深部大断面硐室开挖顺序及支护参数优化

摘要：为解决深部大断面硐室开挖稳定性问题，采用数值模拟的方式开展深部大断面硐室开挖顺序及支护参数优化研究。建立了大断面硐室分布开挖模型，依据“先顶后帮”“先帮后顶”“帮顶同掘”的原则并参照工程现场中综掘机截割方式，设计16种模拟开挖方案。分别针对5种不同支护类型进行效果分析，并依据模拟结果对支护参数进行优化。结果表明：综合考虑塑性区变化、围岩收敛及开挖器具等因素，认为采用“先顶后帮”的断面开挖方式具有较小的扰动，并确认了最佳的开挖顺序。锚杆锚索和混凝土砌碹可以有效增加硐室的稳定性和承载能力，但硐室帮部、中间部位及底板中间部位仍存在变形，需要适当提高锚杆锚索的支护密度，并辅以注浆加强。

关键词：深部开采；大断面；硐室；稳定性；数值模拟；开挖顺序；支护

中图分类号：TD354文章编号：1001-1277（2025）01-0075-07

文献标志码：A doi：10.11792/hj20250112

引言

目前，各大矿山都已基本完成浅部资源开采进而转入深部开采3。深部开采将成为金属矿产资源开发的必然趋势，向地球深部进军，着力推动采矿行业智能化改造升级，开展深部智能化开采技术研究具有重要的战略意义④。深部开采相较于浅部开采，地应力较大、应力场复杂多变，围岩出现脆性向延性转变及流变和扩容特征等现象⑧～，加之强采动影响下所导致的次生破碎岩体开挖条件，导致深埋大断面硐室群围岩控制难度增大、支护成本剧增，因此为实现深部矿产资源的安全开采，保证深部大断面硐室施工及围岩稳定性控制成为亟须解决的问题。

深部硐室工程具有以下特点：①硐室断面尺寸大，断面高宽比不均，硐室群暴露空间大；②硐室群空间结构复杂，可划分为空间密集交错型和平面展开布局型两类典型布局形式；③硐室埋深大，工程稳定性受深部高地应力及破碎岩体工程地质条件影响；④硐室巷硐集中，各子工程开挖次序复杂，大断面硐室开挖分步工程较多，后掘工程施工对先掘工程损伤扰动大；⑤硐室服务周期长，受高原岩应力、采动应力及井下作业扰动等耦合作用影响，巷硐支护要求高12—15

为解决深部大断面硐室开挖稳定性问题，本研究采用数值模拟的方式开展深部大断面硐室开挖顺序优化研究，并在此研究基础上提出支护优化建议，这对确保深部资源开发具有重要意义。

1岩体力学参数

岩体力学参数是数值模拟的基础数据，参数准确性越高，模拟结果可靠性越强6。甘肃某矿山岩体及锚杆锚索力学参数如表1、表2所示。岩体采用Mohr—Coulomb 本构模型，数值计算遵循软件默认的收敛标准并计算至完全平衡（不平衡力收敛比率小于10～3）。在模型四周及顶底部固定，根据矿山实测地应力数值进行设置，其中，垂直应力σ取30MPa，水平应力σ取30MPa、σ，取50MPa。

2 Flac3D数值模拟方案设计

2.1断面开挖顺序优化

硐室群中各硐室普遍是较大断面硐室，而且处于地下数千米深，一般采用分布开挖，然而不同分布开挖顺序将对硐室围岩稳定性带来不同程度的影响。因此，将硐室分8步进行开挖（如图1所示）。依据“先顶后帮”“先帮后顶”“帮顶同掘”的原则并参照工程现场中综掘机截割方式，设计了16种开挖方案。采用Flac3软件对硐室开挖顺序进行模拟，模型整体长×宽为27m×90m，高为120m，硐室尺寸为9m×12.4m，该模型包括174243个节点、939970个单元、9个群组。硐室开挖顺序优化数值模型如图2所示。

