轻质吸能材料在地下矿山巷道让压支护中的数值模拟研究

侯俊，张小瑞，易观胜

摘要：在深部黄金资源开发过程中，复杂破碎围岩巷道支护是矿山亟须解决的问题之一。目前矿山多使用钢拱架背木联合支护形式，但木材可燃易腐蚀的特点，不适用于井下永久支护。基于数值模拟研究，提出采用具有轻质吸能特点的新型支护材料作为衬砌，在巷道支护中取代背木的作用。理论分析结果表明，新型轻质吸能类材料具有明显的吸能、让压效果，较为适用于复杂破碎巷道让压支护体系。

关键词：轻质吸能材料；初砌；让压支护；巷道支护；数值模拟

中图分类号：TD353文章编号：1001-1277（2023）05-0008-04

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230503

引言

随着中国对矿产资源需求的日益增加，地表等浅部资源已日趋短缺，向地球深部寻求所必需的矿产资源将是黄金等金属矿产资源开发的主要形式。在此期间，复杂破碎围岩巷道支护也将成为地下矿山，尤其是黄金矿山采掘过程中面临的常态化问题［1-2］。随着采掘深度增加，地下巷道和硐室周围岩体应力也会相应提高，原本质地坚硬的岩石在地下高应力环境中则可能变得破碎，并在高地应力的驱使下发生显著变形，这就使得深部岩体工程施工过程中的隐患日益趋多，特别是冒顶、片帮、底鼓等一系列地压显现问题，不仅影响矿山生产，严重时还会威胁矿山设备及主要作业人员的安全［3-5］。

针对上述巷道支护问题，结合木材良好的弹性和强度特征，目前矿山多使用钢拱架+木质背木的支护方式，起到了较好的支护效果。受井下复杂的环境影响，这种支护方式也存在以下问题：

1）井下环境潮湿，木材易腐蚀变形，影响支护强度，需要定期更换，增加支护成本，且在更换过程中施工安全隐患较大。

2）木材作为易燃材料，在井下生产过程中极易造成火灾、毒气等安全隐患，影响企业的安全生产。GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》中明确规定：不应采用木材或者其他可燃材料作永久支护［6］。

因此，针对复杂破碎围岩巷道支护中木质背木易腐蚀、易燃、安全性差、支护成本高等问题，本文提出了一种基于水泥基的新型轻质吸能支护材料，取代井下支护背木，提升复杂破碎围岩巷道支护安全性与经济效益，保障矿山安全经济高效生产。

1让压支护体系

复杂破碎围岩巷道支护主要是为了控制围岩的收敛变形，使之避免出现过度变形而引起松动圈的进一步扩展，从而导致围岩出现较高的松散压力［7-9］。依据能量守恒定律和地压显现规律，区别于其他支护结构，让压支护结构通常允许围岩产生一定变形，从而对地压进行释放，并提供恒定的支护作用，及时协调围岩松散压力与支护结构反力，即通过缓冲材料的吸能特点，释放一定的松散围岩岩移，吸收围岩深部传递而来的地压，减小支护结构尤其是钢拱架所承担的地压及松散围岩荷载，从而避免应力集中现象，提高巷道支护结构服务寿命，增加巷道稳定性。本文所用的轻质吸能材料是一种由轻质添加剂和水泥充分混合形成的多孔材料，由于材料体内的胞孔特征，导致其能够通过压缩胞孔承受较大变形，并同时提供一定的约束反力，进而达到让压支护的效果。

2模型参数设置

2.1模拟假设与简化

数值模拟分析采用ABAQUS有限元数值模拟软件。为方便计算，对模型进行一定的简化与假设：①材料各向同性且均质。②围岩为完整的连续实体。③不考虑钢拱架与衬砌之间的缝隙，认为钢拱架与衬砌之间接触良好。

2.2材料本构模型与基本参数

本文主要就轻质吸能材料、背木及混凝土3种不同材料的支护效果进行对比。考虑到轻质吸能材料体积压缩率较高，能够产生较大塑性变形，因此模拟过程中选用ABAQUS材料库中能够较好的表现该种材料特性的可压缩泡沫-体积硬化模型［10］，而其他材料则简化为弹性本构模型或摩尔-库仑模型。各种材料的主要物理力学参数如表1所示。

