自然崩落法底部结构破碎区域钢拱架支护分析与研究

王 欢 朱俊宁 杨云强

（金诚信矿业管理股份有限公司）

自然崩落法生产能力大，作业安全，开采成本低，已在美国、加拿大、南非、澳大利亚等多个国家得到广泛应用［1-2］。但适用于该方法的矿山其矿体节理裂隙较发育，为底部结构稳定性埋下隐患。自然崩落法底部结构稳定性以及稳定时间决定了出矿数量，而发育的断层、应力集中、放矿扰动等易对其造成影响。国内外学者已对底部结构稳定性、大变形巷道支护进行过研究，我国学者通过研究在不同拱架直径工况下卡缆螺栓预紧力、拱架直径变化以及偏载对拱架承载能力及稳定性的影响，H型钢拱架支护隧道围岩变形、支护构件受力变化规律，直墙半圆拱形钢管混凝土支架与U型钢支架力学性能对比实验等，对不同强度等级围岩、不同开挖方法下软弱围岩控制机制提出了有效的支护方式［3-5］。国外学者通过对收敛约束法的支护方法、拱架变形特征曲线等研究发现，钢管混凝土支架作为一种新的支护架型，具有支护能力强且施工安装简单等优点［6］。

普朗铜矿3 720 m水平底部结构受损严重，其破坏区域（S3-S5出矿穿脉）以成片形式发生支护体破坏、顶板沉降及垮塌。地压造成48个出矿进路关闭，严重影响矿山经济，已先后采用锚网喷+围岩注浆，钢条带+喷混凝土，钢板+长锚索浇筑，钢管混凝土柱+长锚索等支护方式进行处理，但效果不理想。因此，必须寻求有效的支护方式。

1 底部结构稳定性分析

底部结构稳定性影响因素众多，分析其变形因素来自断层破碎带、拉底爆破、次生应力场等。断层及影响区域本身岩体破碎、拉底、膨胀、应力叠加造成的应力重新分布和集中现象是断层下底部结构难以稳定的主要原因，且发生破坏的地段为多条断层的交汇、近距离地带，应力分布更加复杂。根据现场破坏情况，分析底部结构破坏主要影响因素如下。

（1）发育的断层及影响区域岩体破碎。变形区常出现断裂，且节理裂缝比较发育，围岩稳定性较差。首采区南部是多断裂交错区域，岩体整体断裂，但稳定性并不好。断层相互交错，导致矿体崩落朝着软弱夹层，特别是断层部位持续发展，地表塌陷位置发生偏移，相应矿体错断。

（2）应力集中。拉底推进线附近（前后20 m）巷道开挖后围岩承受的高应力突出，在拉底推进线附近，围岩承受的应力尤为突出，通常在底部结构表现出混凝土开裂现象。断层的错断导致地应力在通过断层时被割断，即在周围形成应力集中，断层和巷道双重产生的次生应力场相互叠加，作用于巷道、硐室等周围，形成压力、拉底和剪切力的重合作用，对底部结构产生威胁。

（3）放矿对底部结构稳定性的影响。底部结构得到充分泄压的前提条件是各出矿口上部形成的放矿椭球体及影响区域相交，特别是在穿脉上部的桃形体相交。因放矿椭球体直径决定的椭圆形影响区域的面积受椭球体直径制约，在底部结构间距不变的情况下，放矿椭球体不能在穿脉相交，则可能在矿柱上部形成脊柱，形成长期的脊柱压力，从而增加顶板压力。

（4）其他影响因素有出矿扰动、涌水、突泥等。自然崩落法核心是放矿，持续出矿导致采场应力处于变化状态，造成对底部结构处于不稳定的环境，影响底部结构稳定性。地表水或降雨穿过断层渗入井下，岩石中含碳、钙等化合物与水反应融合，软化矿岩，降低底部结构承载力。雨季期间雨水带着泥土通过岩石裂缝、出矿坑汇入井下，一方面对铲运机出矿造成威胁，另一方面未放出的泥浆长时间保留在裂缝中，凝固后遇水膨胀，对围岩稳定性造成影响。

2 钢拱架破坏力学分析

2.1 U型钢拱架承载力分析

U型钢拱架具有增阻速度快、可缩让压、安装方便、适应性广、可多次复用等优点，因此经常被用于深部软弱巷道支护［7］。U型钢拱架通过提供被动的径向支护力，直接作用于巷道围岩表面，来平衡围岩的变形压力，约束巷道变形。在自然崩落采矿法中，岩石的可崩性与底部结构的稳定性相矛盾，保证岩石的可崩性时底部结构的稳定性难以保证，因此底部结构巷道容易发生变形破坏。在不影响出矿情况下，允许巷道存在一定程度的变形，因此U型钢拱架的可伸缩性得到体现［8］。

