深井軟巖巷道圍巖變形數值模擬及支護優化

王應帥，孟祥瑞，高召寧

(安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

采選技術

深井軟巖巷道圍巖變形數值模擬及支護優化

王應帥，孟祥瑞，高召寧

(安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

在淮南某礦-960m北翼C13底板軌道大巷圍巖的力學性質參數的實驗測試值以及現場圍巖變形觀測結果的基礎上，運用Flac3D軟件進行模擬計算，分析了該深井軟巖巷道圍巖的變形特性。模擬和監測表明：兩幫收縮和底臌是深井軟巖巷道圍巖的主要變形，其中巷道底板的有效控制是保證巷道圍巖穩定的關鍵。提出了以改進初次支護強度和增大底角錨桿角度、增加錨桿密度并配合全斷面注漿為主要技術特點的支護方案。現場實踐結果表明，該支護方案較適用于深井軟巖巷道。

深井；軟巖巷道；數值模擬；支護優化

軟巖巷道的有效支護是巷道支護的難題[1-3]。我國60%以上的煤炭資源埋深在800m以下，目前，我國煤礦開采深度平均以每年8～12m的速度增加，東部礦井正以每年10～25m的速度發展[4-6]。淮南某礦井開采深度接近1000m，巷道圍巖變形呈現軟巖特征，主要開拓及采準巷道支護困難。在原支護設計方案下，巷道的支護效果不理想，巷道變形嚴重，穩定性很差，平均1～2個月要進行返修一次，影響礦井的正常生產。對該礦-960m 北翼C13底板軌道大巷進行了觀測和巷道表面位移的監測，通過相關數據分析巷道圍巖變形的特性，并利用數值模擬軟件對原錨網索噴支護進行優化，提出了改進初次支護強度，加大底角錨桿角度、適當增加錨桿密度并在優化錨網索噴支護的基礎上全斷面注漿的支護方案。

1 巷道工程概況

-960m北翼C13底板軌道大巷埋深987m，巷道斷面為直墻半圓拱形，規格為寬×高=5.8m×4.7m。主要是采用錨網索噴聯合支護方式，其中錨桿為Φ22mm×2450mm左旋無縱筋等強螺紋鋼，錨桿間排距為800mm×800mm，采用矩形方式布置；網片是孔尺寸為100mm×100mm的金屬編織菱形網格，網片的規格為長×寬=1600mm×1200mm，錨索為Φ17.8mm×6500mm的鋼絞線,間排距為2400mm×2400mm，噴層厚度為100mm。所監測區段處巷道圍巖主要是砂質泥巖、泥巖和細砂巖，大部分圍巖巖性較為松散，穩定性較差，巖層存在破裂區。實驗室所測得的圍巖物理力學參數見表1。

2 巷道圍巖變形監測

使用JSS30A型數顯收斂計，在巷道左、右兩幫和頂、底板分別設置4個測點，觀測斷面按十字形法布置，在巷道圍巖表面4個測點處分別用鉆機鉆孔施工一個巷道表面收斂測點。選擇條件相近的巷道段依次布置3個監測站，對連續6個月的監測數據分析處理，巷道表面位移隨時間變化如圖1所示。

表1 圍巖主要物理力學參數

圖1 巷道變形監測圖

從現場監測結果來看，3個監測站兩幫變形與底臌量均大于頂板變形，兩幫收縮和底臌是巷道的主要變形。在巷道開挖早期，巷道圍巖表面收斂速率較大，接近6mm/d，經永久支護以后，收斂速率逐漸減小為0.5～0.8mm/d左右，圍巖穩定性雖得到了一定的控制，但變形仍未停止。這說明原有的支護方式是不理想的，需對支護方式進行改進，對相應的支護參數進行優化設計。

3 巷道圍巖變形數值模擬

為深入探究深井軟巖巷道圍巖變形特性，為相應的支護設計提供合適方案，運用Flac3D對-960m北翼C13底板軌道大巷在開挖無支護狀態和原錨網索噴支護下的圍巖破壞情況進行模擬。

