金山店铁矿采准巷道喷射混凝土试验研究

曾顺洪，陈清运，董宏涛，魏敬芮，张海建

(1.武汉工程大学资源与安全学院； 2.云南磷化集团有限公司)

引 言

巷道是矿井生产中交通、运输及通风等不可缺少的通道，为保证开采工作的正常进行、生产人员及财产的安全，必须确保巷道在服务期间始终处于稳定状态[1]。巷道开挖后围岩将产生变形，其围岩状态的改变会对矿井的安全生产造成巨大影响。例如，采场空间范围内岩体变形、破坏、运移将会引发巷道离层、破断、垮塌、片帮、底鼓等现象[2]。张斌等[3]采用现场试验、数值模拟等方法,对巷道围岩受扰动影响进行研究，提出了解决方案。郭建伟[4]采用离散元数值模拟方法研究平顶山矿区巷道围岩变形破坏及破坏机理，提出巷道围岩控制技术。焦建康等[5]采用现场实测、室内试验、数值模拟相结合的方法，分析动载冲击地压巷道冲击破坏特征和破坏原因，提出“深部卸压-浅部强支-巷表防护”的多层次控制技术。

巷道开挖后，受特殊环境影响，不可能马上进行支护加强，均采用喷射混凝土封闭巷道围岩，而后再进行二次加固支护，这一过程完成需要15 d左右。此期间喷射混凝土的力学性质至关重要。因此，本文以武钢资源集团有限公司金山店铁矿(下称“金山店铁矿”)为研究背景，通过室内试验测定喷射混凝土的抗压及抗变形强度，结合数值模拟软件Flac3D分析当前喷射混凝土支护对巷道围岩的控制及支护时间，进一步分析喷射混凝土存在的问题，并给出了相应的改进措施。

1 工程背景

金山店铁矿主要开采张福山矿床，该矿床处于新华夏系第二隆起带的次级构造鄂城、大磨山主体复合隆起带与过渡地带连接部位，属于接触交代型铁矿床[6]。该矿床东西长3.5 km，南北宽1 km，面积约3.5 km2；分布100多个矿体，尤以Ⅰ、Ⅱ号矿体规模较大，二者储量占区内探明铁总储量的90 %以上。主要矿体在平面上大致呈NWW—EW向条带状展布[7]。

金山店铁矿井下采准巷道围岩表现为“粉、碎、膨”的特征，即粉状铁矿、破碎状矽卡岩、膨胀状石英闪长岩。工程地质条件表现为“高、大、低”的特征，即高地压、大变形、低强度，巷道开挖后围岩变形较大。根据RMR工程地质力学稳定性分级，其大部分围岩属于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，以 Ⅳ、Ⅴ级居多，归属塑性流变岩体一类。矿山目前开拓系统已经达到-810 m水平，回采工作主要在-425 m水平，巷道主要支护形式为喷锚网支护，局部地段采用钢拱架支护。

2 喷射混凝土抗压和抗变形试验

2.1 试件制备

2.1.1 现场取样

金山店铁矿井下巷道喷射混凝土配比采用水泥、砂、碎石的质量比为1 ∶2 ∶2。采用三夹板现场取样，井下养护1 d后脱模。喷射混凝土大板试样见图1。

图1 喷射混凝土大板试样

2.1.2 标准试件制备

将喷射混凝土大板移至实验室，切割成长、宽、高均为100 mm的标准试块，共5组，总计15块。继续养护至28 d，然后进行试验。喷射混凝土大板切割制样见图2。

图2 喷射混凝土大板切割制样

2.2 试验设备

金山店铁矿采用WAW-600B型微机控制电液伺服万能试验机进行强度试验。该设备主要规格、技术参数指标为：最大试验力600 kN、示值精度1级、最大压缩空间400 mm、电动机总功率3.3 kW。试验设备见图3。

