-4]。掌握回采巷道的失穩特征,根據實際情況提出切實合理的支護方案,可以保障礦井安全生產。

目前巷道支護理論與技術研究取得了較多進展。國內外學者提出了一系列巷道支護的重要理論,如剛性支護理論[5]與金屬剛性支架支護理論[6]、利用巷道圍巖自穩能力和采用先進的支護技術為特征的松動圈理論[7]、一般塊體理論、軟巖巷道支護理論、深井巷道支護理論等[8]。王會瓊等[9]采用3DEC離散元數值分析軟件對開挖后圍巖位移與應力分布規律及巷道穩定性進行了模擬分析?？得鞒萚10]借助FLAC3D數值模擬軟件對不同支護參數下巷道位移及塑性區變形情況進行分析,同時采用灰色關聯分析法,對支護參數進行優選。

本文以廣西銅坑礦92號礦體深部破碎軟巖巷道為研究對象,選取代表性試驗區巷道,基于現場調查、3DEC數值模擬等手段,研究確定最優錨桿支護參數,并對比優化前后效果,從而為類似條件下的巷道支護提供借鑒。

1 工程概況與試驗區選定

銅坑礦主產錫、鉛、鋅、銻和銦等礦產資源。礦區內廣泛出露中、上泥盆世地層及少量中、下石炭世地層;斷裂構造較發育,主要有NW向的大廠斷裂和NE向的黑水溝斷裂;圍巖蝕變主要類型為碳酸鹽化、矽卡巖化、大理巖化等;礦化類型主要為矽卡巖型鋅銅礦化、錫多金屬硫化物型礦化和含銀閃鋅礦至方鉛礦型礦化;礦體圍巖主要為泥灰巖、鈣質泥灰巖、硅質巖等;礦體為巖層分布或小角度穿層分布,與圍巖呈類層狀接觸產出。銅坑礦有上中下3個大型礦體,依次分別為細脈帶礦體、91號礦體和92號礦體。

采用崩落法回采92號礦體過程中,鑿巖巷道由于斷面尺寸過大,以及受到重復采動、爆破振動、結構面分布狀態、地下水等不良因素的影響,已出現冒頂、片幫及整體垮塌等不良災害現象,甚至部分不穩定區域在已經采取掛網及錨桿等加固措施情況下仍發生掛網破裂、錨桿失效、較大規模冒頂等現象。裂隙巖體鑿巖巷道冒頂、片幫及整體垮塌等災害現象的發生與防治影響了礦山安全生產,威脅著井下作業人員的生命健康。

選擇92號礦體405水平2#探礦巷為試驗區,如圖1所示。巷道走向為160°,斷面形狀為三心拱,巷道寬為3.5 m,高為4 m。試驗區使用錨桿加固,但錨桿打入巖體的方向大多平行于結構面方向,該加固方法不但起不到加固巖體的作用,反而會加速結構面的開裂。

圖1 試驗區位置

2 結構面調查結果

采用精測網法調查結構面,測網布置在巷道邊幫,測網長13.4 m,寬3.5 m。調查共測得223條結構面,二維密度為5.55條/m2,并分為3組優勢結構面,調查統計結果見表1。

表1 試驗區優勢結構面組統計

3 試驗區錨桿支護參數優化

由于傳統的設計方法更多地是參照工程經驗,所確定的支護方案并不一定能夠達到最優的支護效果,甚至還無法滿足工程穩定性要求。因此,利用3DEC數值模擬軟件對錨桿支護參數設計進行優化研究,為保證巷道穩定運行提供合理的支護依據。

3.1 數值模型構建

試驗區巷道長13.4 m、寬3.5 m、高4 m,構建尺寸長×寬×高為13.4 m×20 m×16 m的三維幾何模型。將得到的離散節理網絡DFN導入到3DEC中,并合并相鄰夾角小于5°的節理,利用FISH函數剔除跡長小于2 m的節理。劃分網格后,模型共包含64 178個單元和37 188個網格節點,如圖2所示。

圖2 數值計算模型

巷道圍巖主要為硅質巖,圍巖力學參數見表2,節理力學參數見表3。在模型側面和底面施加速度為0的約束邊界,模型頂面埋深為388 m,故在模型頂面施加自重應力10.848 MPa。