根據已有經驗，所建立的模型長×高=52m×33m，共75480個單元，85324個節點。巷道形狀為直墻半圓拱形，其中直墻高1.8m，拱半徑為2.9m。邊界條件為：模型底面z方向位移為0，左右兩個面x方向位移為0，前后兩個面y方向位移為0；上表面為自由邊界，根據現場-960m水平砂巖中的主應力測量結果，模型上表面施加22MPa的豎直應力。對所模擬巷道拱頂中部、底板中部和左右兩幫中部單元節點位移進行監測。圍巖主要力學參數見表1，模擬結果如圖2和圖3所示。

圖2 應力分布云圖

圖3 塑性區分布圖

所模擬的巷道支護方案為：巷道頂部和兩幫采用Φ22mm×2450mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為0.8m×0.8m，錨桿鉆孔孔徑為Φ28mm，每孔采用兩卷Z2350型樹脂錨固劑，錨桿預緊力≥60kN。巷道底板打入底角錨桿，其角度為45°。錨索采用Φ17.8mm×6500mm鋼絞線，錨索鉆孔孔徑為Φ32mm，每孔采用四卷Z2850樹脂錨固劑，錨固長度1.93m，錨索預緊力≥100kN。噴層厚度為100mm，其中，初噴60mm，復噴40mm，噴層強度≥C20。

模擬結果表明：①從應力分布云圖看出，巷道開挖之后，應力重新分布，水平應力較豎直應力大，支護后與支護前相比，圍巖松動破裂區強度有所提高，但效果不是非常顯著；②從塑性區分布情況看出，塑性區主要集中在底板和兩幫，底板塑性區比拱頂和兩幫塑性區范圍要大，在經過支護以后，巷道塑性區范圍明顯縮小，拱頂和兩幫改變尤其明顯；③底角錨桿在一定程度上控制了底臌的現象，但底板仍存在較大范圍塑性區，可能是底角錨桿角度不合理導致的，仔細觀察可以看出塑性區主要集中在底板靠近底角的位置，據此推測適當增大底角錨桿的角度支護效果會更理想；④四個關鍵點位移監測表明，所模擬的結果與現場觀測結果一致，即兩幫收縮和底臌是巷道的主要變形，且兩幫變形量大于頂板下沉量，支護后的巷道表面變形得到一定的控制，總支護效果為30%；⑤高應力下，巷道圍巖破壞區域較大，在經過支護的情況下，巷道兩幫和底板仍存在較顯著塑性區，表明原有錨索網噴聯合支護已經不滿足深井破碎軟巖巷道的支護要求。

4 支護參數優化設計及實踐應用

基于現場調查觀測和數值模擬分析，結合該礦所觀測的巷道破壞的具體狀況，提出該礦深井軟巖巷道圍巖的優化控制方案，并在-960m水平水泵房通道進行相關的試驗。在理論分析與現場試驗結合的基礎上，指出深井大斷面巷道圍巖控制的關鍵是保證巷道底板的穩定，底角錨桿的角度應適當增大，錨桿密度適當增加。同時針對錨網噴支護將錨桿的長度適當減少，兩幫的錨桿密度適當增加并配合全斷面注漿。具體的支護參數和注漿參數見表2和表3。

表2 支護參數

表3 注漿參數

選用方案2為最終優化方案，考慮到圍巖巖性松散，已經產生破裂區，在錨網索噴聯合支護的基礎之上，對斷面進行注漿，其中對底板進行深、淺孔依次注漿，提高底板的穩定性。同時兩幫及拱頂采用深孔注漿。通過數值模擬可以知道，巷道圍巖塑性區范圍顯著減小，底板減小尤為明顯，應力向巷道深部集中的現象沒有發生，說明在底板注漿后，相當于增設了底板錨桿。新方案調整了噴層厚度和初噴、復噴時間間隔，初噴厚度增加至70mm，在打錨桿、錨索和掛網后復噴50mm。對新方案施工后的巷道進行了連續5個月的監測，其中底臌量不明顯，頂板最大下沉量為20mm，較原支護減少了82%；兩幫移近量為40mm，較原支護減少了78%。可見新方案取得了較為理想的支護效果。所監測的試驗巷道表面位移如圖4所示。