将U型钢拱架简化为铰拱模型（图1）［3］，其拱半径为R1，墙高为h，拱架宽L，计算模型从拱、腿连接位置开始起拱，拱腿载荷分别为q1，q2，q3。假设支架受均布载荷作用，拱腿部分的均布载荷为q1、q3，拱部的均布载荷为q2。拱脚约束力为F1、N1，F3、N3，连接部位约束力为F2、N2。

假设拱架受均布荷载，取拱腿分析可得拱腿脚的垂直支反力为

对于拱顶任意截面，其弯矩M、剪力Q、轴力T分别为

式中，R1为拱架半径，m；θ为极坐标角度，（°）；ϕ1、ϕ2分别为起始角、圆心角，（°）。

由图2可知：

式中，a为侧壁稳定时的平衡拱跨度，m；a1为自然平衡拱的最大跨度，m；b为自然平衡拱的最大高度，m；b1为顶板岩层的最大破坏深度，m；c为两帮的最大破坏深度，m；f为岩石的坚固定系数；γ为容重，kN/m3。

现场岩石的坚固性系数f=6～8，铜矿的内摩擦角φ=27.8°，γ取值为26.8 kN/m3；支架拱腿高度h=2.3 m，宽度L=4.2 m，支架拱形半径a=R1=2.1 m；侧压系数λ=1.2，起始角ϕ1=14°，圆心角ϕ2=152°。支架的截面面积A=36.92 cm2，抗弯截面系数Wx=92.3 cm4，屈服强度极限［σ］=400 MPa。

代入数据计算得b=0.3 m，c=1.38 m，a1=3.48 m；q2max=15.54 kN/m，q1max=λq2max=18.65 kN/m；N=N1=33.48 kN，F=F1=32.63 kN，Mmax=-16.59 kN·m，Qmax=19.22 kN，Tmax=48.29 kN；则拱部的屈服强度σmax=

由计算结果可知，拱部的屈服强度校核大于U29型钢支架的屈服强度极限［σ］=400 MPa，围岩对支架的拱部应力使其薄弱位置发生变形破坏，从现场观察来看，容易发生破坏的位置主要是卡槽连接位置以及起拱应力集中部位。

2.2 钢管混凝土拱架承载力分析

钢管混凝土拱架的作用机理是混凝土在钢管包裹下受到压力时产生横向膨胀变形，变形过大时，钢管壁将对混凝土产生约束；围压下的混凝土轴向力与围压同时施加，围岩恒定后继续增加轴压，直到混凝土变形屈服［4］。

取拱架顶部受力部分，假设拱架处于理论状态下，即拱架圆弧部分受均布径向荷载，内力中仅有轴向力，弯曲效应用偏心系数反应，建立钢管混凝土拱架计算模型见图3。

钢管屈服符合Mises屈服准则，可得构件支护反力

经计算，得

式中，Nu为轴向支撑力，kN，可由试验结果得到；s为拱架排距，m；σ为径向支护反力，kN；ϕ1为长细比折减系数；ϕf为偏心率对承载力影响的折减系数；ϕ为圆弧拱稳定系数；N0为钢管混凝土短柱轴压承载力理论计算值，MPa。

当混凝土屈服破坏时，其承载力作为钢管混凝土的极限承载力，因此，以钢管和混凝土同时达到屈服点时的承载力为依据，计算公式为

随均布荷载向集中荷载变化，圆弧拱最大弯矩值不断增加，集中荷载下圆弧拱变形类似曲梁，采用危险截面法计算钢管混土圆弧拱构件的抗弯承载力，计算公式：

式中，k1为圆弧拱修正系数，根据经验取1.8；R2，r为钢管拱架内外半径，m；α0为中性轴偏移角度，（°）；fy2为底部钢管的屈服强度；d为底部钢管直径，m。

普朗铜矿采用钢管拱架为焊接钢管，钢管壁厚22 mm，fs=275 MPa，fc=42.5 MPa，钢管弹性阶段泊松比v=0.3，混凝土弹性阶段泊松比v=0.2，α0=56°，R=2.836 m，r=2.617 m，则有ϕ=0.25，α=1.38，β=6.14。将数值代入上式得Mu0=210.82 MPa。