2.3模型总体概况

1）力学单位制。采用国际标准单位制，长度为米（m），压强为帕（Pa）。

2）单元设置。衬砌、围岩采用实体单元（solid），钢拱架采用梁单元（beam）。

3）模型尺寸。结合现有研究成果和工程案例实际，巷道开挖后，距离巷道中线3倍洞径范围内，围岩应力场分布变化一般小于5 %，5倍时则仅有不到1 %。因此，一般根据巷道开挖断面尺寸，取3～5倍巷道断面尺寸进行模拟。

参考TB 10003—2016 《铁路隧道设计规范》中较差围岩条件下衬砌结构建议值及国内外典型复杂破碎围岩巷道衬砌结构组成及厚度，衬砌厚度（即取代背木的轻质吸能材料）可取0.3 m。

本次模拟过程中取巷道形状为直墙半圆拱形巷道，拱高1.5 m，墙高1.5 m，巷道宽度为3 m，巷道规格为3 m×3 m，考虑巷道开挖引起周围岩体扰动影响，取围岩边界尺寸为100 m×100 m，如图1所示。

4）边界条件。在数值计算时需要考虑地层构造应力的影响，其中侧向均布构造应力可表示为：

σ=kqv（1）

式中：σ为侧向均布构造应力（MPa）；k为侧压力系数，对應挤压等级，取值范围如表2所示；qv为垂直应力（MPa）。

某金矿巷道采深约为500 m，因此模型上表面岩层高度约为500 m，垂直方向取岩层自重压力，同时根据国内地应力调查情况，一般深度达到500 m左右，侧压力系数多为1.0～1.5，因此设置最大侧压力系数取1.0。计算时，约束围岩模型底部、前后及两侧的位移边界。其中，模型底面全约束，两侧及前后面仅约束相应方向的位移矢量。

5）监测点。在数值模拟过程中主要监测巷道拱底、拱肩、拱顶、底板的应力位移变化（如图2所示）。

3数值模拟结果及分析

3.1巷道围岩应力与位移对比

不同材质衬砌围岩应力与位移随应力释放关系如图3所示（其中，尾标1，2，3分别代表轻质吸能材料、C25混凝土和木材）。由图3可知，采用3种材料进行支护，围岩应力分布情况差异较小，对围岩位移的限制影响也较小。

但总体来说，采用C25混凝土对围岩的岩移控制效果要优于木材和轻质吸能材料。这是因为C25混凝土在模拟过程中设置为理想弹性材料，且其弹性模量远大于其他2种材料，可认为是类刚性支护，因此对岩移的限制效果要稍好于其他2种材料。此外，由图3也可以初步说明，围岩应力释放过程中的岩移力量较大，无论采取何种支护措施，巷道岩移都是不可避免的［11］。

3.2衬砌应力与位移对比

不同材质衬砌应力与位移随围岩应力释放关系如图4所示。由图4可知，随围岩应力逐步释放，衬砌上的应力逐步增加，不同材料的弹性模量不同，因此吸收岩移能量后的体现也不同。

弹性模量大的材料，如C25混凝土，刚度较大，吸收岩移能量后，变形较小，但内部残存应力较大，由于其强度和刚度较大，在钢拱架的约束下，拱顶内部呈现最大压应力，远小于其强度，可认为支护体系是安全的；弹性模量小的材料，如轻质吸能材料，刚度较小，吸收岩移能量后，变形较大，通过其内部结构中孔隙的坍塌、闭合导致的大变形来吸收岩移能量，因此其内部残余应力水平较低，一般不超过2 MPa。而在模拟过程中将木材视作C25混凝土刚性体和轻质吸能材料柔性体中间的一种刚柔并济的材料，其应力和位移分布的情况也满足上述规律。

因此，轻质吸能材料作衬砌结构时，除拱顶外，拱脚、拱肩外的围岩位移最小，因此可表明轻质吸能材料支护效果优于C25混凝土。

3.3钢拱架应力与位移对比

不同材料衬砌围岩应力释放终了时的钢拱架应力与位移分布情况如图5所示。钢拱架作为支护体系内的主要承载构件，应力分布由拱顶向拱脚逐渐传递。但是受其形状和结构特点，变形量最大处体现在拱肩部分。不同衬砌材料导致衬砌率先吸收岩移能量的多少不同，从而传递至钢拱架上的能量多少也不同。刚度大的材料吸收的能量少，传递至钢拱架上的能量就多，导致钢拱架应力较大，位移较大，更容易导致支护体系失稳和失效；而刚度小的材料由于缓冲和让压的天生优势，吸收的岩移能量更多，从而导致传递至钢拱架上的能量减少，钢拱架受力情况良好，更容易确保支护体系的稳定。

