基于圍巖松動(dòng)圈測(cè)試的巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

姜永恒 汪志國(guó) 唐學(xué)義 李成洪 楊 勇

(1.長(zhǎng)春黃金研究院有限公司；2.云南黃金有限責(zé)任公司鎮(zhèn)沅分公司)

隨著開(kāi)采深度的增加，礦巖的穩(wěn)定性也越來(lái)越差，越來(lái)越多的巷道需要進(jìn)行合理支護(hù)，以維持其穩(wěn)定性。松動(dòng)圈是確定巖體穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，在噴錨網(wǎng)支護(hù)中主要是根據(jù)懸吊理論和組合梁理論對(duì)圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行加固，將松動(dòng)的巖體懸吊在穩(wěn)固的巖層上，提高巷道的承載能力。因此，需要根據(jù)圍巖松動(dòng)圈來(lái)確定錨桿的支護(hù)參數(shù)[1]。

鎮(zhèn)沅金礦目前主要采用噴錨網(wǎng)、鋼拱架等支護(hù)方式，但其錨桿支護(hù)參數(shù)不夠合理，導(dǎo)致支護(hù)成本高且支護(hù)效果較差。本文通過(guò)對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算，對(duì)不同巷道的支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到既能維持巷道在服務(wù)期限內(nèi)的穩(wěn)定，又能降低支護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 工程概況

鎮(zhèn)沅金礦礦巖松軟破碎，其穩(wěn)定性處于中等穩(wěn)定-極不穩(wěn)定，隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力急劇增加，地壓逐漸顯現(xiàn)。1 593 m中段及以下礦巖主要為變質(zhì)石英雜砂巖夾砂質(zhì)絹云板巖，巖石堅(jiān)硬夾半堅(jiān)硬狀，較完整，巷道破壞形式以局部垮塌掉塊為主，節(jié)理裂隙中等發(fā)育，含弱裂隙水，地下水對(duì)砂質(zhì)絹云板巖具一定泥化作用，巖體中等完整，RQD值為44.7%～64.6%。主要發(fā)育Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，以沉積結(jié)構(gòu)面最發(fā)育，4～8條/m。在巷道掘進(jìn)中出現(xiàn)較大的片幫冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

2 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

聲波可勻速在各向同性介質(zhì)中傳播，但若遇到非連續(xù)介質(zhì)，其在傳播過(guò)程中將發(fā)生較大的反射、折射和繞射等現(xiàn)象，其傳播速度、路徑及振幅等都將發(fā)生變化，致使接收器所接收的信號(hào)發(fā)生變?nèi)酢⒉ㄐ位兊痊F(xiàn)象。聲波在不同介質(zhì)中傳播的性能也不同，故聲波可用于材料完整性的檢測(cè)。通常結(jié)構(gòu)完整、質(zhì)地均勻、強(qiáng)度高的材料，聲波傳播速度較快、頻譜簡(jiǎn)潔、主頻較集中，因此，波速、頻譜特征等可以作為評(píng)定材料完整性、均質(zhì)性的技術(shù)指標(biāo)。

由巖石力學(xué)基本理論可知，巖體聲波縱波速與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，巖體中縱波速度可以表示為[2]

(1)

式中，E為介質(zhì)彈性模量，GPa；ν為泊松系數(shù)；ρ為密度，kg/m3。

當(dāng)巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其E、ν、ρ值也隨之發(fā)生改變，引起聲波在不同應(yīng)力區(qū)內(nèi)的縱波發(fā)生改變。據(jù)此原理，可對(duì)巖石進(jìn)行聲波測(cè)試，聲波的縱波速度計(jì)算公式為

(2)

式中,D為兩探頭之間的距離，m；t為縱波的傳播時(shí)間，s。

通過(guò)繪出的聲波縱波速度與測(cè)孔深度L之間的關(guān)系曲線，可以大致判斷出巖石中的應(yīng)力變化及賦存狀態(tài)，確定出巖石的松動(dòng)圈范圍，為巖石的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.2 鉆孔布置

為使所測(cè)巖石具有一定的代表性，特選在冬瓜林礦區(qū)石英斑巖成礦的D5071采場(chǎng)1573分層沿脈巷道及穿脈巷道和D5201采場(chǎng)1583分層炭質(zhì)板巖巷道內(nèi)布置聲波測(cè)試鉆孔，聲波測(cè)孔深4.2 m，孔徑為65 mm，距離底板高1.5 m。測(cè)孔布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 D5071聲波測(cè)試鉆孔位置

