云南疆鋒鐵礦Ⅱ#礦段巷道聯(lián)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)

者亞雷　侯克鵬

(1.云南亞融礦業(yè)科技有限公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院)

云南疆鋒鐵礦于2002年開始規(guī)劃并建設(shè)，將礦體劃分為3個(gè)礦段進(jìn)行開采，Ⅲ#礦段和Ⅰ#礦段露天部分已經(jīng)開采結(jié)束。為加快Ⅱ#礦段開發(fā)，于2016年11月設(shè)計(jì)對(duì)該礦段進(jìn)行地下開采，年產(chǎn)量200萬(wàn)t，采礦方法為階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǎ捎么笾睆较孪蛏刃紊羁妆品绞健Ｔ摰V段礦體層間接頂板為變粒巖，直接頂板為矽卡巖，圍巖雖為較堅(jiān)硬巖組，但受構(gòu)造影響，巖石較破碎，蝕變接觸帶及風(fēng)化帶發(fā)育，礦區(qū)工程地質(zhì)條件為層狀巖類較堅(jiān)硬巖組為主的復(fù)雜型。礦體圍巖穩(wěn)固性較差，巷道易出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓等不良工程地質(zhì)問(wèn)題。為確保該礦Ⅱ#礦段安全開采，本研究對(duì)圍巖分別為不穩(wěn)固圍巖和斷層破碎帶兩種情形下的巷道支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理取值。

1　圍巖松動(dòng)圈深度測(cè)試

圍巖內(nèi)巷道開挖后，圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，原來(lái)比較有利的三向受力狀態(tài)近似變?yōu)椴焕膬上蚴芰顟B(tài)[1]。表層圍巖隨著位移的發(fā)生，圍巖破壞逐漸向深處擴(kuò)展，使其連續(xù)性和完整性遭到破壞，巖體強(qiáng)度大幅度下降。在距離臨空面一定范圍內(nèi)的巷道圍巖會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，該現(xiàn)象達(dá)到的強(qiáng)度仍小于巖體強(qiáng)度，圍巖只要不發(fā)生破壞，便無(wú)需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)；如果部分圍巖的應(yīng)力超過(guò)了巖體強(qiáng)度，圍巖將會(huì)出現(xiàn)塑性變形，并將向深部擴(kuò)展，直至新的應(yīng)力平衡狀態(tài)形成為止，這一過(guò)程將在圍巖內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)破裂帶，導(dǎo)致該區(qū)域巖體強(qiáng)度明顯降低，這個(gè)由開挖引起應(yīng)力重新分布形成的破裂帶即為圍巖松動(dòng)圈[2-4]。

本研究采用聲波法對(duì)該礦Ⅱ#礦段巷道圍巖松動(dòng)圈深度進(jìn)行了測(cè)試，由于超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，因此在巷道開挖圍巖受到擾動(dòng)后，由于巖體完整性及裂隙發(fā)育程度不同，聲波在其中傳播的速度將各不相同，波速越小說(shuō)明對(duì)應(yīng)的巖體完成性越好，受到擾動(dòng)影響的程度越小。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，本研究繪制出的孔深-波速曲線如圖1所示。

圖1　孔深-波速曲線

分析圖1可知：距離孔口越近，波速越低，達(dá)到一定孔深后，波速趨于穩(wěn)定，表明距離臨空面越近，巖體受到開挖擾動(dòng)的影響程度越大，圍巖越破碎，達(dá)到一定深度后，聲波變化趨于穩(wěn)定，巖體幾乎不受影響，據(jù)此得出疆鋒鐵礦巷道圍巖松動(dòng)圈的深度為1.8 m。

