采场顶板锚索锚杆联合支护加固效果模拟分析

秦秀山，王志修

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

某矿为急倾斜矿体，采矿方法为上向分层充填连续采矿法，凿岩、出矿和充填均在采场内进行作业，操作过程需保证采场顶板安全稳固。根据现场岩石力学试验及节理裂隙构造调查，开采范围内各采场顶板岩体节理裂隙发育程度存在较大差异，岩体完整程度由完整过渡到较完整至较破碎，修正后的工程岩体质量等级主要为Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。

上向水平分层充填法开采时，采场顶板的支护不仅要保证回采过程中下部工作人员的安全，还需要保证支护强度不影响后续回采工作[1-3]。对于Ⅲ级和Ⅳ级顶板岩体，围岩破坏特点和程度不同，需要采取不同的支护方案。为保证采场顶板支护效果，针对初选支护方案，利用数值模拟方法，对不同等级采场顶板支护加固方案进行模拟分析，确保支护后满足现场作业要求。

1 采场顶板支护模拟方案

通过对不同采场岩体质量等级划分及相似矿山支护方式类比分析，矿山采场顶板的支护一般针对普遍存在的Ⅲ级和Ⅳ级岩体分别选择相应的支护方式[4-6]，结合目前矿山已有支护条件及未来方便现场实施，初选支护方式为：Ⅲ级岩体采用短锚索+树脂锚杆支护，Ⅳ级岩体采用长锚索+树脂锚杆支护。

为精准评价支护效果，针对不同工程岩体等级的支护方式，以采场面大、节理裂隙发育为选取依据，分析选择工程岩体质量为Ⅲ级的3号采场和工程岩体质量为Ⅳ级的8号采场危险区域作为典型进行分析(表1)。

表1 典型采场选取及顶板支护方式Table 1 Selection of typical stope and roof support mode

2 数值模拟分析模型构建

2.1 基本假定

由于实际矿山工程地质环境复杂，为了使数值计算结果更接近实际情况，需要对矿山岩体条件、地质特征、应力环境等进行必要简化。对数值计算模型提出如下假设：

1)矿岩体为理想弹塑性体，选用摩尔-库仑屈服准则开展非线性分析[7-8]。

2)矿体和围岩为局部均质、各向同性的材料，岩层内部为连续介质。

3)只考虑矿岩自重应力的作用，忽略地震波、断层等因素对顶板稳定性的影响。

4)忽略开拓、采准等局部工程对采场围岩力学状态的影响[9]。

2.2 岩体物理力学参数

岩体物理力学参数是影响数值模拟分析结果可靠性的关键因素，岩体物理力学参数选取是通过现场获取岩块后开展室内力学试验，综合考虑岩石坚硬程度及岩体完整程度，对岩块力学参数按照摩尔-库伦强度准则进行折减修正后获得。数值模型分析计算中选取的岩体物理力学参数见表2。

表2 岩体物理力学参数表Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

2.3 模型范围及网格划分

本次数值模拟计算采用拉格朗日有限差分法，运用美国Itasca Consulting Group公司开发的三维有限差分计算软件FLAC3D进行数值模拟计算。以矿区矿体为主要研究对象，按照实际中段平面图中危险区域的简化模型分别建立3号采场及8号采场的三维工程地质模型。3号采场的建模区域和三维工程地质模型如图1～2所示。

图1 采场建模区域Fig.1 Stope modeling area

三维工程地质模型尺寸为长(X)×宽(Y)×高(Z)=90 m×30 m×80 m，共计31 500个单元，36 036个节点，在采场周围网格进行加密。

2.4 边界条件与初始应力场

1)边界条件

在整体模型的底部平面设置X、Y、Z方向全固定位移约束，限制各方向位移量为0。模型侧面施加法向位移约束，分别在X方向施加水平最小主应力、Y方向施加水平最大主应力。模型顶面为自由位移约束，但在顶面施加上覆岩层自重的竖向应力边界。

2)初始应力场

以构建完成的FLAC3D数值模型为基础，首先按照模型中对应区域进行材料参数赋值，并施加相应边界条件，结合矿山现场实测最大水平主应力、最小水平主应力的方向及函数关系，计算形成整体模型的三维初始地应力场，如图3所示。

图2 三维工程地质模型图Fig.2 3D engineering geological model map

图3 采场地应力分布图(单位：Pa)Fig.3 In-situ stress distribution map of stope(Unit:Pa)

图3分别给出了研究区域岩体数值模拟得出的地应力场三向应力云图：1)最大水平主应力沿矿体走向(即X方向)；2)最小水平主应力垂直于矿体走向方向(即Y方向)；3)竖向应力沿竖直方向(即Z方向)。

3 模拟结果监测方案设计

为了更清晰地展示不同工程岩体质量等级采场中采用顶板支护方案前后治理效果，在采场顶板典型区域选取应力、位移监测点，对模拟采场开采后上部顶板应力、位移等进行实时监测[10]，最大程度反映不同岩体质量等级采场顶板的支护效果。选取的监测点主要集中在采场顶板上部位置，具体监测点见图4。

图4 顶板支护监测方案示意图Fig.4 Schematic diagram of roof support monitoring scheme

4 数值模拟分析结果

4.1 不同岩体等级采场顶板应力分析

3号采场开采现状与采用短锚索+树脂锚杆进行顶板支护后的最大主应力分布如图5所示。

图5 3号采场顶板支护前后最大主应力分布图Fig.5 Distribution of maximum principal stress before and after roof support in No.3 stope