圖2 D5201聲波測(cè)試鉆孔位置

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

利用單孔測(cè)試法可以直接得到兩接收探頭間聲波的平均傳輸速度。因此，每測(cè)一個(gè)位置，就可得到聲波在孔內(nèi)某一段巖體間的平均傳播速度，探頭從孔口開(kāi)始測(cè)試，依次往孔底移動(dòng)，便可獲得聲波沿孔深在巖體中傳播速度的變化情況。對(duì)每個(gè)鉆孔進(jìn)行3次聲波測(cè)試，取平均值。如果數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試過(guò)程中，一發(fā)雙收聲波探頭每次移動(dòng)距離為20 cm，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出各測(cè)孔各測(cè)點(diǎn)的縱波速度Vp，繪出其與測(cè)孔深度L的關(guān)系曲線，由波速隨孔深階段變化曲線判斷出松動(dòng)圈的范圍。冬瓜林礦區(qū)縱波波速隨鉆孔深度變化見(jiàn)圖3、圖4。

通過(guò)對(duì)圖3、圖4分析可以得出，巷道開(kāi)挖后對(duì)圍巖產(chǎn)生損傷，所產(chǎn)生的圍巖松動(dòng)圈范圍為0.9～1.2 m，鉆孔平均波速為4 300～5 000 m/s。D5201采場(chǎng)1#、2#鉆孔的平均波速較低，說(shuō)明炭質(zhì)板巖巖體的完整性較差，在巷道掘進(jìn)中需要對(duì)此類巖石進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3 錨桿支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)冬瓜林礦區(qū)1593中段采場(chǎng)內(nèi)巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，巷道開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)采場(chǎng)爆破震動(dòng),形成穩(wěn)定的圍巖松動(dòng)圈范圍為0.9～1.2 m。巷道圍巖1.2 m范圍以外的巖石屬于未受擾動(dòng)的穩(wěn)定巖層，因此,可根據(jù)松動(dòng)圈范圍對(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[3-4]。

圖3 冬瓜林礦區(qū)D5201采場(chǎng)縱波波速隨鉆孔深度變化曲線

3.1 錨桿長(zhǎng)度

錨桿的有效程度根據(jù)下式確定：

L≥L1+L2+L3,

(3)

式中，L為錨桿總長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度(包括鋼帶+托板+螺母厚度)，取0.1 m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度或軟弱巖層厚度，m；L3為錨入巖層內(nèi)深度(錨固長(zhǎng)度)，按經(jīng)驗(yàn),L3≥300 mm。

根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試的結(jié)果，確定錨桿的有效長(zhǎng)度L2=1.2 m。因此，得出錨桿長(zhǎng)度L≥1.7 m,取1.8 m。

3.2 錨桿直徑

錨桿直徑可根據(jù)桿體承載力和錨固力等強(qiáng)度值加以計(jì)算：

d=35.52(Q/σ)1/2,

(4)

式中，d為錨桿桿體直徑，mm；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，80 kN；σ為錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度，MPa。

由于設(shè)計(jì)采用HRB335型螺紋鋼作為錨桿，故錨桿的抗拉強(qiáng)度約450 MPa。所以錨桿桿體最小設(shè)計(jì)直徑d≈15 mm。為了保證錨桿有足夠的錨固力，使巷道能夠穩(wěn)定，故根據(jù)螺紋鋼的桿體直徑系列，取錨桿的設(shè)計(jì)直徑為16 mm。

3.3 錨桿間排距

根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]，錨桿的間距不宜大于錨桿長(zhǎng)度的1/2，可得錨桿間距為900 mm。

根據(jù)錨桿的有效長(zhǎng)度L2大于或等于關(guān)鍵層下位復(fù)合頂板厚度，可得錨桿排距為

(5)

式中，D為錨桿排距，m；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，80 kN/根；K為安全系數(shù)，一般取1.5～2；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，1.2 m；γ為被懸吊巖石的容重，取27 kN/m3；H為軟弱巖層厚度或冒落拱高度，H=B/2f，B為巷道斷面寬度，m，f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