图3 WAW-600B型微机控制电液伺服万能试验机

2.3 试验过程

2.3.1 抗压强度试验

试块在原位主要是侧面承担压力，试验也按此方向进行加压，压力加载速度0.2 kN/s，直至试块破坏为止。

2.3.2 变形测定

试块侧面分别粘贴垂直与水平的应变片(见图4)。抗压强度测试的同时，分别记录试块水平和垂直应变。试块破坏形态见图5。

图4 部分贴好应变片的试块

图5 试块破坏形态

2.4 试验结果及分析

喷射混凝土抗压强度和抗变形强度结果见表1。由表1可知：金山店铁矿巷道喷射混凝土修正后的平均抗压强度为17.05 MPa；弹性模量为7.90～14.55 GPa，平均值为12.28 GPa；泊松比为0.267～0.330，平均值为0.287。试验得到的喷射混凝土抗压强度和抗变形强度值与设计标准值相比偏小。

表1 喷射混凝土相关参数

3 数值模拟

根据室内试验获得喷射混凝土抗压强度及抗变形强度参数，采用数值模拟软件Flac3D研究当前喷射混凝土对巷道围岩的支护作用。

3.1 模型建立

巷道为三心拱断面，断面宽×高为3.6 m×3.4 m，根据圣维南原理，计算时一般取巷道直径的3～5倍[8-9]，结合研究区域实际情况，选取计算巷道模型长×宽×高为20 m×12 m×20 m。

3.2 边界条件及网格划分

模型x、y方向采取位移固定，模型底部采用位移约束，顶部为自由面且施加上覆岩层自重应力，巷道岩体采用Mohr-Coulomb模型模拟。模型共划分22 800 个节点，22 464个单元。

3.3 模型参数选择

选择金山店铁矿西区-396 m水平采准巷道为研究对象。巷道围岩主要为石英闪长岩，根据岩体结构特征及岩体分级指标，得到石英闪长岩物理力学参数[10]，结果见表2。垂直应力为17.4 MPa，水平应力为自重应力的1.7倍。矿床在开采之前均要进行地下水疏干处理，且该地区水文地质条件一般，地表没有大的水系与矿山发生水力联系，数值模拟分析过程中不考虑孔隙水压力的影响[11]。喷射混凝土参数见表3。

表2 岩体物理力学参数

表3 喷射混凝土参数

3.4 数值模拟结果及分析

3.4.1 巷道开挖围岩位移

1)巷道开挖围岩竖直位移分析。数值模拟一个开挖循环为2.4 m。巷道开挖后巷道围岩竖直方向位移变化情况见图6-a)。由图6-a)可知：巷道开挖后，巷道顶部围岩向下移动，最大位移为3.63 mm，其变形表现为“月牙形”；底部围岩向上移动，最大位移为4.68 mm，底部变形表现为层状。

2)巷道开挖围岩水平位移分析。巷道开挖后巷道水平方向围岩变化情况见图6-b)。由图6-b)可知：巷道开挖后，巷道两边围岩变形呈对称“月牙形”变化，分布在整个巷道两帮，有向巷道中间移动的趋势。巷道左、右帮最大位移分别为6.10 mm和6.03 mm，两帮位移较大，与受水平应力较大有关。

图6 巷道开挖围岩位移变化云图

3.4.2 巷道开挖围岩应力分布特征

1)巷道围岩竖直应力。巷道开挖后，围岩应力大小对巷道围岩稳定性影响至关重要，竖直方向围岩应力分布情况见图7-a)。由图7-a)可知：巷道开挖后，在巷道顶、底板形成较大的拉应力区，拉应力区呈拱形分布。拱脚和拱肩处分别形成压应力集中区，压应力集中区分别存在于拱脚和巷道两帮，最大垂直应力为16.6 MPa，从巷道两帮向远处延伸。

图7 巷道围岩应力分布特征

2)巷道围岩水平应力。巷道围岩应力在水平方向分布情况见图7-b)。由图7-b)可知：巷道刚开挖时，巷道拱顶、拱脚、底板产生压应力集中区，最大水平应力为23.1 MPa，呈拱形向远处扩散；拉应力集中区在巷道两帮形成，呈“月牙形”逐渐向远处扩散。

