基于普氏冒落拱理论的矽卡岩型底部结构支护优化研究

耿 帅，杨 航，杨金光，何 伟，尹爱民

(河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北 邢台 054100)

0 引 言

某铁矿矿区内的近矿围岩大部分属于Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩，其中-230 m水平北部区域底部结构围岩以蚀变矽卡岩为主，其单轴抗压强度约为8.5 MPa，强度较低，节理发育。北部区域采用阶段空场嗣后充填采矿法，其-230 m水平底部结构需布置多条出矿进路(尺寸为4.10 m×3.45 m的三心拱断面)，底部结构巷道支护方式为锚网喷，采场受开挖扰动与周边矿体回采影响，大部分围岩结构稳定性差的底部结构开挖初期均出现大量变形破坏，部分底部结构需要进行二次支护或三次支护，增加大量返修成本，严重影响矿山正常生产，亟需对支护参数进行优化研究。

自20世纪60年代开始，以新奥法、松动圈理论、锚喷支护理论等[1-5]为代表的围岩支护理论开始在矿山、隧道等领域大量应用，并取得良好的效果，然而软岩巷道支护一直是地下矿山生产中的难题。目前，软岩巷道支护主要采用工程类比法，支护参数设计具有一定合理性。为此，一些专家针对具体的工程地质实际，提出适用于不同工程地质条件下的巷道支护参数与支护技术，在保证巷道稳定的前提下，节省了大量支护工程费用。张农等[6]根据不同等级的围岩稳定性，提出以锚杆支护技术为主的“三高”围岩支护理论；康红普等[7]提出增加锚杆预紧力，防止顶板离层产生；杨亚平等[8]提出基于巷道围岩变形破坏特征，考虑工程地质条件、地应力特征、采动影响三个方面，分析了深部高应力破碎岩体巷道变形破坏原因；孟庆彬等[9]分析软岩巷道支护结构应力演化规律，提出“三锚”联合支护体系及分步联合支护技术；杨胜利等[10]利用岩体超声探测，确定围岩松动圈范围，选择了合理的支护参数，有效保证了巷道围岩在服务周期内的稳定性；王超等[11]提出考虑锚固复合支护体的作用来计算巷道最小支护参数；陈国良等[12]分析甲玛矿区破碎软弱岩体巷道的失稳机理，提出针对不同级别岩体的支护参数；朱士永[13]分析软岩巷道变形破坏特征及失稳机理，提出长短锚索+锚杆+充填层+钢拱架联合支护技术；柳小波等[14]通过工程类比法确定围岩类型，借助FLAC3D数值模拟方法，以围岩变形、塑性区范围和锚杆所受最大应力为参考指标，模拟支护系统对硐室围岩稳定性，确定最佳锚杆间距。各位专家学者均在各类岩石条件下对支护理论及方法进行了深入研究，但针对复杂破碎矽卡岩型矿山支护参数选取等方面的研究仍旧鲜有，针对此类岩性仍需要开展大量的工作。

本文以某铁矿-230 m水平2 N2矿房底部结构为研究背景，针对复杂破碎矽卡岩型底部结构巷道现有锚网喷支护参数不合理现象展开研究，进行岩石膨胀性试验[15]，在普氏冒落拱理论[16]的基础上进行支护参数优化研究，提出了预应力锚索+锚网喷联合支护技术，并通过数值模拟分析及现场监测验证两种方式进行支护效果评价。研究结果表明，采用新型联合支护控制技术可以有效解决某铁矿底部结构巷道围岩稳定控制难题，降低了支护成本，保证了底部结构巷道在使用期限内的基本稳定和安全回采及周围主要穿脉的长期稳定。

1 巷道岩石力学实验

1.1 成分分析

岩石的物理力学性质主要受矿物成分、温度、湿度、围岩压力等因素影响，其中决定岩石性质的最显著内在因素是矿物成分。为充分掌握岩石样品的矿物成分组成，尤其是膨胀亲水性矿物的含量，采集岩石样品进行X射线衍射岩样矿物成分定量分析试验。由矽卡岩样品XRD的分析结果可知，矽卡岩样品中的主要黏土矿物为绿泥石、蛇纹石、高岭石等，非黏土矿物有辉石、钠长石等。

1.2 无荷载条件下膨胀性测试

通过X射线衍射分析确定某铁矿矽卡岩样本中含有大量的绿泥石、高岭石等易膨胀岩体，利用岩石膨胀性试验确定其膨胀性能，膨胀性能通常由膨胀率表示。为研究试样膨胀性性能，采用侧向约束轴向膨胀试验仪进行矽卡岩样品无荷载膨胀性试验，试验结果见表1。