2.2支护参数优化

为研究不同硐室围岩支护形式的效果和承载结构对硐室稳定性的影响，待断面开挖顺序优化完毕后，在开挖模型的基础上进行支护参数的优化模拟。本文共设置5种初始支护方案，分别如表3所示，无支护的方案为对照组。锚杆支护采用φ32 mm×6 mm的无缝钢管，间排距为2 m×2m，注浆材料采用单水泥浆液，其水灰比为0.65～0.80。锚索支护采用规格为φ15.2 mm×10000 mm的精轧螺纹钢筋锚索，以M25砂浆全长锚固，网度为1.9m×1.9m，垫板规格采用δ=15 mm、S=300 mm×300 mm。混凝土砌碹支护采用厚度为600 mm的混凝土砌块，其强度等级为C40，钢筋混凝土保护层厚度为50 mm。Cable结构单元和Liner结构单元分别用来模拟锚杆锚索支护和混凝土砌碹支护[18]。根据初始设计要求，顶板和帮部安装了14排锚杆和锚索，共计420根，锚杆和锚索的力学参数如表2所示。混凝土砌碹厚度设定为0.6 m。支护模拟的具体实现过程如图3所示。

3结果及分析

3.1开挖顺序优化结果及分析

通过模拟计算平衡，得到各方案的塑性区破坏情况，如图4所示。从图4可以看出：不同的开挖顺序必然会对硐室围岩产生不同的扰动影响，最终表现为塑性区发育范围与围岩收敛量存在显著区别。各开挖方案数值计算结束后硐室围岩塑性区总面积与收敛量的变化曲线如图5所示。从图5可以看出：①在同等条件下，方案6的两帮收敛量最小，方案3的顶底收敛量最小；②两帮收敛量都远高于顶底收敛量；③方案8开挖时是塑性区总面积最小的方案。

通过前述分析可知，塑性区总面积与围岩收敛量的最小值均属于不同方案，为确定硐室的最佳开挖方式，仍以围岩稳定性评价系数作为评价指标，将方案1中的两帮收敛量、顶底收敛量和塑性区总面积作为参照量。各方案的围岩稳定性评价系数如图6所示。从图6可以看出：方案3的稳定性评价系数最小，其次是方案2，其余均较高。从可行性角度分析方案2、方案3均可选择，但根据矿山要求、凿岩开挖器具及开挖进度，选择方案2作为开挖的最佳方案较为合理。

3.2支护参数优化分析

不同支护形式下围岩的位移分布云图如图7所示。从图7可以看出：当没有任何支护时，硐室的两帮收敛量达到了7.7 cm，顶底板收敛量为5.6 cm。只选择锚杆进行单独支护，两帮收敛量为7.6 cm，而顶底板收敛量则为5.5 cm。单独的锚索支护，顶底板及两帮的收敛量值略低于锚杆支护，由于锚索的长度及抗拉强度更高，因此锚索支护效果略胜于锚杆支护。锚杆锚索与围岩之间的相互接触会产生挤压摩擦，二者的作用机理类似。混凝土砌碹支护极大地提高了硐室的稳定性，围岩两帮的收敛量缩短至5.6 cm，而顶底板收敛量也减少至3.4 cm，其他部分的变形也变小了许多。这表明，混凝土砌碹支护对围岩的支护效果远远优于锚杆锚索单独支护。当采用3种支护方式进行联合支护时，硐室两帮及顶底板的收敛量相对混凝土砌碹支护来说也得到了小幅度降低，这意味着三者联合支护对井下超大断面硐室变形破坏的控制效果要优于混凝土砌碹单独支护。

不同支护形式下大断面硐室围岩的塑性变形云图如图8所示。从图8可以看出：由方案1到方案5进行支护时硐室周边塑性区范围显著减小，而硐室的稳定性得到了显著提高。当硐室没有任何支护时，硐室周边塑性区分布范围较大，破坏主要集中在顶部及帮部。而单独采用锚杆锚索支护时，硐室周边的塑性破坏范围几乎相同，这表明锚杆锚索对硐室支护效果不够明显。然而，采用混凝土砌碹单独支护后，破坏面积明显减少，硐室的稳定性得到了显著提高。采用3种支护方式联合支护后，围岩的塑性区达到最小值，硐室更加稳定。综合来看，联合使用锚杆锚索和混凝土砌碹的支护方式是一种更为优秀的方案，可有效提高井下超大断面硐室的稳定性和安全性。

锚杆锚索联合支护变形特征如图9所示。从图9可以看出：联合支护下，锚杆锚索x方向上最大位移量约为20 mm，集中于硐室两帮，而拱顶位移变化较小；z方向位移变化较大的部位分布在硐室顶板及直墙脚底，最大位移量可达7.9 mm。这主要是由于硐室开挖后，直墙处产生了较大的临空面，出现应力松弛效应，硐室围岩失去支撑，于是逐渐向内收敛。当硐室进行支护时，由于围岩与锚杆锚索及水泥浆之间相互作用，产生了摩擦和挤拉[19]。这种对称结构下的作用，也反映在锚固水泥浆的应力云图中，呈现对称分布的特点。在衬砌固定后，锚杆锚索垫板附近受到了较大的压力，导致应力集中的出现。与此同时，锚杆锚索的尾端则出现了拉力状态。通过观察锚杆锚索单元的塑性分布特征可以发现，在支护过程中，锚杆锚索单元并没有发生塑性屈服现象。这表明支护措施起到了很好的作用，稳定了硐室结构，提高了围岩的稳定性和抗压能力。