3)巷道xz方向应力。垂直应力与水平应力联合作用对巷道稳定性产生巨大影响。对巷道开挖后xz方向应力分布特征进行分析，结果见图7-c)。由图7-c)可知：巷道开挖后,在巷道拱脚和拱肩出现应力复合集中现象，形成以巷道左底脚、右拱肩和右底脚、左拱肩为对角线，呈中心对称分布的应力复合集中区；左底脚、右拱肩为拉应力集中区；右底脚、左拱肩为压应力集中区，拉、压应力集中区不断向巷道顶、底板中心靠拢，并逐步向位移深处扩散。

3.4.3 喷射混凝土支护围岩位移分析

巷道开挖后，喷射混凝土支护变形放大50倍的结果见图8。由图8可知：喷射混凝土在靠近开挖掌子面的地方变形较大，最大位移为4.48 mm。随着与掌子面距离的增加，喷射混凝土变形逐渐减小，两帮边墙部分有向巷道中央移动的趋势。这可能是巷道开挖后两帮变形较大所致，越靠近掌子面，围岩位移变化趋势越明显。

图8 喷射混凝土支护变形放大50倍的情况

3.4.4 支护前后围岩位移对比分析

对巷道开挖后的拱顶、边墙、拱肩和底脚进行位移监测，得到巷道开挖后无支护和喷射混凝土支护后的位移变化(见图9)。由图9可知：巷道开挖后，无支护时,拱顶、边墙、拱肩最大位移量分别为4.92 mm、6.46 mm、4.01 mm；喷射混凝土支护后，拱顶、边墙、拱肩最大位移量分别减小为4.30 mm、6.02 mm、3.47 mm；可见喷射混凝土支护可以抑制围岩变形，拱顶、边墙及拱肩位移量分别减少了0.62 mm、0.44 mm、0.54 mm，为巷道进行二次加强支护赢得时间。巷道无支护，时间步为7.0×103步时，其变形量基本达到稳定，后期变化不大；在6.0×103～7.0×103步时围岩发生剧烈变形，拱顶、边墙、拱肩位移变化量分别为1.15 mm、1.14 mm及1.02 mm，巷道支护应该在此段时间内进行；5.9×103～6.0×103步时围岩位移不变。

图9 巷道开挖围岩位移变化曲线

4 讨论与建议

4.1 讨 论

根据GB 50086—2015 《岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范》[12]，喷射混凝土设计强度等级不应低于C20。金山店铁矿喷射混凝土设计强度为C20，按此要求其抗压强度应为20 MPa，弹性模量理论值为23 GPa。 通过室内试验可知，金山店铁矿喷射混凝土抗压及抗变形强度除第2组抗压强度达到要求外，其余各组试块指标均未达到设计值，与标准指标还有一定的差距。通过对现场施工工艺调查、分析，得到造成此结果的原因可能为：

1)喷射混凝土试块切割后蜂窝麻面比较多，骨料集配不均匀，颗粒间黏结不够牢固。

2)喷射混凝土强度没有达到设计要求，可能与细骨料为机制砂、含泥较多有关，也可能与速凝剂添加量较多有关。

3)喷射混凝土拌和料在井下平均滞留时间长达1.5 h，超过20 min的要求，这是导致强度降低的重要原因。

4.2 建 议

1)进行机制砂与黄砂作为喷射混凝土细骨料的对比试验研究。

2)进行喷射混凝土工艺流程考察，优化喷射混凝土的工艺。

5 结 论

以金山店铁矿采准巷道为背景，研究喷射混凝土性能对巷道围岩的支护效果。通过室内试验测定其抗压强度及抗变形强度参数，结合数值模拟软件Flac3D分析喷射混凝土支护对巷道围岩的支护效果，得出了以下结论：

1)通过室内喷射混凝土抗压及抗变形强度试验，得到喷射混凝土修正后的平均抗压强度为17.05 MPa；弹性模量为7.90～14.55 GPa，平均值为12.28 GPa；泊松比为0.267～0.330，平均值为0.287。

2)通过数值模拟，得到喷射混凝土能较好地控制围岩变形，在靠近掌子面的地方喷射混凝土变形较大，最大位移为4.48 mm，随着与掌子面距离增加，位移逐渐减小。

3)分析了当前喷射混凝土存在的问题，并给出了相应的解决措施。