表1 无荷载矽卡岩样品膨胀数据记录表Table 1 Unloaded skarn sample expansion data record sheet

矽卡岩岩样遇水易膨胀，普遍在20 h内基本膨胀完毕，膨胀率高达85.06%。由此可以推断，当巷道开挖后，围岩暴露在空气中，若不采取相应的空气阻隔措施，岩石中的膨胀性矿物成分与空气中的水分子相结合，将导致巷道围岩发生较大的膨胀变形，矽卡岩基本岩体力学参数见表2。

表2 矽卡岩岩体力学参数Table 2 Mechanical parameters of skarn rock mass

2 普氏冒落拱理论在支护中的应用研究

根据普氏松散介质理论，地下空间开挖后应力重新分布，上部围岩产生破坏最终形成抛物线形自然平衡拱，即冒落拱。冒落拱上部为稳定岩体，下部为非稳定岩体，在无支护措施条件下有冒落趋势。底部结构巷道受采场采矿活动影响，实际顶部塑性区将远超巷道开挖产生的冒落拱范围，因此底部结构巷道冒落拱理论计算中采用采场参数更为合理。普氏计算公式中采场长度方向上的压力p计算见式(1)。

(1)

式中：p为沿着采场长度方向顶部压力，kN；a为采场宽度的一半，m；b为冒落拱高度，m，当两帮稳定时，b=a/f，f为普氏系数，其值为岩体整体抗压强度的十分之一，当两帮不稳固时，b=[a+htan(45°)-φ/2]/f，h为矿房高度，φ为上部岩体的内摩擦角；r为上覆岩体平均容重，t/m3；g为重力加速度，m/s2。

锚索长度应使锚索锚固在稳定岩层中，且不得小于自然平衡拱2 m以上。采场顶部的冒落拱压力P0计算见式(2)。

P0=pL

(2)

式中，L为釆场的长度，m。

当埋深大于400 m后，对普氏公式进行修正，其修正公式为P=KP0，K为修正系数。锚索的作用则是悬吊这部分岩石，防止其冒落。作用在长锚索的力即为在采场矿岩顶部的总压力P，因此可得采场需要锚索根数n计算见式(3)。

(3)

式中：m为安全系数，一般取m=1.5；R为钢绳破拉断力，kN。

锚索的布设网度D计算见式(4)。

(4)

式中，S为采场顶板面积，S=2La，m2。

3 工程应用

3.1 支护参数选择

根据冒落拱高度公式计算见式(5)。

(5)

根据计算得到的冒落拱高度b=6 m(矿房长50 m，宽15 m，高30 m)，按照锚索长度超过自然平衡拱2 m以上的原则，锚索长度至少为8 m，考虑到底部结构受矿房上部采切工程开挖影响，围岩破裂范围明显超过底部结构巷道开挖产生的破裂范围。同时依据现场工程实际揭露情况，底部结构破裂范围一般在7～8 m，综合考虑冒落拱理论计算结果及现场工程实践，确定本次锚索长度为10 m。

依据《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224—2003)可知，Φ17.8 mm(1×7)1 860 MPa级别的钢绞线的破断拉力为320 kN。依据采场布置情况，当采场参数为长×宽×高=50 m×15 m×60 m时，布设网度D=2.29 m，当采场参数为长×宽×高=25 m×9 m×30 m时，布设网度D=2.96 m，采用采场参数为长×宽×高=25 m×9 m×30 m时的布设网度作为布置参数，巷道中锚索采用扇形布置，根据巷道宽度，主运输巷道上覆岩层要远远小于采场，因此垂直断面布置锚索5个/排，排距为3 m。

3.2 支护技术方案实施

由矽卡岩膨胀性实验可知，开挖后要迅速隔绝空气，避免空气中的水分与矽卡岩发生反应，造成矿岩强度下降，因此巷道开挖后立即进行素喷，隔绝空气中的水分对矿岩力学性质的影响。完成素喷后通过三步完成巷道的支护。

1) 锚杆支护。 锚杆选用左旋螺纹钢树脂锚杆，直径20 mm，长度2 400 mm，间排距800 mm×800 mm，半长锚固，如图1所示。

图1 长锚索安装示意图Fig.1 Schematic diagram of long anchor cable

2) 挂网+复喷。完成锚杆支护后，巷道再次喷浆，强度C20，厚度100 mm。

3) 锚索支护。锚索选用规格为直径17.8 mm，长度10.0 m的钢绞线，水泥砂浆全长锚固，直岩面布置，长锚索长度10 m，间距约为2.1 m，排距3 m，每排布置5根长锚索。 注浆完毕后快速对托盘进行紧固安装并施加预应力，锚索托盘尺寸选用150 mm×150 mm。图2为巷道支护后现场实拍图。