因此，轻质吸能材料让压缓冲支护材料对于岩移的能量吸收较好，变形较大，内部应力水平较低，采用轻质吸能材料让压缓冲支护材料后，传导到钢拱架上的应力明显得到改善，位移也显著降低。

4结论

通过对轻质吸能材料作为衬砌结构进行数值模拟研究，根据对不同材质衬砌支护后的巷道围岩、衬砌及钢拱架等支护体系的应力与位移分析，得到如下结论：

1）轻质吸能材料作衬砌结构时，除拱顶外，拱脚、拱肩外的围岩位移最小，因此可表明轻质吸能材料支护效果优于C25混凝土。

2）轻质吸能材料让压缓冲支护材料对于岩移的能量吸收较好，变形较大，内部应力水平较低。

3）采用轻质吸能材料让压缓冲支护材料后，传导到钢拱架上的应力明显得到改善，位移也显著降低。

综上，对比C25混凝土刚性材料，采用轻质吸能材料作为衬砌材料具有明显的吸能、让压效果，较为适用于复杂破碎巷道让压支护体系。

［参 考 文 献］

［1］马生徽，王文杰，马雄忠.深部高硫破碎矿岩巷联合锚杆支护技术研究［J］.采矿技术，2015，15（5）：23-26.

［2］范文涛，黄永庆，杨维涛.新城金矿深部破碎围岩回风巷的优化设计［J］.采矿技术，2015，15（2）：62-63，70.

［3］李杨，宋卫东，杜云龙，等.深部倾斜破碎金矿体高效开采技术研究［J］.金属矿山，2023（3）：29-35.

［4］周亚博，张杰，刘也，等.深部破碎巷道围岩支护作用与支护时机［J］.金属矿山，2022（6）：17-23.

［5］刘滨.下向水平进路充填采矿法在新城金矿深部厚大破碎矿体中的应用［J］.黄金，2022，43（5）：48-50，62.

［6］国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.金属非金属矿山安全规程：GB 1642—2020［S］.武漢：长江出版社，2020.

［7］侯俊，程文文，孙文敬，等.基于松动圈理论的破碎岩体锚杆支护参数确定及应用［J］.黄金，2019，40（7）：29-33.

［8］李冲，台连海.基于能量释放特征的强动压巷道高强柔性支护机理研究［J］.采矿与安全工程学报，2022，39（5）：930-939.

［9］董建华，徐斌，吴晓磊，等.隧道分级让压支护作用下围岩弹塑性变形全过程解析［J］.岩土力学，2022，43（8）：2 123-2 135.

［10］柳厚祥，郑智雄.高地应力软岩公路隧道泡沫混凝土卸压机理及支护结构研究［J］.中国公路学报，2016，29（11）：122-129.

［11］田全虎，和学衡，许卫军，等.深部巷道支护方案数值模拟优选及应用［J］.黄金，2023，44（2）：8-13.

Numerical simulation study on lightweight energy-absorbing materials used

in pressure relief support of underground mine tunnelsHou Jun1，Zhang Xiaorui1，Yi Guansheng2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：The support of complex and fractured surrounding rock tunnels is one of the challenges that should be dealt with urgently during the development process of deep gold resources.At present，mines often use joint support methods with steel arch frames and wood.However，due to the inflammable and  easily corrosible properties of wood，it is not applicable for permanent underground mine support.Therefore，based on the numerical simulation study，this paper proposes to use new type of support materials with lightweight energy-absorbing characteristics as the lining to replace the wood in the support of tunnels.The theoretical analysis shows that the new type of support materials has obvious energy absorption and pressure relief effects and is more suitable for the pressure relief support system for complex and fractured tunnels.

Keywords：lightweight energy-absorbing materials;lining;pressure relief support;tunnel support;numerical simulation