表2 圍巖力學參數

表3 節理力學參數

3.2 錨桿支護參數優化方案

巷道支護采用管縫式錨桿,直徑為38 mm,材料密度為7900 kg/m3,彈性模量為100 GPa,拉伸屈服強度為0.5 MPa。管縫式錨桿支護強度影響因素主要為錨桿網度、長度。錨桿網度選取3個水平,分別為0.6 m×0.6 m、1 m×1 m、1.4 m×1.4 m。參照錨桿整體系統支護時參數計算方法[11],錨桿長度計算結果為2.13 m。以此數值為基礎,將錨桿長度設計成8個水平,分別為1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m。

3.3 計算結果及分析

在巷道頂底板布置豎向位移監測點,記錄不同錨桿支護參數下的巷道頂板下沉量和底板隆起量,繪制出不同方案下的支護效果,如圖3所示。

由圖3可知,1 m×1 m網度與1.4 m×1.4 m網度的支護效果相差不大,而0.6 m×0.6 m網度支護效果明顯比前兩者要好,故選取0.6 m×0.6 m網度為最優。在0.6 m×0.6 m網度下,隨著錨桿長度增加,頂底板位移總量基本上隨之減小,但在錨桿長度為2.2 m時,相比于錨桿長度2 m的頂底板位移總量出現了略微增大,故選取2 m錨桿長度為最優。綜上所述,最優錨桿支護參數網度為0.6 m×0.6 m、錨桿長度為2.0 m。

圖3 各方案下的支護效果

3.4 試驗區支護優化前后效果對比

現場勘察發現,試驗區巷道頂板雖已進行錨桿支護,但部分位置出現有錨桿冒出或錨桿順著層理方向支護,使得錨桿并未起到支護作用。當某根錨桿冒出無法承受頂板重量時,將增大其他錨桿的受力,造成周圍多根錨桿相繼失效,產生連鎖反應,引起頂板整體冒落;并且錨桿順著層理面布置,不但起不到支護作用,反而會加速頂板的失穩。為了保證巷道的安全穩定,進一步對錨桿支護參數進行優化。

試驗區原支護方案中錨桿長度為1.8 m,根據試驗區頂板的錨桿布設情況,確定每根錨桿的坐標以及打入巖層的大致方向。其中,有部分錨桿沒有垂直于巖層支護,而是順著層理縫支護,且有部分錨桿冒出,據此在試驗區巷道頂板模型中設置錨桿,進行原支護方案的支護效果模擬計算。

試驗區巷道在無支護方案、原支護方案以及優化方案下的豎向位移云圖見圖4。

由圖4可知,無支護方案、原支護方案、優化方案的巷道頂底板位移總量分別為128.751 mm、121.902 mm、111.501 mm。相比于無支護方案與原支護方案,優化方案的巷道頂底板位移總量分別減少17.25 mm、10.401 mm,分別減少約13.4%、8.53%,優化方案能較大程度降低頂板下沉量。原支護方案相比于無支護方案,其位移總量減少6.849 mm,減少約5.32%,說明原支護方案對加強巷道圍巖的穩定性有一定作用,但其支護效果相對較差。

圖4 支護優化前后巷道豎向位移云圖對比

采用巷道頂底板相對收斂率Kg小于3%作為評價巷道穩定性的標準[12],Kg為頂底板位移總量與巷道高度(4 m)的比值。無支護方案、原支護方案的巷道頂底板相對收斂率分別為3.219%、3.048%,大于3%為不穩定狀態;支護參數優化方案的巷道頂底板相對收斂率為2.788%,小于3%為穩定狀態,說明采用優化方案可以保證頂板的穩定。

4 結論

(1)在銅坑礦92號礦體劃定試驗區,以試驗區巷道圍巖結構面調查數據為基礎,利用3DEC數值模擬軟件確定出優化后的錨桿支護網度為0.6 m×0.6 m,錨桿長度為2 m。

(2)無支護方案、原支護方案、優化方案的巷道頂底板位移總量分別為128.751 mm、121.902 mm、111.501 mm,相比于前兩者,優化方案位移總量分別減少約13.4%、8.53%,較大程度地降低了頂板下沉量。原支護方案相比于無支護方案,其位移總量減少6.849 mm,減少約5.32%,說明原支護方案對加強巷道圍巖的穩定性有一定作用,但其支護效果較差。

(3)三種方案中,只有優化方案的巷道頂底板相對收斂率小于3%,達到穩定狀態,因此,應采用優化方案對巷道進行支護。