某多金属矿炭质板岩巷道支护数值分析与方案优化

2022-12-06王少林

现代矿业 2022年11期

王少林

（紫金（长沙）工程技术有限公司）

在巷道开拓过程中，由于围岩节理裂隙较为发育，巷道围岩整体性较差，易出现顶板垮塌、冒顶及片帮等现象［1-3］。通过解析巷道围岩力学特性，利用模型试验、现场勘察和数值模拟等方法开展巷道围岩支护稳定性的研究，不仅对巷道支护系统设计参数的确定及优化具有指导作用，而且对矿山的安全生产具有重要意义［4-7］。目前矿山巷道多采用管缝锚杆支护，但支护效果不理想，巷道仍出现冒顶的现象，在一些巷道采用的混凝土砌碹支护及超前管棚支护，虽然能够有效控制巷道变形、垮塌，但支护材料成本较高，每年支护费用较高。此外，现有井下巷道采用的支护形式较多，给矿山支护管理带来不便［8-10］。

某多金属矿井下巷道主要采用的支护形式有素喷支护、锚网支护、锚网喷支护、钢拱架+素喷支护、U型钢（钢拱架）+锚网喷支护等，在长期使用的巷道中，主要采用锚网喷支护、钢拱架+素喷支护、U型钢（钢拱架）+锚网喷支护等；而在临时性巷道穿脉巷道主要采用锚网支护、锚网喷支护等，采用的锚杆主要有管缝式锚杆和树脂锚杆。据现场调查分析，巷道支护主要在炭质板岩中，巷道支护失效主要发生在联络巷的拐弯处，主要原因是围岩近垂直节理发育较强，在巷道拐弯处易形成楔形体破坏，在局部较大构造面存在的区域易发生冒顶、片帮等破坏。此外，由于该矿山巷道支护形式不统一，支护管理复杂，未有效针对现场实际情况进行支护设计，缺乏支护形式的标准设计方案。

为此，针对某多金属矿巷道支护现状，在保证巷道支护效果良好与采场安全的前提下，为了尽可能地节约支护成本，提高支护效率，利用RS2软件开展巷道不同支护技术的有限元数值分析研究，得到某多金属矿巷道支护总体优化的标准设计方案。

1 巷道岩体结构力学特性

1.1 巷道围岩结构面调查测绘

针对巷道围岩的节理裂隙特性，开展炭质板岩结构面产状统计分析，得到4组优势结构面以及一些紊乱的结构面，如图1所示。炭质板岩优势结构面：第一组为273°∠72°，占结构面调查总条数的60.96%；第二组为169°∠88°，占结构面调查总条数的12.33%；第三组为4°∠45°，占结构面调查总条数的10.27%；第四组为161°∠19°，占结构面调查总条数的5.48%；优势结构面以外紊乱的结构面占10.96%。炭质板岩节理密度较大，为21.159条/m，影响了岩石整体稳定性。

1.2 巷道岩体物理力学特性获取

通过对巷道围岩进行取样，开展单轴、劈裂、三轴试验，获取了围岩的岩石力学特性，并结合炭质板岩的节理裂隙特征，通过Roc Data软件，利用Hock-Brown准则折减得到巷道围岩的岩体力学特性［11］，如表1所示。

2 巷道支护数值分析

2.1 数值模型构建

依据某多金属矿的巷道支护设计资料，利用RS2有限元软件［12］建立了巷道的二维有限元分析模型，如图2所示，巷道尺寸为2.8 m×2.7 m。

在巷道的二维有限元分析模型中开展5种不同支护形式的设置：

（1）无支护。

（2）素喷支护，喷层厚度为80 mm。

（3）锚网支护，锚杆长1200 mm，直径42 mm；锚杆支护密度1 500 mm×1 500 mm；钢筋网直径6 mm，网度100 mm×100 mm；

（4）喷锚网支护，喷层厚度80 mm；锚杆长1 200 mm，直径42 mm；锚杆支护密度1 500 mm×1 500 mm；钢筋网直径6 mm，网度100 mm×100 mm；

（5）喷锚网+钢拱架支护，喷层厚度100 mm；锚杆长1 800 mm，直径42 mm；锚杆支护密度1 000 mm×1 000 mm；钢筋网直径6 mm，网度100 mm×100 mm；U型钢拱架支护距离1 000 mm。

通过对比5种不同支护形式下巷道围岩的应力、位移及塑性区变化，分析得到不同支护形式的效果及适用区域。

2.2 支护参数

在巷道的二维有限元分析模型中开展不同支护形式的设置，围岩的物理力学参数参考表1，不同支护形式的参数参考表2。

2.3 数值分析结果

2.3.1 巷道无支护条件下分析

巷道在无支护条件下的分析结果如图3所示。应力分布规律如图3（a）所示，拱顶2.70 MPa，拱肩2.90 MPa，侧帮2.20 MPa，拱脚3.30 MPa，底板2.20 MPa，巷道周边应力分布呈现出不同现象，拱顶、拱肩和拱脚存在应力集中区，两帮和底板为应力释放区；巷道位移分布规律如图3（b）所示，拱顶6.4 cm，拱肩6.80 cm，侧帮4.4 cm，拱脚1.60 cm，底板0.80 cm，巷道开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在巷道顶板位置，次之为巷道拱肩处，底板位移量较小；巷道围岩强度系数如图3（c）所示，巷道围岩强度系数均为0.95，在无支护条件下，围岩处于不稳定状态，需要采用支护措施防范围岩体变形破坏；塑性区分布规律如图3（d）所示，在拱顶和拱肩位置形成了较大范围的塑性区，在底板处主要为受拉产生塑性区，在拱顶拱肩处主要为剪切破坏产生塑性区。靠近边界位置主要为受拉破坏区，深部主要为剪切破坏区，塑性区深度为0.4 m。可以看出，巷道在无支护条件下极易在拱顶及两侧发生岩体破坏，因此，设置合适的支护方案对保证巷道围岩稳定性具有重要作用。

