小東溝金礦巷道全斷面錨網支護參數優化研究與應用

摘要：巷道支護方式和支護參數的合理選擇關系到巷道穩定性和支護成本。針對小東溝金礦巷道支護過程中存在的爆破后金屬網損傷面積大、錨桿支護參數不合理等問題，對支護金屬網進行了重新選型，設計了不同錨桿支護參數，通過數值模擬分析了不同支護參數下巷道圍巖位移場、應力場和塑性區分布。結果表明：頂板位移及圍巖塑性區隨錨桿間排距增大而增大。錨桿間距由0.9 m增加至1.5 m，頂板最大位移分別依次增大了37.23 %和36.32 %。隨著錨桿排距增大，頂板最大位移分別依次增大了26.44 %和27.07 %。結合支護成本和現場實際條件確定最優錨桿間排距為1.2 m×1.2 m。工業試驗效果較好，支護成本降低12 %，支護效率較之前提高20 %。

關鍵詞：巷道掘進；分級支護；全斷面支護；支護參數；錨網支護；數值模擬；Flac3D軟件

中圖分類號：TD853.3""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0043-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241208

引 言

在巷道掘進過程中，合理的支護形式和支護參數是確保巷道穩定的關鍵［1-5］，而過度支護則會導致支護成本過高［6-9］。因此，大量學者對此進行了深入研究，取得了較好的研究成果。姚京京［10］通過數值模擬軟件分析了不同支護參數下巷道的穩定性，定量表征了錨桿間距、排距及長度與圍巖位移量之間的關系。李桐等［11］以錦豐金礦巷道支護為工程背景，提出了中空注漿錨桿+金屬網支護方式，探究了錨桿直徑、長度及間排距對巷道位移場、應力場的影響，確定了最優支護參數，應用效果良好。王輝等［12］針對銅坑礦破碎圍巖支護過程中存在的問題，構建了含節理數值模型，通過數值模擬確定了最優錨桿長度和錨桿間排距。耿帥等［13］基于冒落拱理論提出了破碎圍巖錨網噴聯合支護方式，數值模擬和現場檢測結果表明，頂底板變形量較小，支護效果較好。王立杰等［14］通過松動圈測試對巖體穩定性進行分級，并設計了相應支護參數，結合數值模擬分析了不同參數下巷道的穩定性，確定了不同穩定性巖體最優支護方式，實現了巖體分級支護。

本次研究針對西和縣中寶礦業有限公司小東溝金礦（下稱“小東溝金礦”）巷道支護過程中存在的實際問題，對現有錨網支護結構進行優化，將焊接鋼筋網改為柔性鍍鋅六角勾花網支護，在現有錨桿支護參數的基礎上提出了2種優化方案，通過數值模擬分析了現有支護參數和2種優化方案下巷道的穩定性，確定了最優參數，為該礦山安全高效生產奠定了基礎。

1 工程背景

小東溝金礦位于甘肅省西和縣，礦體傾角以緩傾斜為主，厚度變化較大，采礦方法以上向水平進路采礦法為主。礦體圍巖巖性主要為千枚巖和灰巖。礦體下盤存在一條斷層破碎帶。前期巖體穩定性分析結果表明，小東溝金礦巖體以Ⅱ～Ⅳ級為主，大部分巖體為Ⅲ級巖體。受下盤斷層破碎帶影響，礦體開拓及采準工程主要布置在礦體上盤。巷道形狀為三心拱型，尺寸為3.5 m×3.2 m（寬×高）。小東溝金礦所有巷道均進行全斷面支護，即巷道底板1 m以上區域均支護。對于Ⅱ～Ⅲ級圍巖，巷道全斷面支護方式為錨桿+金屬網支護。

2 金屬網優化

目前，小東溝金礦巷道采用由直徑6.5 mm的 HPB300鋼筋制成的四邊回折焊接型、雙向隔波彎曲金屬網進行支護。金屬網規格為2 000 mm×1 000 mm，2 000 mm×1 500 mm，網孔規格為100 mm×100 mm。該種金屬網為剛性金屬網，受爆破影響，金屬網撕裂嚴重，損傷面積大（見圖1）。圍巖易從金屬網撕裂處落入巷道，威脅巷道內人員與設備安全。另外，焊接金屬網可變形性較低，安裝過程中效率較差，支護后，金屬網與巷道壁接觸較差。

為解決上述問題，采用柔性鍍鋅六角勾花網替換焊接金屬網。柔性鍍鋅六角勾花網網孔規格為100 mm×100 mm，直徑為4 mm。一方面，柔性鍍鋅六角勾花網比焊接金屬網具有更強的變形能力，在爆破掘進過程中，柔性鍍鋅六角勾花網比焊接金屬網具有更強的抗沖擊能力；另一方面，柔性鍍鋅六角勾花網比焊接金屬網質量更輕，成本更低，能夠縮短掛網時間，提高支護效率，降低支護成本；同時，表面鍍鋅能夠避免巷道潮濕環境下金屬網的腐蝕。

3 錨桿參數優化及應用

3.1 錨桿支護參數設計

小東溝金礦巷道采用樹脂錨桿進行支護，目前，在圍巖穩定性為Ⅱ～Ⅲ級時，錨桿支護參數為0.9 m×0.9 m（間距×排距）。錨桿布置過于密集。通過查閱相關文獻并結合現場實際情況，提出錨桿支護參數1.2 m×1.2 m和1.5 m×1.5 m 2種方案。通過數值模擬對3種支護參數下（錨桿間排距0.9 m×0.9 m、1.2 m×1.2 m、1.5 m×1.5 m）巷道穩定性進行分析，確定最優支護參數。