砌碹支护位移云图如图10所示。从图10可以看出：在水平方向上，硐室围岩受到了近乎相同的挤压力，因此变形量也接近。在垂直方向上，由于底部未进行支护，所以围岩的位移量比拱顶多出了两倍多。此外，混凝土砌碹支护还可以提高硐室的承载能力，从而减少围岩破坏的风险。因此，在硐室设计中，混凝土砌碹支护是一种十分重要的围岩支护形式。

由上述分析可知，大断面硐室支护需要采用多种支护形式来确保其稳定性和安全性。联合支护可以有效增加硐室的稳定性和承载能力。尽管该支护方案已经取得了一定的效果，但是从变形破坏情况来看，硐室两帮中间部位仍然是硐室变形的主要部位，变形量约为5.6 cm，底板中央部位的变形量也达到了3.4 cm。这表明该方案还需要进一步优化改善。

3.3支护方案改进

前述模拟结果表明，在不同的支护参数下，硐室帮部、中间部位及底板中间部位仍有一定变形量，因此，对初始支护方案进行改进：首先，适当提高锚杆锚索的支护密度；其次，针对变形部位进行注浆补强。在锚杆锚索与混凝土砌碹联合支护方案中，将锚索数量增加至270根，并增加锚杆的数量和长度，其中长3m的锚杆共336根、长4.5 m的锚杆共168根。锚杆锚索支护改进方案平面布置如图11所示。通过模拟计算和对比分析，发现改进后的支护方案，不仅使得围岩受力分布更加均匀，而且具有很好的承载能力和稳定性，同时增强了支护效果。

4结论

1）建立了大断面硐室分布开挖模型，依据“先顶后帮”“先帮后顶”“帮顶同掘”的原则并参照工程现场中综掘机截割方式，设计16种模拟开挖方案。模拟结果表明，采用“先顶后帮”的断面开挖方式具有较小的扰动，并确认了最佳的开挖顺序。

2）模拟结果表明：采用锚杆锚索与混凝土砌碹联合支护方式可以更好地控制深部大断面硐室的变形和破坏，相较于混凝土砌碹单独支护方式，联合支护的效果更佳。

3）在锚杆锚索与混凝土砌碹联合支护方案中，硐室帮部、中间部位及底板中间部位仍有一定变形量。因此，将锚索数量增加至270根，并增加锚杆的数量和长度，其中，长3m的锚杆共336根、长4.5m的锚杆共168根。改进后的支护方案，不仅使得围岩受力分布更加均匀，而且具有很好的承载能力和稳定性，同时增强了支护效果。

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Excavation sequence and support parameter optimization for large-section chambers in deep mining

Li Hongye'，Yang Yaping'，Luo Huanzhen'，Zhang Xizhi¹，Shi Ming'，Wang Gang'，Chen Xun²

（1.Mining Engineering Branch of Jinchuan Group Engineering Construction Co.，Ltd.;2.School of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Technology）

Abstract：To address the stability challenges when large-section chambers are excavated in deep mining，this study employed numerical simulations to investigate excavation sequences and optimize support parameters for large-section chambers.A distribution and excavation model for large-section chambers was established，and 16 excavation schemes were designed based on principles such as\"roof first，then walls\"\"walls first，then roof\"and\"simultaneous walls and roof\"as well as the cuting approach of integrated excavator on mine site.The study analyzed the effects of 5 different support types and optimized support parameters based on the simulation results.The findings indicate that the\"roof first，then walls\"excavation sequence results in minimal disturbances when considering factors like plastic zone changes，surrounding rock convergence，and excavation equipment.Bolts，cables，and concrete lining significantly enhance chamber stability and load-bearing capacity;however，deformation persists in the wall，middle，and middle areas of floors of the chamber.It is recommended to increase the density of bolts and cables and supplement with grouting for reinforcement.

Keywords：deep mining;large-section;chamber;stability;numerical simulation;excavation sequence;support