2　不穩(wěn)固圍巖巷道支護(hù)方案

目前，疆鋒鐵礦Ⅱ#礦段處于基建期，不受采動(dòng)影響，巷道破壞變形主要集中于斷層破碎帶、圍巖與礦體接觸部位以及節(jié)理比較發(fā)育的不穩(wěn)定巖層中，屬于不受周邊采動(dòng)影響的巷道破壞變形。該礦開采標(biāo)高為100～580 m，地表標(biāo)高約700 m，本研究選取礦體開采中部340 m中段進(jìn)行研究。當(dāng)巷道通過(guò)不穩(wěn)固圍巖時(shí)，需要進(jìn)行噴錨支護(hù)[5]。根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈深度，本研究利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)疆鋒鐵礦巷道在遇到不穩(wěn)固圍巖采用噴錨支護(hù)時(shí)，錨桿長(zhǎng)度、間距、排距對(duì)巷道支護(hù)穩(wěn)定性的影響。本研究數(shù)值模擬的巷道凈斷面規(guī)格為4 500 mm×3 900 mm(寬×高)。采用錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿長(zhǎng)度和布置密度是2個(gè)重要的參數(shù)[6]，為合理確定錨桿參數(shù)，本研究設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方案如表1所示。

表1　噴錨支護(hù)數(shù)值模擬方案參數(shù)取值　m

2.1　巷道開挖后無(wú)支護(hù)

在不穩(wěn)固圍巖中進(jìn)行巷道開挖后，如果不進(jìn)行支護(hù)，巷道圍巖及迎頭布滿了塑性區(qū)(圖2)，巷道極有可能會(huì)發(fā)生破壞。由圖3可知：最大位移出現(xiàn)在巷道頂板，其次出現(xiàn)在巷道兩幫，最大位移量為16.5 cm，巷道發(fā)生頂板下沉及邊幫破壞的可能很大。

圖2　不支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖3　不支護(hù)條件下巷道圍巖整體位移

2.2　巷道開挖后錨噴支護(hù)

分析圖4、圖5及表2可知：進(jìn)行噴錨支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)明顯減少；巷道圍巖位移量比不支護(hù)時(shí)明顯減小，最大位移量?jī)H為4.91 cm，遠(yuǎn)小于不支護(hù)時(shí)巷道圍巖位移量；不支護(hù)時(shí)巷道位移最大值區(qū)域較大且連成片分布，支護(hù)后位移最大值區(qū)域僅零星散布于巷道兩幫及頂板，并未成片出現(xiàn)。分析表明：采用噴錨支護(hù)后，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

圖4　方案1對(duì)應(yīng)的巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖5　方案1對(duì)應(yīng)的巷道整體位移

cm

進(jìn)一步分析可知：不同支護(hù)方案中，錨桿間距對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性的影響程度大于錨桿排距，錨桿長(zhǎng)度對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性的影響程度較小。故本研究認(rèn)為疆鋒鐵礦巷道通過(guò)不穩(wěn)固圍巖時(shí)，宜采用噴錨支護(hù)，噴射混凝土厚度為10 cm，錨桿長(zhǎng)度1.8 m、間距0.6 m、排距0.8 m。

3　斷層破碎帶巷道支護(hù)方案

疆鋒鐵礦圍巖受礦體下盤F4斷層影響較大，有時(shí)巷道不可避免地需要穿過(guò)斷層破碎帶。本研究經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，認(rèn)為當(dāng)巷道通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，采用噴錨支護(hù)無(wú)法滿足要求，宜采用超前錨桿+鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方案方可確保巷道安全通過(guò)斷層破碎帶。

3.1　超前支護(hù)參數(shù)

3.1.1管棚長(zhǎng)度

管棚長(zhǎng)度需要根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件來(lái)靈活確定。首先應(yīng)確保管棚穿過(guò)開挖面前方因開挖引起的更為松散破碎的圍巖，打入前方穩(wěn)定巖層；其次需要滿足施工中鉆機(jī)的參數(shù)要求[7]。根據(jù)管棚支護(hù)作用機(jī)理，管棚應(yīng)將開挖面前方圍巖形成的承載環(huán)結(jié)構(gòu)連接加固至遠(yuǎn)方的穩(wěn)定土層，其長(zhǎng)度可按下式進(jìn)行計(jì)算

L=a+b+c，

(1)

式中，L為管棚長(zhǎng)度，m；a為管棚外露長(zhǎng)度，一般取鋼拱架寬，取1 m；b為巷道循環(huán)進(jìn)尺，取2 m；c為開挖面巖石垮落波及的巷道頂部長(zhǎng)度，

c=htan[π/4-φ/2] ，

(2)

