金川礦區深部巷道噴錨網支護參數研究

趙小平 白本祥 高創州 呂 軍 鄧 柯

(金川集團股份有限公司，甘肅金昌737104)

金川集團股份有限公司是我國的鎳生產基地，其下轄的龍首礦東部采場已回采至1 100 m中段，距地表垂直高度已超過600 m，隨著開采深度的增加，受采掘擾動影響，地壓活動明顯，應力狀態復雜，巷道變形嚴重，返修工程量增加，導致生產成本增加。鑒于上述問題，應該深入研究并優化金川礦區深部巷道的噴錨網支護參數，以此來提高深部巷道的噴錨網支護強度，避免巷道發生大變形，減少巷道返修次數，降低生產成本。

1 工程概況

龍首礦礦體賦存于超基性巖體中，圍巖主要為混合巖，其次是大理巖和片巖、片麻巖等。礦區巖石破碎，穩定性差，采用脈外開拓方式，無軌巷道設計凈斷面規格為4.6 m×4.3 m，1 100 m中段雙軌運輸巷道設計凈斷面達到4.8 m×4.1 m，距離地表垂直深度600～1 000 m。目前，局部巷道變形嚴重，返修頻繁，不但返修費用增加而且影響礦山的正常生產。

目前，深部脈外巷道一般采用雙層噴錨網支護，錨桿采用18 mm的螺紋鋼錨桿，長度2.25 m，網度1 m×1 m，梅花形布置，緊固端采用滾壓直螺紋，并配套相應的螺帽;墊板采用厚10 mm普通鋼板制作的蝶形墊板，墊板尺寸為200 mm×200 mm;金屬網采用6.5 mm鋼筋在地表根據施工需要焊接而成，施工中網片之間牢靠連接。混凝土強度等級為C20，雙層噴錨網支護厚度200 mm。巷道設計施工圖如圖1所示。但因深部巷道圍巖節理裂隙發育，地壓活動明顯，以前慣用的噴錨網支護參數已經不足以維持巷道的正常使用壽命，因此有必要在數值模擬的基礎上，探求更加合理的噴錨網支護參數。

圖1 運輸巷道設計施工示意Fig.1 Design and construction schematic diagram of haulage roadway

2 模型的建立

2.1 計算所采用的力學模型

在巖體的破壞分析模型中，三維有限元軟件提供了多種力學模型。經過大量的研究表明，對于巷道的變形破壞分析，莫爾庫倫塑性模型［1］更接近于客觀實際，該理論認為巖石的破壞是由剪應力引起，而且巖體所受的正應力與剪應力之間存在下列的函數關系:

式中，τ為巖體所受到的剪應力;σ為巖體所受到的法向應力，即正應力。

莫爾庫倫準則是一系列極限莫爾圓的包絡線。該本構模型表明，在莫爾應力圓到包絡線上及包絡線以外則巖體發生破壞，在包絡線以內巖體不發生破壞。

2.2 力學參數

通過參閱有關金川銅鎳礦工程地質與巖石力學性質的研究資料［2-4］，模擬研究中所采用的力學參數見表1。

表1 模擬計算所采用的參數Table 1 Parameters used in simulation

2.3 模型網格劃分

根據巷道的開挖斷面規格，并結合實際的巖石力學參數與選定的破壞理論準則，建立三維有限元模型［5］。巷道斷面為直墻半圓拱［6］，凈斷面規格4.8 m×4.1 m，雙層噴錨網支護。模型大小為10 m×65 m×60 m，即沿巷道中心線水平方向取10 m(y方向)，垂直巷道水平方向取65 m(x方向)，巷道垂直方向取60 m(z方向)，共生成節點18 546個，計算單元15 920個。模型網格劃分見圖2。

圖2 計算機模擬巷道網格劃分Fig.2 Model diagram of roadway simulation

根據實測結果［4，7-9］，金川礦區地應力以水平應力為主，目前龍首礦開采深度已達600 m以上，因此，水平應力為18.86 MPa，垂直應力為14.17 MPa。根據龍首礦巖石應力分布特征設置模型邊界條件。對模型四周邊界節點的x、y、z方向分別設置約束，相當于固定支座約束，在圍巖與混凝土間建立接觸面，并進行固定約束，并對錨桿端部施加預應力。

3 計算結果分析

3.1 計算方案

根據巷道支護方案，以最大限度節省材料為原則，分別按照1.8 m、2.25 m、3 m 3種錨桿長度和0.75 m ×1.0 m、1.0 m ×1.0 m、1.5 m ×1.0 m 、1.5 m×2.0 m 4種安裝網度以及200 mm的混凝土噴射厚度，選擇12種組合方案進行模擬計算。

