凌源日兴矿业公司开拓巷道锚喷支护参数数值模拟优化

摘要：锚喷支护技术是矿山工程控制围岩稳定的主要技术之一，而数值模拟技术的应用使得锚喷支护设计可以更客观地考虑巷道围岩与锚喷支护体之间的相互作用，在多支护方案比较时选出最优方案，具有较高的科学性和合理性。结合凌源日兴矿业公司深部-150 m开拓巷道工程实际，设计采用锚喷支护方式对局部破碎地段进行强化支护，并提出了3种支护参数优化方案，通过Flac3D软件对巷道开挖、支护过程进行模拟计算，获得了不同支护参数优化方案的巷道围岩应力、位移及支护体的力学特征，为巷道支护方案优化提供理论依据和技术指导。

关键词：开拓巷道;锚喷支护;数值模拟;围岩变形;支护体力学特征

中图分类号：TD353          文章编号：1001-1277（2021）06-0035-06

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20210607

引 言

锚喷支护技术是矿山工程控制围岩稳定的主要手段之一，其本质是将锚喷支护体和围岩黏结在一起，形成一个统一整体，二者之间互相依存，彼此制约，共同变形，联合受力[1]。传统的支护设计方法主要为工程类比、理论计算法，而数值模拟技术的应用使得锚喷支护设计可以更客观地考虑巷道围岩与锚喷支护体之间的相互作用，尤其在多参数方案优化时技术优势更为明显，便于设计者快速直观选出最优方案，具有较高的科学性和合理性[2-3]。

本次研究针对凌源日兴矿业有限公司（下称“凌源日兴矿业公司”）在-150 m开拓工程中遇到围岩破碎、节理发育等恶劣工程条件的问题，设计采用锚喷支护方式对局部区段巷道岩体进行强化支护处理，综合工程地质条件特征并结合以往工程经验研究提出了3种支护参数优化方案;采用Flac3D软件建立不同参数条件下的三维数值分析模型，分别对同一地质条件下的巷道开挖、支护过程进行仿真模拟计算，获得了不同支护强度下巷道围岩应力、位移及支护体受力的力学特征与演变规律，为巷道支护方案优化提供理论依据和技术指导。

1 工程背景

凌源日兴矿业公司（原柏杖子金矿）为地下开采矿山，目前共有14个生产中段，最低开采标高为-110 m 中段，-150 m中段处于开拓阶段。矿山采用竖井开拓方式，新掘混合井主要承担矿石提升任务，同时兼人员、材料提升，原竖井主要负责提升废石、人员、材料及少量矿石。采矿方法因矿体开采技术条件差异而不同，主要为有底柱分段崩落采矿法、无底柱分段崩落采矿法、干式充填采矿法、浅孔留矿采矿法、削壁充填采矿法等。

-150 m中段巷道围岩主要为石英砂岩、花岗岩及细粒闪长岩，花岗岩和细粒闪长岩为中等坚硬岩石，石英砂岩属相当坚硬岩石，围岩整体稳固性较好，但局部存在不稳定岩层及破碎带，导致局部地段施工难度较大。由岩石质量数据分析判断，高于庄组泥质白云岩、粉砂质页岩及其互层带和F2断裂双重因素，导致岩石破碎，暴露脱水后由于地下水静水压力作用，致使局部巷道冒落、片帮。

基于上述情况，矿山采用锚喷网联合支护对局部巷道进行强化支护（见图1），锚杆选用管缝式锚杆，杆体为40 mm有缝钢管，锚杆长度1.6～1.8 m，初始锚固力3～7 kN/根;金属网选用12#镀锌铁丝编织，网孔为菱形，规格为46 mm×56 mm，网片尺寸1.2 m×1.5 m，网片之间搭接宽度不小于0.1 m;喷射C20混凝土，使用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，细集料为中粗砂，细度模数2.6，表观密度为2 642 kg/m3，粗集料为碎石，粒径5～15 mm，连续级配，表观密度为2 715 kg/m3。

根据矿山以往设计经验，-150 m中段巷道初步支护方案为管縫式锚杆+喷射混凝土支护，其中，锚杆长1.8 m，网度1.0 m×1.0 m，喷射混凝土厚80 mm。通过围岩松弛范围声波测定结果判定，该方案现场支护效果存在着支护强度过大的问题，因而有必要开展有针对性的支护参数优化工作。

2 巷道支护方案数值模拟计算

为尽可能节约巷道支护成本，同时保证巷道安全施工和断面完整性，进一步提高开拓巷道掘进和支护效率，提出3种-150 m中段巷道支护参数优化方案（见表1）。

2.1 本构模型与假设

矿山岩体属于脆性硬岩，当外荷载达到岩石强度后，岩石会发生断裂破坏，产生弱化现象，属于弹塑性体。在Flac3D软件中，一般对于弹塑性材料，判断其破坏与否的基本准则有Druckerprager准则和Mohr-Coulomb准则。根据大量的理论分析和试验结果，Mohr-Coulomb准则具有较强的适应性[4-5]，因此本次计算中采用该破坏准则。