式中，h為巷道開挖高度，m；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°)。

經(jīng)計(jì)算，L=5.59 m。

3.1.2管棚直徑

本研究巷道中采用小管棚超前支護(hù)，管棚直徑取30 mm。

3.1.3管棚間距

若管棚間距過(guò)大，在松散地層中不僅會(huì)導(dǎo)致巷道開挖面前方圍巖不穩(wěn)定，易發(fā)生大塊圍巖冒落危險(xiǎn)，而且會(huì)使得單根管棚承載力增加，管棚架構(gòu)體系穩(wěn)定性降低，施工難度提高；反之，不僅經(jīng)濟(jì)效益不佳，而且會(huì)影響巷道掘進(jìn)及支護(hù)施工進(jìn)度。本研究分析認(rèn)為管棚間距的主要影響因素為地層性質(zhì)(黏著性、密度、粒徑、裂隙以及地下水)、地層壓力、管棚在巷道開挖面的布置位置以及巷道掘進(jìn)施工水平、開挖方法等[7-8]。鑒于該礦山巷道圍巖松散破碎的實(shí)際情況，管棚間距取值宜小，考慮到實(shí)際施工中的鉆進(jìn)因素，本研究管棚間距取值為0.3 m。

3.1.4管棚仰角

一般來(lái)說(shuō)，影響管棚仰角的因素主要有土層條件、管棚材料質(zhì)量、管棚鉆進(jìn)施工水平等因素，通常取 3°～5°[7]。本研究考慮到管棚鉆孔及安裝所需的管棚孔中心到巷道開挖邊界的距離，仰角取4.3°[9]。

3.2　數(shù)值模擬分析

本研究在管棚長(zhǎng)度5.59 m、間距0.3 m、直徑30 mm、仰角4.3°的參數(shù)取值條件下，對(duì)不同鋼拱架間距(0.6，0.9,1.2 m)的超前支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析[10]。

3.2.1塑性區(qū)和整體位移

數(shù)值模擬分析表明，采用3種鋼拱架間距對(duì)應(yīng)的超前支護(hù)方案后，巷道圍巖塑性區(qū)體積相近，巷道整體位移相差較少。由圖6可知：采用超前支護(hù)后圍巖塑性區(qū)體積及整體位移明顯減小，最大位移僅為2.96 cm(出現(xiàn)在巷道底板)，有一定的底鼓現(xiàn)象發(fā)生，說(shuō)明當(dāng)巷道通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，采用本研究提出的超前聯(lián)合支護(hù)方案效果較好。

圖6　0.6 m鋼拱架間距對(duì)應(yīng)的巷道塑性區(qū)及整體位移

3.2.2鋼拱架及錨桿受力分析

分析圖7可知：錨桿主要受拉應(yīng)力作用，鋼拱架主要受壓應(yīng)力作用，隨著鋼拱架間距增大，錨桿及鋼拱架受力也逐漸增大。鋼拱架長(zhǎng)時(shí)間在高應(yīng)力作用下，易發(fā)生彎曲、斷裂等現(xiàn)象，因此考慮到鋼拱架的承壓及耐壓性，本研究建議采用鋼拱架間距為0.6 m 的超前聯(lián)合支護(hù)方案。

4　結(jié)　語(yǔ)

以云南疆鋒鐵礦Ⅱ#礦段為例，對(duì)該礦段巷道圍巖為不穩(wěn)固巖體和斷層破碎帶2種情形下的巷道支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了取值。研究認(rèn)為：當(dāng)巷道通過(guò)不穩(wěn)固巖體時(shí)，宜采用噴錨支護(hù)方案，噴射混凝土厚度為10 cm，錨桿長(zhǎng)度1.8 m、間距0.6 m、排距0.8 m；當(dāng)巷道通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，宜采用超前錨桿+鋼拱架的超前支護(hù)方案，管棚長(zhǎng)5.59 m、直徑30 mm、間距0.3 m、仰角4.3°、鋼拱架間距0.6 m。

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圖7　不同鋼拱架間距對(duì)應(yīng)的鋼拱架及錨桿受力情況

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