3.2 計算結果分析

結合現場施工順序，12種組合模型的數值計算結果見表2。

從模擬計算結果來看，12種支護方案中，方案4的最大壓應力為32.45 MPa，最大拉應力為9.12 MPa，此方案巷道壁承受的應力最大;方案9中最大壓應力為18 MPa，最大拉應力為7.47 MPa，此方案為12種方案中巷道壁承載的應力最小。而且從計算結果可以看出，當錨桿安設網度相同的情況下，錨桿長度越長巷道壁承受的應力值越小;當錨桿長度相同的情況下，安設網度越小，巷道壁承載的應力越小。但從數值模擬云圖分布結果可以看出，方案11可使巷道壁應力與位移分布均勻，而且在技術上可行、經濟上比較合理，因此，該方案為模擬計算最優方案，即錨桿長度采用3 m、安設網度采用1.5 m×1.0 m、噴射混凝土厚度為200 mm是金川礦區深部巷道噴錨網支護合理方案。方案11的數值模擬計算云圖分布如圖3所示。

表2 各種支護方案數值模擬參數統計Table 2 Statistics of numerical simulation parameters of all supports

4 工程應用

圖3 方案11的數值分析云圖Fig.3 Numerical analysis contours of scheme 11

龍首礦現有井下主要巷道總長達78 km(不包括在建工程)，其中1 100 m中段運輸巷道承擔著東中采區礦石以及基建施工中的廢石運輸任務，因此人員、車輛流動量大，運輸任務繁重。在1 100 m中段有200 m的雙軌運輸巷道，設計凈斷面規格為4.8 m×4.1 m(寬×高)，因該段巷道設計服務年限長，加之地壓大、巖石節理裂隙發育、流變特性強等特點，致使巷道收斂變形嚴重，車輛安全間距不夠，直接影響著1 100 m中段礦石及毛石的運輸作業，同時也存在安全隱患。因此，為了保證1 100 m中段運輸系統安全平穩運行，曾多次對該段巷道進行返修，但由于特殊的地質條件和復雜的巖體力學特性，致使以前慣用的噴錨網參數已經很難奏效，最終陷入“壞了再修、修了再壞”的死循環。

綜上所述，該段巷道所處的地質條件和巖石特性基本代表了金川礦區深部巷道支護的客觀不利條件，因此將本次模擬研究的結果應用在該段巷道的支護中，不但可以有效的提高1 100 m中段運輸巷道的抗地壓能力，延緩巷道收斂變形、減少返修次數，同時也驗證了本次模擬研究結果在金川礦區深部巷道支護中的可行性。對1 100 m中段雙軌運輸巷道噴錨網支護參數改進前后的效果進行分析，見表3。

表3 1 100 m中段雙軌運輸巷道噴錨網支護參數改進前后支護效果對照Table 3 Comparison before and after spray-anchor-net support parameters improved in double-rail transportation roadway of 1 100 m level

經過對1 100 m中段雙軌運輸巷道噴錨網支護參數改進前后的效果對比，可以看出，采用模擬研究得出的噴錨網支護參數后，巷道抗地壓能力明顯增強，收斂變形減緩，同時巷道壁受力較均勻，巷道斷面形狀規格保持較好，應力集中減弱，從而較好的維持了支護混凝土體的完整性。

以上結果表明，采用模擬研究得出的噴錨網支護參數對金川礦區深部巷道的支護具有較好的改善效果，見圖4所示。

圖4 巷道改進前后支護效果對比Fig.4 Comparison of supporting effects before and after roadway improved

5 結論

(1)通過數值模擬研究，驗證了目前金川礦區深部巷道噴錨網支護參數的可行性，為后續研究指明了方向。

(2)從數值模擬研究結果可以看出，金川礦區深部巷道底板變形現象明顯，因此今后在深部巷道的支護研究中還應該重點探究經濟、合理的巷道底板的封底加固措施。

(3)通過12種方案的分析比較，采用方案11可以使巷道壁應力與位移相對較小，同時又分布均勻，因此可以有效的提高巷道的穩定性。故金川礦區深部巷道噴錨網支護的經濟合理參數為:錨桿長度3 m、安設網度1.5 m×1.0 m、噴射混凝土厚度為200 mm。

(4)通過實踐驗證，模擬研究得出的噴錨網支護參數對提高金川礦區深部巷道的穩定性具有比較明顯的效果，可在深部巷道的支護中采納并不斷改進。

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