2.3 H型钢拱架承载力分析

取H型钢拱架微元体作计算模型［9］，H型钢拱架的弯矩、轴力和剪力分别为M、N、Q，受力分析如图4所示。

将外力沿法线n、切线τ分解，对微元体进行受力分析可知，沿法线n可列出受力平衡方程为

沿切向τ可列出受力平衡方程为

对微元体形心取矩

式中，pn为沿法线n的正应力；pτ为沿切线的切应力。

将M，N采用位移的方式表示，引入对称边界条件、围岩压力P及围岩压力比k，P=q（x）+q（y），k=q（x）/q（y），可导出

可知q（x）=18.65 kN/m，q（y）=15.54 kN/m，R=3.84 m，则p=34.19 kN/m，k=1.2，θ=63°，将数值代入上式得M=40.32 MPa，N=-137.85 MPa，Q=9.57 MPa。

3种拱架力学性能见表1，根据3种拱架内力计算结果可知，U型拱架弯矩较小，抗剪不抗弯；钢管混凝土拱架的弯矩较大，轴应力较小；H型钢拱架剪应力较小。

3 钢拱架支护试验

针对S4、S5出矿穿脉破坏区域，选取试验地点。试验地点选取主要遵循2个要求：地质条件相同和破坏程度相同。S4、S5穿脉西沿被FⅡ断层带与FⅢ断层带切割，交汇在S4-S5-W9聚矿道，FⅡ-1断层和FⅢ-1断层基本关于FⅡ-2断层对称。S4-E7（S5-E5）以西至W18（S5-W17）区域，岩体为浅灰—灰白色的石英二长斑岩，呈弱风化，经定性测量岩体的普氏硬度系数f=3～4，属坚硬岩。该段巷道投入生产以来，其四周岩体所受地应力不再稳定；3 736 m水平以上不断崩落的矿块（尤其是大块矿石）对巷道四周岩体不断地冲击，使得原来闭合较好节理面又重新张开，其贯通性也不断变好；在此过程中，还可能产生大量的新裂隙，岩体完整性可能由较完整逐步变成了破碎—极度破碎。且该区域出矿口眉线破坏情况相似，均为出矿口收敛变形，拱架脱落。根据现场情况，选出破坏情况极为相似的出矿进路，分别为S4-E2、S4-E4、S4-E6，S5-W1、S4-E1、S4-E3。

支护形式为长锚索+钢拱架+浇灌，选用3种钢拱架，分别为U型钢拱架、钢管混凝土拱架和H型钢拱架。将3种拱架按对称线（FⅡ-2断层）分配这6个地点，制定试验方案见表2。

主要施工工艺为首先按照设计断面尺寸对出矿进路进行刷扩，刷扩断面要求尺寸偏大，便于拱架安装；标定拱架位置后施工固定锚杆，采用ϕ22 mm螺纹钢砂浆锚杆；根据标定位置安装钢拱架，用固定锚杆焊接，拱架结构见图5，拱架之间用14#槽钢连接成整体；最后用C25混凝土进行浇灌，浇灌厚度为100 mm。

4 工艺效果评价

按照试验方案施工钢拱架，并对试验出矿口进行观测。根据现场支护效果可知，U型钢拱架出矿口出现混凝土开裂，但拱架完好；钢管拱架出矿口未出现变化；H型钢拱架出矿口混凝土开裂，支撑腿弯曲变形。

在S4-E2、E4、E6，S5-W1、E1、E3出矿进路支护完成后布置沉降观测点和收敛变形观测点，进行初始测量，随后定期进行变形监测，测量数据见表3。

出矿口拱架变形最大的是U型钢拱架，破坏最严重的是H型钢拱架，较稳定的是钢管混凝土拱架。根据底鼓量可知，钢管混凝土拱架对底板保护较好，原因是该拱架设置了底梁，有效防止了底鼓；U型钢拱架虽然也有底撑，对底板也起到一定作用。

5 结论及建议

（1）普朗铜矿断层及影响区域本身岩体破碎，拉底、膨胀、应力叠加造成的应力重新分布和集中现象是断层下底部结构难以稳定的主要诱因。

（2）U型钢拱架通过径向支护力来平衡围岩的变形压力；钢管混凝土拱架通过混凝土膨胀产生侧压力约束；H型钢拱架通过自身刚性结构来平衡围岩的变形压力。3种拱架受力点不同，提供承载力不同。

（3）对比另外2种拱架可知，钢管混凝土轴向抗压强度高，抗弯、抗剪强度低，容易发生抗拉破坏。

（4）矿口拱架变形最大的是U型钢拱架，破坏最严重的是H型钢拱架，较稳定的是钢管混凝土拱架。

（5）根据底鼓量可知，钢管混凝土拱架对底板保护较好，原因是该拱架设置了底梁，有效防止了底鼓；U型钢拱架也有底撑，对底板也起到一定作用。