2.3.2 巷道不同支护条件下的分析

巷道在不同支护条件下的分析结果如图4～图7所示。

（1）应力分布：4种不同支护条件下，采用素喷支护时，巷道围岩的应力集中在侧帮处最小（0.65 MPa），而在拱脚最大（7.80 MPa），采用素喷支护时巷道围岩应力释放区域主要为巷道拱脚处；采用锚网支护时，巷道围岩的应力集中在拱顶处最小（2.20 MPa），而在拱肩处最大（4.40 MPa），巷道围岩应力释放区域主要为行巷道拱肩处；采用锚喷网支护时，巷道围岩的应力集中在底板处最小（2.20 MPa），而在拱脚处最大（4.40 MPa），巷道围岩应力释放区域主要为行巷道拱脚处；采用钢拱架+锚喷网支护时，巷道围岩的应力集中在拱顶处最小（1.65 MPa），而在拱肩处最大（4.40 MPa），巷道围岩应力释放区域主要为巷道拱肩处。

（2）巷道围岩分布：巷道开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在巷道拱顶位置，次之为巷道拱肩处，底板位移量较小。采用素喷支护时，拱顶的最大位移最大，为6.00 cm；采用锚网支护时位移次之，为5.60 cm；采用锚喷网支护与钢拱架+锚喷网支护时拱顶位移明显减少，分别为4.90与4.65 cm。

（3）巷道围岩强度分布：相比于无支护时的围岩强度系数，采用4种支护均可使得围岩的强度系数达到稳定状态，其中，采用钢拱架+锚喷网支护时，围岩强度系数可在巷道拱顶处达到2.84，可知，采用钢拱架+锚喷网支护时，巷道顶板围岩稳固性最佳。

（4）巷道塑性区分布：相比于无支护时的塑性区深度（0.4 m），采用4种支护均可使得围岩的塑性区深度减少，其中，采用钢拱架+锚喷网支护时，巷道塑性区深度可减少至0.3 m。

根据数值分析所得到巷道围岩应力、位移演化规律，对于炭质板岩变形与破坏过程可概括为开拓损伤→裂隙扩展→碎胀扩容→挤压变形→应力扰动→变形加剧→顶板垮塌。井下巷道两侧覆岩结构中关键块在破断后，将产生回转变形，直至达到新的平衡状态，在其回转变形过程中，对巷道围岩产生较为显著的偏载作用力，进而使巷道肩角区域顶板产生较为强烈的挤压变形。同时采动应力场相互叠加，在巷道围岩体上支承压力增大，巷道为侧向卸荷、垂直应力集中状态，主应力差增大，由于围岩自身强度低，节理、裂隙发育，必然导致裂隙扩展、演化和贯通，力学性质进一步劣化衰减，形成大小不等的碎裂块体，造成围岩的剪胀扩容变形，向巷道空间产生显著挤压位移。破碎的围岩结构本身对应力扰动的敏感性强，巷道开挖过程中，应力重新分布调整，造成局部应力集中，加剧围岩的挤压变形。可以看出，不同类型的支护设计对巷道围岩不同区域部位的应力、位移影响不同，应基于不同岩体质量条件设计合理的支护方式。

3 巷道支护总体优化设计

依据数值模拟的结果可知，大部分支护形式能够满足炭质板岩巷道支护要求，现场调查情况与数值模拟结果较为吻合，但在炭质板岩中仍然存在支护效果不良的现象，特别是深部下斜坡道拐弯处巷道外侧帮出现垮塌，主要原因是炭质板岩陡倾斜节理（节理倾角≥72°）发育较强，且占比有73%，在拐弯处形成一个个小的楔形体，在扰动下发生脱落，引起较大的垮塌。主要原因是炭质板岩分层含水较大，水的存在弱化了岩体的整体强度，容易导致围岩体失去自稳能力，在节理发育较强条件下容易产生冒顶、片帮且炭质板岩中的优势结构面组数较多，存在4组，围岩中容易形成顶板掉块、侧帮片帮现象。此外，支护形式较多给矿山支护管理带来麻烦。

因此，结合现场调查结果与巷道支护数值模拟结果，对于在炭质板岩中支护形式，优化巷道的支护设计方案，如表3所示。

（1）对于巷道含水大、节理发育强、围岩整体差、破碎的条件，推荐使用喷锚网+钢拱架支护形式。

（2）对于巷道含水较大、节理发育较强、围岩整体较差的条件，推荐使用喷锚网支护形式。

（3）对于巷道含水少、节理发育一般、围岩整体一般的条件，推荐使用锚网支护。

（4）对于围岩条件相对较好的情况下，推荐使用素喷支护形式。

此外，对于巷道中含水大和围岩体破碎的情况下，增加喷浆工序有利用防止破碎的岩体碎块脱落、遇水弱化等。在采用锚网支护的巷道中，适当增大支护密度，采用较短的锚杆。