图2 现场底部结构支护图Fig.2 Site bottom structure support drawing

4 支护效果评价

4.1 数值模拟支护参数验证分析

4.1.1 建立三维数值模型

以-230 m水平2 N2矿房底部结构巷道为例，采用数值模拟软件FLAC3D软件建模，巷道形状为三心拱形，尺寸为4.10 m×3.45 m，巷道支护参数确定后，利用数值模拟软件FLAC3D验证矽卡岩巷道采用锚索+锚网喷联合支护方式的有效性。巷道宽4.10 m，直墙高度2.08 m，拱高1.37 m，由于整体模型网格较多，影响计算速度，因此在矿体周边建立重点研究区域，模型大小为长×宽×高=45 m×20 m×45 m，地表标高按+220 m计算，受模型大小限制，巷道底板距离模型顶部仅为25 m，整体模型上边界为-205 m水平，岩体具有非均质性，各向异性和不连续性的特点，岩体自重应力通常不能进行精确计算，同时由于不知道具体地应力分布，本次模拟采用假定计算点附近岩体为均质、各向同性的连续体进行计算。在这种情况下，铅垂方向自重应力分量P为单元体以上至地表的岩柱的重量，即P=pgH，其中，p为2 500 kg/m3，g为9.8 m/s2，H为425 m，故模型顶部设置10.4 MPa均布载荷，四周和底面位移约束，共有节点108 528个，单元格100 500个，完全满足数值计算的需求。

4.1.2 锚杆锚索预应力设定

锚杆施加预应力的作用是使软岩间形成整体应力区。根据工程实践，锚杆型号HRB400，直径20 mm，其预紧力为50 kN，锚固力为100 KN，结合工程实践可判断，锚杆预紧力设定50 kN较为合理，直径17.8 mm锚索锚固力设定为320 kN。

4.1.3 两种支护参数模拟

为了验证锚杆+锚索联合支护的有效性，本文分别对无支护、锚杆支护、锚杆支护+锚索支护共3种工况进行模拟。锚杆支护、锚索支护参数完全按照实施的技术方案，即两帮各施工1根锚索和3根锚杆，拱部均匀施工3根锚索和6根锚杆，锚杆支护、锚杆+锚索支护模型如图3所示。

4.1.4 不同支护参数模拟结果分析

提取整理3种工况巷道开挖支护后的巷道围岩变形的数值模拟结果(图4)。巷道开挖后不采取支护措施(图4(a))，巷道变形量最大约为27 cm，当采用锚杆支护时(图4(b))，巷道变形量有所减小，最大约为23 cm，采用锚杆+锚索支护时(图4(c))，巷道变形量最大仅为7 cm，相比较前两种工况，采用锚杆+锚索支护方式产生的位移量有明显减小。因此，在原有锚杆支护的基础上增加锚索支护，可以有效阻止巷道的变形，更适合北区破碎底部结构围岩的支护。

图4 不同支护方案巷道位移云图Fig.4 Displacement cloud map of roadway with different support schemes

4.2 矽卡岩型底部结构现场稳定性监测与评价

针对某铁矿底部结构巷道变形，借助巷道断面收敛仪进行现场底部结构巷道围岩移进量监测。巷道移进量即巷道收敛量，是巷道变形最直观的体现，采用十字交叉法进行测量。巷道表面移进测量的目的在于理清巷道自支护完成后表面的位移移动量随时间的变化规律，从中得出巷道围岩移动与支护之间的相互关系，用于评价当前支护方案的合理性。

采用十字布点法对巷道移进量进行监测，如图5所示。锚索支护完成后立即安装激光测距仪，分别在测站断面的顶板和右侧帮的中部各安装布设1个测点。观测时，使用激光测距仪分别测量巷道拱顶到巷道底板、巷道左帮到巷道右帮监测点的移进量。

图5 激光测距仪布置方式Fig.5 Laser rangefinder and its arrangement

巷道支护完成后每隔3 d记录观测时间、移进量，连续观测一个月，共10组数据，整理所有测点最终变形量及单个测点的表面位移量，观测结果如图6所示。由图6可知，观测时间内，巷道顶板位移变化量为52 mm，两帮的位移变化量为39 mm，表明锚喷+预应力锚索加强支护方案能够有效控制-230 m水平底部结构巷道围岩变形。

图6 巷道移进量变化趋势图Fig.6 Variation trend diagram of roadway moving amount

5 结 论

1) 利用X射线衍射分析得知矽卡岩中的含有多种具有遇水膨胀的特性岩石；通过膨胀性测试得出，现场矽卡岩遇水极易膨胀，20 h吸水后膨胀率达到85.06%。因此，提出巷道光面爆破后迅速进行混凝土素喷，以隔绝空气中的水分与矽卡岩发生反应导致巷道膨胀变形。

2) 以普氏冒落拱理论为指导进行底部结构支护参数优化，在原有锚喷的基础上增加预应力锚索支护并确定锚索支护参数，通过FLAC3D数值模拟发现，增加预应力锚索后巷道变形有明显的改善；现场底部结构巷道位移量监测结果表明，30 d顶底板及左右帮变形量仅为52 mm和39 mm，锚喷+预应力锚索加强支护方案能够有效控制-230 m水平底部结构巷道围岩变形。