西直格庄金矿软岩巷道支护技术研究与实践

董 越

（烟台市鑫蓬矿山工程有限公司，山东 烟台 264000）

软岩巷道围岩支护是国内外巷道支护的难点，随着软岩巷道在矿井开采中所占比例的不断增加，对其支护技术的研究也受众多专家的关注[1-5]。由于井下巷道围岩赋存环境及物理力学参数差异性较大，采用工程类比法或经验设计围岩支护方案往往效果不好。本文采用数值模拟与现场试验相结合的方法，探究软岩巷道围岩的支护技术，为类似工程地质条件下巷道支护提供借鉴。

1 工程概况

西直格庄金矿矿区位于秦岭-大别-苏鲁造山带（Ⅰ）胶南-威海隆起区Ⅳ（Ⅱ）威海隆起Ⅳb（Ⅲ）乳山-荣城断隆Ⅳb2（Ⅳ）昆嵛山-乳山凸起Ⅳb22（Ⅴ），牟（平）～乳（山）金成矿带的中部，金牛山主断裂西侧，西直格庄断裂东侧。该区岩浆岩极为发育，断裂构造发育，形成以北东向和北北东向断裂为主的构造格架。区内出露地层较为简单，主要为古元古界荆山群陡崖组和新生界第四纪地层。

采准巷道一般采用的净断面为4.5 m×3.7 m，原支护方式采用锚网喷支护。采用螺纹钢锚杆，锚杆长为1.8 m，直径为20 mm，锚杆间排距为800 mm×800 mm；铺设直径6 mm、长× 宽=2000 mm×1000 mm 的六边形金属钢筋网，网孔规格为100 mm×100 mm，网片搭接长度为100 mm；喷射混凝土厚度为50 mm。支护方式如图1。

图1 巷道支护方案图（mm）

通过地质调查发现，部分围岩风化程度较大，裂隙中填充的绿泥石、泥质灰岩在裂隙水的影响下发生膨胀，使得裂隙越发明显，围岩稳定性极差，并且原支护结构破坏较为严重，采用单一的支护形式不能保障支护安全。

2 数值模拟研究

2.1 模拟方案

以采准巷道为对象，利用FLAC3D数值软件对三种不同支护方案下的巷道围岩变形进行研究分析，分别为：

支护方案一：巷道无支护技术；

支护方案二：巷道原支护方案；

支护方案三：锚杆索联合支护方案。

（1）顶板支护。顶板锚杆采用Φ20 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆排距800 mm，间距800 mm；每根螺纹钢锚杆配套规格为150 mm×150 mm×10 mm 的可调心拱形高强度托盘，球形垫圈配减摩垫圈叠加安装；每根锚杆配套使用两支药卷，上部一支为CK2355 的药卷，下部一支为K2355 的药卷；每排锚杆配套使用BHW280-4.5×4800 mm的钢带。

锚索采用Φ15 mm×6400 mm 的高强度低预应力锚索，采用非对称布设形式。锚索托板采用长×宽×厚=300 mm×300 mm×14 mm 的拱形高强度铁板，球形垫圈配减摩垫圈叠加安装；每根锚索配套使用三支药卷，上部一支为CK2355 的药卷，下部两支为K2355 的药卷。

（2）帮锚支护。两帮采用Φ18 mm×1800 mm的螺纹钢锚杆进行支护，间距900 mm，排距800 mm；每根锚杆配套使用两支K2355 树脂药卷；锚杆安装时采用BHW280-4.5×400mm 的钢带托板与150 mm×150 mm×10 mm 的可调心拱形高强度托盘，球形垫圈配减摩垫圈叠加安装，钢带托板要密贴煤帮，不松动。

2.2 模型建立

所建模型的尺寸长× 宽× 高为45 m×10 m×30 m，模型总共114 252 个实体单元，119 781个网格节点。在模型中，锚杆采用cable 单元进行模拟，混凝土衬砌采用实体单元Elastic 模型，采用莫尔-库伦屈服准则。所建模型如图2。

图2 计算模型图

模型前后左右边界均设置为水平约束力；模型的底面设置为固定约束边界，使其在任何方向上部发生位移；模型三维顶部设置为自由边界，施加等效荷载。

各岩层的物理力学参数见表1。

表1 围岩物理力学参数

2.3 结果与分析

为了观察巷道开挖后整体竖向、水平位移量，在此段巷道布设8 个监测断面，并在每个断面的顶板、两帮中点设置位移监测点。将三种支护方案下各断面位移监测数据进行处理，如图3。

图3 巷道围岩变形曲线图

由图3 可以看出，巷道采用无支护下，最大竖向位移值为73.5 mm，出现在监测断面2 处，最大水平位移值为66.6 mm，出现在监测断面1 处。巷道采用原支护技术（方案二）时，最大竖向位移值为54.1 mm，出现在监测断面2 处，最大水平位移值为46.2 mm，出现在监测断面2 处。巷道采用支护方案三时，最大竖向位移值为25 mm，出现在监测断面1 处，最大水平位移值为23.2 mm，出现在监测断面5 处。

通过比较三种方案下巷道的整体竖向位移和水平位移量可以看出，原支护方案下巷道围岩变形得到一定的控制，相对无支护技术下，巷道变形量小。在断面2 处，竖向变形量减少为27.2%。采用支护方案三后，围岩竖向变形量为23.1 mm，相对无支护技术围岩竖向变形量减少为69.0%。支护方案三的控制效果优于方案二，可有效控制巷道的变形破坏。

3 工业性试验

将锚杆索网联合支护技术应用于采准巷道，并在巷道掘进施工过程中采用“十字布点法”监测巷道顶底板及两帮的围岩变形情况。顶部测点布置在巷道中心线上，帮部测点布置在距巷道地面1 m 的位置处，顶帮测点布置在同一断面内。底板监测点采用铁钎，钉入底板围岩内的长度为250 mm。围岩观测站按每周1 次进行测读和记录。巷道变形曲线如图4。

图4 巷道变形曲线图

由图4 可以看出，在采准巷道掘进完成的前50 d，巷道顶底板及两帮的围岩变形速率不断增大，之后逐渐趋于稳定。巷道顶板最大下沉量约为96.5 mm，相对较大，但顶板未出现破坏和冒落现象；巷道底板底鼓量最大约为75.1 mm，相对较小；巷道左、右帮围岩变形最大约为69.4 mm、55.1 mm。围岩变形量均处于变形允许范围内，表明了联合支护技术参数的合理性和可靠性。

4 结语

（1）通过数值模拟计算可知，巷道采用锚网索联合支护技术后，巷道围岩变形量相对无支护技术围岩竖向变形量减少69.0%，巷道围岩变形量明显减小。

（2）现场监测结果显示，采用锚网索联合支护技术后，在巷道掘进完成的50 d 后，巷道顶底板及两帮的围岩变形逐渐趋于稳定，围岩变形破坏得到了有效控制，表明该支护技术的有效性。