通过图5(a)可知，3号采场矿体开挖后，在开挖区域形成空区，周围应力重新分布，该区域的应力转移至周边围岩中。采场底角区域出现应力集中现象，最大主应力达到16.5 MPa，在采场顶板及底板出现拉应力状态，拉应力极值为0.177 MPa。由于回采结束后还未及时进行充填，导致采场顶板受到拉应力，较容易破坏。

通过图5(b)可知，3号采场矿体开挖后进行支护，回采结束后，在采场周围应力重新分布，在采场底角区域最大主应力值16.7 MPa，应力重新分布规律与未支护工况较为一致，但在支护后，采场顶板区域拉应力极值为0.112 MPa，比未支护状态降低了36.7%，短锚索+树脂锚杆支护使Ⅲ级岩体质量采场顶板的安全性明显改善。

8号采场开采现状与采用长锚索+树脂锚杆进行顶板支护后的最大主应力分布如图6所示。

通过图6(a)可知，8号采场矿体开挖后，在开挖区域形成空区，周围应力重新分布，该区域的应力转移至周边围岩中。采场底角区域出现应力集中现象，最大主应力达到15.4 MPa，在采场顶板及底板出现拉应力状态，拉应力极值为0.096 MPa。由于回采结束后还未及时进行充填，导致采场顶板受到拉应力，较容易破坏。

通过图6(b)可知，8号采场矿体开挖后进行支护，回采结束后，在采场周围应力重新分布，在采场底角区域最大主应力值16.0 MPa，应力重新分布规律与未支护工况较为一致，但在支护后，采场顶板区域拉应力极值为0.062 MPa，比未支护状态降低了35.4%，长锚索+树脂锚杆支护使Ⅳ级岩体质量采场顶板的安全性明显改善。

图6 8号采场顶板支护前后最大主应力分布图Fig.6 Distribution of maximum principal stress before and after roof support in No.8 stope

4.2 不同岩体等级采场顶板位移分析

图7～8为3号采场现状与支护后的总位移分布图及监测点位移分布图。

图7 3号采场总位移分布图Fig.7 Distribution of total displacement of No.3 stope

监测点设置在采场中间，距离顶板0.3 m处，监测点位移显示，现场未支护工况变形量为82 mm，支护后变形量为65 mm，支护后能够降低顶板位移量20.7%，支护后降低顶板位移量，起到一定的保护作用。

图9～10为8号采场现状与支护后的总位移分布图及监测点位移分布图。

图8 3号采场监测点计算时步与变形量分布图Fig.8 Calculation time step and deformation distribution of monitoring points in No.3 stope

图9 8号采场总位移分布图Fig.9 Distribution of total displacement of No.8 stope

图10 8号采场监测点计算时步与变形量分布图Fig.10 Calculation time step and deformation distribution of monitoring points in No.8 stope

监测点设置在采场中间，距离顶板0.3 m处，监测点位移显示，现场未支护工况变形量为29 mm，支护后变形量为15 mm，支护后能够降低顶板位移量48.3%。通过在采场顶板施工18 m长锚索支护方式，能够较好控制顶板位移量，保证采场作业生产安全。

4.3 不同岩体等级采场顶板塑性区分布分析

图11、12为3号采场现状与支护之后的塑性区分布图与采场支护轴力图。

图11 3号采场塑性区分布图Fig.11 Distribution of plastic area in No.3 stope

图12 3号采场支护轴力图Fig.12 Support axial force diagram of No.3 stope

由图11～12可见，3号采场矿体开挖后应力释放，导致采场周围出现大量剪切破坏，在顶板出现塑性区较多，形成应力拱，采场底板也产生大量塑性区破坏。在采用6 m锚索+树脂锚杆支护以后，塑性区范围较未支护条件下明显减少，锚索上部轴力达到39.8 kN，锚索承受较大的拉力，回采结束后顶板产生的拉应力主要由锚索承担。

图13、14为8号采场现状与支护之后的塑性区分布图与采场支护轴力图。

图13 8号采场塑性区分布图Fig.13 Distribution of plastic area in No.8 stope

图14 8号采场支护轴力图Fig.14 Support axial force diagram of No.8 stope

由图13、14可见，8号采场矿体开挖后应力释放，导致采场周围出现大量剪切破坏，在顶板出现塑性区较多，形成应力拱，在矿柱区域出现大量剪切破坏。在采用18 m长锚索+树脂锚杆支护以后，采场周边剪切破坏和塑性区分布范围明显减小。锚索上部轴力达到41 kN，锚索承受较大的拉力，回采结束后顶板产生的拉应力主要由锚索承担。

5 结论

1)根据上向水平分层充填采场顶板岩体质量等级结合现场工程需要，初步确定采场不同区域适宜相应岩体级别的顶板支护参数，通过模拟分析可检验初选参数合理性和支护加固作用有效性。

2)通过数值模拟计算对采场顶板支护前后相关参数进行对比分析，采场顶板区域支护后拉应力值比未支护时降低约35%，支护作业最大可降低顶板位移量48.3%，支护后顶板塑性区范围明显减少。

3)Ⅲ级岩体顶板区域采用短锚索+树脂锚杆支护，Ⅳ级岩体顶板区域采用长锚索+树脂锚杆支护可有效控制顶板变形。锚索锚杆联合支护提高了采场顶板的安全性，有效保障采场内部作业安全。