圖4 新支護方案巷道變形監測

5 結論

1) 深井軟巖巷道圍巖穩定性較差，不合理的支護形式將導致圍巖破裂區進一步增大，使巷道變形加劇，巷道開挖后應馬上初噴，在錨索網支護后及時復噴。

2)兩幫收縮和底臌是深井軟巖巷道圍巖的主要變形，可在支護時選用長度較短的高強度錨桿，增大底角錨桿角度并適當增加錨桿密度。

3)深井軟巖巷道圍巖控制的關鍵是保證巷道底板的穩定，在優化底角錨桿的同時，進行底板深、淺孔依次注漿，進一步增強底板穩定性。

4)高應力下，且巷道圍巖巖性較為松散時，原有的錨索網噴支護已不滿足深井軟巖巷道圍巖的支護要求，可在改進原支護的基礎上增加全斷面注漿的方式，增強圍巖穩定性。

[1] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計與施工指南 [M].北京：科學出版社，2004.

[2] 高召寧，孟祥瑞.深井高應力軟巖巷道圍巖變形破壞及支護對策 [J].中國煤炭，2007(1):8-11.

[3] 李 剛，梁冰，張國華.高應力軟巖巷道變形特征及其支護參數設計 [J].采礦與安全工程學報，2009(2):183-186.

[4] 朱杰，汪仁和，林斌.深埋巷道圍巖多次破裂現象與裂隙張開度研究 [J].煤炭學報，2010(6):887-890.

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[7] 付國彬，姜志方.深井巷道礦山壓力控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1996：182-187.

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我國鐵礦石對外依存度升至78.5%

中國鋼鐵工業協會常務副會長朱繼民日前在北京透露，中國鐵礦石的對外依存度進一步提高到78.5%，同比提高9.7%。

“鐵礦石對外依存度過高會使中國鋼鐵行業的國際話語權和安全性等受到挑戰。”朱繼民說。

數據顯示，2014年，中國進口鐵礦石9.33億t，同比增長13.8%。其中，12月份中國進口鐵礦石8685萬t，環比增加1945萬t，增長28.9%。

當年，國內鐵礦石原礦產量15.1億t，同比增加5686萬t，增長3.9%，其中12月份國內鐵礦石產量1.26億t，同比下降4.6%，連續3個月環比下降。

朱繼民透露，鐵礦石港口庫存自5月份達到峰值后，已連續7個月出現小幅下滑。去年12月末港口庫存為9824萬t，較年初增長約1100萬t，進入2015年港口庫存一直在9800萬t左右波動。

此外，2014年鐵礦石價格也整體保持下跌走勢。全年鐵礦石進口均價為100.42美元/t，同比每噸下降29.2美元。12月份鐵礦石進口平均價格為75.61美元/t，環比每噸下降4.05美元。

Surrounding rock deformation numerical simulation and support optimization of soft rock roadway in deep mine

WANG Ying-shuai，MENG Xiang-rui，GAO Zhao-ning

(School of Mining and Safety，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

Based on the laboratory test results of the physics and mechanics properties of surrounding rock of -960m north wing C13 track roadway，by using the Flac3Dsimulation software to analyze the soft rock roadway surrounding rock deformation properties in deep mine.The research shows that the deformation of the two sidewalls and the floor heave are the main deformation of soft rock roadway in deep mine，the stability of roadway floor is the key of the surrounding rock control.The new supporting scheme put forward strengthening the early support strength，increase the angle of the floor anchor，increase the intensity of the bolt and apply the full-face grouting technology.Field application show that the supporting scheme for soft rock roadway in deep mine is feasible.

deep mine；soft rock roadway；numerical simulation；support optimization

2014-04-11

國家自然科學基金項目資助(編號：51174005；51274008；51374013)

王應帥(1987- )，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。E-mail：ashuai545@qq.com。

TD825.3

A

1004-4051(2015)02-0099-04