會(huì)理鋅礦電耙巷道斷面優(yōu)化研究

楊春林，賴 偉，尹賢剛

(1.四川會(huì)理鉛鋅股份有限公司， 四川 會(huì)理縣 615105；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

會(huì)理鋅礦采用有底柱階段強(qiáng)制崩落采礦法進(jìn)行開(kāi)采，電耙道由于礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，礦巖不穩(wěn)固，進(jìn)入八中段開(kāi)采以來(lái)，隨開(kāi)采深度的增加，采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)更為明顯，電耙道維護(hù)問(wèn)題更為突出，絕大部分采場(chǎng)電耙道在出礦過(guò)程中受采動(dòng)應(yīng)力以及二次爆破的影響逐漸變形縮小破壞，甚至難以繼續(xù)出礦，最后不得不重新對(duì)電耙道進(jìn)行擴(kuò)幫升棚和混凝土澆注。一般電耙道都需要3次左右擴(kuò)幫升棚和澆筑整修，多的甚至5次澆注整修，嚴(yán)重影響礦山正常生產(chǎn)，同時(shí)，由于出礦漏斗形礦柱破壞，所有的擴(kuò)幫升棚以及澆注均在松散巖石中進(jìn)行，也存在著巨大的安全隱患。為了提高巷道的穩(wěn)定性，對(duì)電耙巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化研究。

由于巷道的斷面形狀是影響巷道穩(wěn)定性的重要因素之一，研究從優(yōu)化電耙巷道的斷面形狀入手，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)電耙巷道采用三心拱和半圓拱形狀進(jìn)行了力學(xué)分析比較[1-3]，分析結(jié)果表明半圓拱巷道受力狀況較三心拱好，所以修改開(kāi)挖設(shè)計(jì)，用半圓拱取代了目前使用的三心拱。

1 巖體力學(xué)參數(shù)及數(shù)值模型

電耙巷道主要布置在鉛鋅礦體內(nèi)，圍巖主要為白云巖和輝綠巖。數(shù)值計(jì)算時(shí)的巖體力學(xué)依據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的成果，研究采用Hoek & Brown方法進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算(見(jiàn)表1)[4]。

表1 會(huì)理鋅礦巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模型上邊界至巷道的距離為巷道高度10倍，下邊界為巷道高度的8倍，左右為巷道寬度的10倍，模型頂部施加自重荷載，模型兩側(cè)固定垂直方向位移，模型底部固定水平位移和垂直位移。

2 巷道斷面優(yōu)化研究

計(jì)算采用的Phase2軟件是一個(gè)專門模擬地下巖體開(kāi)挖工程的應(yīng)力及應(yīng)變的二維有限元軟件。與其它三維軟件比較，該軟件具有建模簡(jiǎn)單、網(wǎng)格劃分容易和后處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。可用于包括脆弱巖石的復(fù)雜隧道支護(hù)問(wèn)題、地下發(fā)電站洞室開(kāi)挖與支護(hù)、采礦與充填、邊坡開(kāi)挖模擬等問(wèn)題的分析，尤其在模擬地下洞室開(kāi)挖時(shí)優(yōu)勢(shì)突出。在進(jìn)行分析時(shí)的載荷按程序自動(dòng)分級(jí)施加，解方程時(shí)用Gaussian消除法求解，最大重復(fù)次數(shù)為500次，累計(jì)誤差為0.1。采用最大拉應(yīng)力判據(jù)，結(jié)合Mohr-Coulumb屈服準(zhǔn)則來(lái)確定礦體開(kāi)挖的應(yīng)力、位移、可能出現(xiàn)的破壞范圍等，以此來(lái)判定不同斷面形狀巷道的受力狀況。

采用計(jì)算的巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)會(huì)理鋅礦電耙道斷面形狀及支護(hù)形式進(jìn)行了分析研究，通過(guò)數(shù)值分析比較同等應(yīng)力條件下應(yīng)力及破壞區(qū)域(見(jiàn)圖1～圖4)，半圓拱應(yīng)力集中程度小，而三心拱則正好相反，特別是拱角處，應(yīng)力集中程度大，不利于巷道的穩(wěn)定。所以電耙道斷面，半圓拱的受力效果明顯優(yōu)于三心拱，故建議修改巷道開(kāi)挖設(shè)計(jì)，用半圓拱取代目前使用的三心拱[5-6]。

確定巷道斷面后，對(duì)支護(hù)后電耙道穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，巷道開(kāi)挖后首先噴混凝土2 cm，后掛錨桿(φ43 mm管縫式錨桿)，錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，錨桿網(wǎng)度60 cm×60 cm，掛錨桿的同時(shí)掛金屬網(wǎng)(φ6 mm鋼筋，網(wǎng)格30 cm×30 cm)，此后再噴3 cm混凝土覆蓋錨網(wǎng)。上述工作完成后再整體澆筑鋼筋混凝土300 mm，澆筑過(guò)程中注意接頂。設(shè)計(jì)好斷面尺寸后，同時(shí)模擬開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)束后，拱頂位移僅1.5 cm(見(jiàn)圖5)，而拱頂垂直方向的應(yīng)力也僅0.1 MPa(見(jiàn)圖6)，拱頂是可以保持穩(wěn)定的。

采用優(yōu)化后的巷道斷面形狀和支護(hù)措施在采場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，從電耙道使用效果和穩(wěn)定性來(lái)看，巷道沒(méi)有發(fā)生較大破損，受力情況比以前有明顯改善，證明電耙道結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化成果具有良好的作用。

圖1半圓拱破壞區(qū)域圖2三心拱破壞區(qū)域

圖3 半圓拱應(yīng)力分布 圖4 三心拱應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)會(huì)理鋅礦電耙道采用三心拱和半圓拱斷面進(jìn)行了受力分析研究，表明在會(huì)理鋅礦采用半圓拱巷道力學(xué)狀況更好，有利于提高巷道的穩(wěn)定性。特別是節(jié)理裂隙發(fā)育的不穩(wěn)固巖體內(nèi)，地壓較大的礦山，半圓拱具有較大的優(yōu)勢(shì)，拱頂不易開(kāi)裂，應(yīng)力集中度小，更有利于應(yīng)力的傳遞。

圖5支護(hù)計(jì)算位移圖6支護(hù)計(jì)算垂直方向應(yīng)力

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