为便于数值计算，提高效率，需要对巷道开挖过程进行适当简化，同时又确保数值模拟结果的有效性，特做如下假设[6-7]：

1）开挖岩体、围岩视为各向同性的弹塑性体。

2）开挖之前，数值计算模型处于初始应力平衡状态。

3）巷道开挖、支护均为一次完成，不考虑混凝土养护时间。

4）喷浆、锚杆支护同时进行，不考虑混凝土养护时间与强度变化。

5）岩体中各种结构弱面通过岩体力学参数折减予以综合考虑。

2.2 岩体力学计算参数

本次计算选取的岩体力学计算参数依据为凌源日兴矿业公司矿山岩石力学试验报告，同时综合考虑岩体节理裂隙、岩体结构、地下水和尺寸效应的影响，采用Hoek-Brown强度准则将岩块力学参数进行折减、修正后换算获得岩体力学计算参数[8]。-150 m中段巷道围岩主要为花岗岩，根据矿山工程地质调查结果折减后的岩体力学计算参数见表2。

由于Flac3D软件采用体积模量和剪切模量描述弹性模量和泊松比，因此，需要采用下面公式计算岩体的体积模量和剪切模量。（E，μ）与（K，G）的转换关系如下：

K=E3（1-2μ）

G=E2（1+μ）（1）

式中：K为体积模量（MPa）;G为剪切模量（MPa）;E为弹性模量（MPa）;μ为泊松比。

2.3 巷道支护计算参数

根据数值模拟计算工作的需要，对-150 m中段巷道锚喷支护设计如下：

1）喷射混凝土厚80～100 mm，28 d单轴抗压强度不得低于30 MPa，塑料纤维掺量0.9～1.0 kg/m3。

2）管缝式锚杆长1.8 m，选用16Mn或20MnSi材质，锚杆壁厚不小于3 mm，外径40 mm，缝隙宽13～18 mm。

3）巷道断面锚杆间距1.0 m，排距1.0 m，拉拔力不小于60 kN，初始锚固力不小于12 kN/m。

4）锚杆托盘尺寸不小于200 mm×200 mm，托盘厚度不小于5 mm，可用Q235钢材或同类材质钢材。

结合上述锚喷支护体结构及参数，确定本次Flac3D软件数值模拟计算的单元类型为：喷浆支护采用衬砌（liner）结构单元，管缝式锚杆采用桩（pile）结构单元[9]。通过查阅Flac3D软件指南，对上述支护参数进行分析拟合，计算获得的数值模拟喷浆结构单元参数见表3，管缝式锚杆结构单元参数见表4。

3 数值模拟计算结果及分析

为了能够直观反映不同支护参数条件下围岩内部、支护体结构的应力应变特征，需要选取有代表性的剖面位置进行岩体、支护体结构的力学特性数据分析，垂直于巷道轴线对模型进行剖切形成模型横断面剖面图，在此基础上对方案一、方案二、方案三进行巷道锚杆支护效果分析，其结果如下。

3.1 应力应变特征

1）方案一巷道围岩应力应变及支护分析。方案一巷道围岩最大主应力云图见图2-a），剪应力云图见图2-b）、f），位移云图见图2-c）、d），锚杆轴向受力图见图2-e）。

从图2可以看出：随着巷道岩体的开挖，岩体中初始应力平衡状态被打破，围岩中出现了应力集中现象，横断面上呈现由围岩表面向深部逐渐加剧的趋势，尤其巷道侧帮区域易出现拉应力现象，最大值为0.35 MPa，小于岩体抗拉强度1.65 MPa。横断面上巷道4个拐角区域出现了不同程度的剪应力集中现象，最大值达到11.93 MPa。巷道顶板、底板围岩中出现了较大的竖向位移，最大位置出现在巷道底板，表现为巷道底鼓，最大值达到7.0 cm，由于顶板进行了锚网支护，顶板沉降的最大位移仅为5.88 cm。水平位移方面，巷道侧帮围岩有向中央收敛的趋势，最大位置达到3.95 cm。从锚杆轴向受力图（见图2-e））可以看出，巷道两帮锚杆受力较大，其次为顶板中央锚杆，再次是拱肩锚杆，所有锚杆受力最大值达到4.863 kN，小于锚杆最小锚固力，因而锚杆并不会失效。而混凝土喷层的受力主要集中在拱肩部位，最大值达到1.04 MPa。

2）方案二巷道围岩应力应变及支护分析。方案二巷道围岩最大主应力云图见图3-a），剪应力云图见图3-b）、f），位移云图见图3-c）、d），锚杆轴向受力图见图3-e）。