3.2 數值模擬建立與參數確定

建立了不同支護參數下的數值計算模型。錨桿間排距為0.9 m×0.9 m的巷道掘進前后數值計算模型見圖2。所有模型寬度和高度均為17 m，長度為25 m。模擬過程中約束模型側面和底面。本構模型選用莫爾-庫侖模型。計算過程中巖石力學參數通過查閱相關文獻獲取。地應力參數參考甘肅地區金屬礦山地應力測試結果。

3.3 位移場分析

不同錨桿支護參數下垂直方向位移云圖見圖3、圖4。由圖3可知：巷道頂板最大位移隨錨桿間距增大而增大。錨桿間距為0.9 m時，巷道頂板最大位移為6.58 mm；錨桿間距為1.2 m時，巷道頂板最大位移為9.03 mm；錨桿間距為1.5 m時，巷道頂板最大位移為12.31 mm。錨桿間距由0.9 m增加至1.5 m，頂板最大位移分別依次增大了37.23 %和36.32 %。此外，巷道頂板最大位移出現在2根錨桿之間區域，隨著錨桿間距增大，頂板最大位移區域面積增加。由圖4可知：錨桿排距為0.9 m、1.2 m、1.5 m時，側視圖中巷道頂板最大位移分別為9.00 mm、11.38 mm、14.46 mm。隨著錨桿排距增大，頂板最大位移分別依次增大了26.44 %和27.07 %。當錨桿排距增大時，兩排錨桿間巷道頂板變形區域隨之增大。

3.4 應力場分析

不同錨桿支護參數下巷道圍巖最大主應力分布云圖見圖5。由圖5可知：應力最大值出現在巷道頂板以上和底板以下區域，最大值約為8 MPa。不同錨桿支護參數下，應力最大值和分布形式不同。當錨桿間排距為0.9 m×0.9 m時，巷道頂部圍巖最大應力值為8.44 MPa，最大應力在錨桿支護區域呈拱形分布，巷道底板下應力較小。

當錨桿間排距為1.2 m×1.2 m和1.5 m×1.5 m時，巷道頂部圍巖最大應力值相近，分別為7.88 MPa和7.83 MPa，最大應力呈拱形分布在頂板3跟錨桿之間。與錨桿間排距0.9 m×0.9 m相比，錨桿支護間排距增大，頂部最大應力拱形面積減小，底部最大應力分布區域面積增加。

3.5 塑性區分析

不同錨桿支護參數下圍巖塑性區分布見圖6。由圖6可知：巷道掘進后，塑性區在巷道頂板及兩幫均勻分布，由于底部未進行支護，底部塑性區面積較大。此外，錨桿端部存在少量塑性區。隨著錨桿支護間排距增大，巷道圍巖塑性區面積增加，逐漸與錨桿端部塑性區連通。

3.6 工程應用與支護成本分析

基于以上分析結果、支護成本及現場實際條件，最終確定小東溝金礦巷道支護方式為樹脂錨桿+柔性鍍鋅六角勾花網支護。錨桿間排距1.2 m×1.2 m。支護參數優化后的支護設計見圖7。與焊接金屬網相比，柔性鍍鋅六角勾花網能夠緊密貼合巷道壁，爆破后金屬網損傷率降低。支護參數與金屬網材料優化后支護成本降低12 %，支護效率較之前提高20 %。

4 結 論

針對小東溝金礦巷道支護存在的實際問題，對現有焊接金屬網進行了優化，通過數值模擬分析不同錨桿支護參數下巷道圍巖位移場、應力場和塑性區變化，確定了最終參數。主要結論如下：

1）巷道頂板最大位移隨錨桿間距和排距增大而增大，頂板最大位移出現在2根錨桿之間。錨桿間距由0.9 m增加至1.5 m，頂板最大位移分別依次增大了37.23 %和36.32 %。隨著錨桿排距增大，頂板最大位移分別依次增大了26.44 %和27.07 %。

2）巷道頂板上部最大應力呈拱形分布，隨著錨桿支護間排距增大，最大主應力拱形分布面積減小。隨著錨桿間排距增大，巷道頂板及兩幫塑性區面積增大。

3）確定錨桿間排距為1.2 m×1.2 m，采用樹脂錨桿+柔性鍍鋅六角勾花網支護效果較好，爆破后金屬網損傷率降低。支護參數與金屬網材料優化后，支護成本降低12 %，支護效率較之前提高20 %。

［參 考 文 獻］

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Research and application of full-section bolt mesh support

parameter optimization for Xiaodonggou Gold Mine roadways

Abstract：The appropriate selection of roadway support methods and parameters is critical to ensuring stability and managing support costs.In Xiaodonggou Gold Mine，problems such as significant damage to metal meshes after blasting and improper bolt support parameters were identified in the support process of roadways.To address these issues，new metal meshes were selected，and various bolt support parameters were designed.Numerical simulations were conducted to analyze the displacement field，stress field，and plastic zone distribution of the surrounding rock under different support parameters.The results indicate that roof displacement and the plastic zone in the surrounding rock increase with greater bolt spacing.When the bolt spacing increased from 0.9 m to 1.5 m，the maximum roof displacement rose by 37.23 % and 36.32 %，respectively.With increased row spacing，the maximum roof displacement rose by 26.44 % and 27.07 %.Based on support costs and site conditions，the optimal bolt spacing was determined to be 1.2 m×1.2 m.Field trials demonstrated good performance，reducing support costs by 12 % and improving support efficiency by 20 %.

Keywords：roadway excavation;graded support;full-section support;support parameters;bolt mesh support;numerical simulation;Flac3D software