从图3可以看出：随着巷道岩体的开挖，岩体中初始应力平衡状态被打破，围岩中出现了应力集中现象，横断面上呈现出由围岩表面向深部逐渐加剧的趋势，尤其巷道侧帮区域易出现拉应力现象，最大值为0.27 MPa，小于岩体抗拉强度1.65 MPa。横断面上巷道4个拐角区域出现了不同程度的剪应力集中现象，最大值达到12.04 MPa。巷道顶板、底板围岩中出现了较大的竖向位移，最大位置出现在巷道底板中，表现为巷道底鼓，最大值达到8.70 cm，由于顶板进行了锚网支护，顶板沉降的最大位移仅为6.17 cm。水平位移方面，巷道侧帮围岩有向中央收敛的趋势，最大位置达到5.10 cm。从锚杆轴向受力图（见图3-e））可以看出，巷道两帮锚杆受力较大，其次为顶板中央锚杆，再次是拱肩锚杆，所有锚杆受力最大值达到5.049 kN，小于锚杆最小锚固力，因而锚杆并不会失效。而混凝土喷层的受力主要集中在拱肩部位，最大值达到1.04 MPa。

3）方案三巷道围岩应力应变及支护分析。方案三巷道围岩最大主应力云图见图4-a），剪应力云图见图4-b）、f），位移云图见图4-c）、d），锚杆轴向受力图见图4-e）。

从图4可以看出：随着巷道岩体的开挖，岩体中初始应力平衡状态被打破，围岩中出现了应力集中现象，横断面上呈现出由围岩表面向深部逐渐加剧的趋势，最小主应力值为0.018 MPa，集中出现在巷道顶板、侧帮及底板表面，该区域易出现拉应力现象。横断面上巷道4个拐角区域出现了不同程度的剪应力集中现象，最大值达到12.12 MPa。巷道顶板、底板围岩中出现了较大的竖向位移，最大位置出现在巷道底板中，表现为巷道底鼓，最大值达到13.05 cm，由于顶板进行了锚网支护，顶板沉降的最大位移仅为7.71 cm。水平位移方面，巷道侧帮围岩有向中央收敛的趋势，最大位置达到10.41 cm。从锚杆轴向受力图（见图4-e））可以看出，巷道两帮锚杆受力较大，其次为顶板中央锚杆，再次是拱肩锚杆，所有锚杆受力最大值达到7.612 kN，小于锚杆最小锚固力，因而锚杆并不会失效。而混凝土喷层的受力主要集中在拱肩部位，最大值达到0.92 MPa。

3.2 方案比选

为了方便对比不同巷道支护方案的地压特征，以下提取数值模型围岩、支护结构体的应力、应变特征数据（见表5）进行统计分析。

根据数值模拟结果和应力应变特征的对比：方案三的岩石力学物理特性出现了明显裂化现象，方案二与方案一的岩石力学行为表现相对均衡，支护效果相差不大，但方案二支护成本和效果更优越，因而将方案二作为推荐方案的最佳方案，凌源日兴矿业公司可通过现场工业试验进行实际論证。

4 结 论

1）針对凌源日兴矿业公司巷道支护初步方案支护强度过大的问题，研究提出了3种巷道支护参数优化方案，根据Flac3D软件数值模拟计算要求完成岩石力学、锚杆支护参数的匹配取值。

2）通过Flac3D软件对同一地质条件下的巷道开挖、支护过程进行模拟计算，获得了不同支护强度下巷道围岩应力、位移及支护体受力的力学特征与演变规律。

3）数值模拟计算结果表明：方案二的岩石力学物理特性整体上相对较好，即锚杆长度1.7 m，锚杆网度1.0 m×1.0 m时岩体应力应变状态较好，可以作为最优支护参数进行现场工业试验。

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Numerical simulation and optimization of bolting and shotcreting parameters

in development roadway of Lingyuan Rixing mining company

Zhang Wenguo

（Lingyuan Rixing Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Bolting and shotcreting support technology is one of the main means to control the stability of surrounding rocks in mining engineering，and the application of numerical simulation technology makes the design of bolting and shotcreting support more objective by considering the interaction between roadway surrounding rocks and the bolt-ing and shotcreting supporting body.It is scientific and reasonable to select the optimal scheme by comparing multiple support schemes.Based on the engineering practice of deep -150 m development roadway in Lingyuan Rixing mining company，bolting and shotcreting support is designed to strengthen support in local broken area，and three optimization schemes of support parameters are put forward.Through the simulation calculation of roadway excavation and support process by Flac3D software，the surrounding rock stress，displacement and mechanical characteristics of the supporting bodies of different optimization schemes with support parameters are obtained.The purpose of this paper is to provide theoretical basis and technical guidance for the optimization of roadway support scheme.

Keywords：roadway excavation;bolting and shotcreting support;numerical simulation;surrounding rock deformation;mechanical characteristics of support body

收稿日期：2020-09-14; 修回日期：2021-03-18

作者简介：张文国（1972—），男，辽宁朝阳人，高级工程师，从事采矿与安全专业的设计审核及管理工作;辽宁省凌源市刀尔登镇柏杖子村，凌源日兴矿业有限公司，122500;E-mail：1362428207@qq.com