計(jì)算得出錨桿排距D≤1.2 m，取1 m。

3.4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)參數(shù)為錨桿長(zhǎng)度1.8 m，錨桿直徑16 mm，錨桿排距1 m，錨桿間距0.9 m，托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，噴漿層厚度70～100 mm，底角錨桿與水平夾角30°。巷道開(kāi)挖后，及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行素噴，噴層厚30～50 mm，噴漿結(jié)束后對(duì)頂板及兩幫進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，掘進(jìn)2～3排后，進(jìn)行二次噴漿，噴漿層總厚70～100 mm，采用優(yōu)化后的錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)[6]，錨桿支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。巷道支護(hù)見(jiàn)圖5。

表1 錨桿支護(hù)參數(shù)

3.5 數(shù)值模擬分析

根據(jù)鎮(zhèn)沅金礦礦巖的產(chǎn)狀及巷道形狀，利用Ansys建立模型并導(dǎo)入FLAC3D軟件，建立FLAC模型。模型共237 577個(gè)塊，45 464個(gè)節(jié)點(diǎn)。所建模型的巷道所對(duì)應(yīng)的地表標(biāo)高約1 700 m，巷道所在水平標(biāo)高為1 593 m，上覆巖體的平均密度為2.7 t/m3。根據(jù)巷道圍巖的實(shí)際情況建立模型，確定設(shè)計(jì)巷道寬2.5 m，高2.6 m，巷道頂板以及兩幫的巖石都為層狀巖體。應(yīng)用FLAC3D模擬巷道開(kāi)挖后支護(hù)的效果，見(jiàn)圖6。

圖5 巷道支護(hù)形式示意(單位：m)

圖6 全斷面噴錨網(wǎng)支護(hù)巷道數(shù)值模擬結(jié)果

從圖6可以看出，巷道頂板的最大位移為5～10 mm，且巷道的位移區(qū)域比較分散；巷道底板的最大位移為30～35 mm；巷道兩幫的最大位移出現(xiàn)在距離底板1.5 m左右的區(qū)域內(nèi)，巷道兩幫的最大水平位移均為10～15 mm；塑形區(qū)范圍很小。此支護(hù)方案不但可以有效控制巷道兩幫的變形，而且可以使巷道整體的受力更加均衡，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

4 工程應(yīng)用

冬瓜林礦區(qū)1 473 m中段巷道圍巖比較破碎，掘進(jìn)巷道破壞較嚴(yán)重，采用鋼拱架、噴漿等支護(hù)方式不能滿足巷道的支護(hù)要求，故選擇此段巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇從S12勘探線掘進(jìn)的巷道。

巷道采用1/3B三心拱斷面，巷道凈寬2.5 m，高2.6 m，采用光面爆破，作業(yè)循環(huán)進(jìn)尺為2 m。巷道斷面形狀及支護(hù)形式與圖5相同。為確保巷道兩幫及底角的穩(wěn)定，在原噴錨網(wǎng)支護(hù)形式基礎(chǔ)上，距離底板1.5 m左右的區(qū)域采取雙層網(wǎng)片支護(hù)的形式，加強(qiáng)兩幫的支撐能力，以減小兩幫的變形破壞。

4.1 承載力監(jiān)測(cè)

巷道支護(hù)后，為了檢測(cè)錨桿支護(hù)效果，對(duì)不同巖體結(jié)構(gòu)巷道區(qū)域進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 螺紋鋼錨桿拉拔力測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表2可以得出，在錨桿安裝24 h后，錨固力平均可達(dá)70 kN，滿足支護(hù)要求，且隨著時(shí)間的增加，錨固力更大，其錨桿的錨固效果較好，可以有效抑制巷道圍巖的變形。

4.2 支護(hù)效果分析

為了監(jiān)測(cè)錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后對(duì)巷道的支護(hù)效果，在S12～S16勘探線布置2組巷道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2組測(cè)點(diǎn)間距為25 m。每組測(cè)點(diǎn)布置2個(gè)監(jiān)測(cè)位置，分別位于距離巷道底板約1.5 m和巷道底板處。使用JSS30A型伸縮式數(shù)顯收斂計(jì)對(duì)巷道兩幫的收縮變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。4個(gè)監(jiān)測(cè)位置的收縮變形量曲線見(jiàn)圖7。

圖7 巷道變形量監(jiān)測(cè)曲線

從圖7可以看出，巷道開(kāi)挖并且及時(shí)支護(hù)后，開(kāi)始的一個(gè)月內(nèi)巷道兩幫變形速度較快，會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的變形，但隨著時(shí)間的變化，巷道變形速度逐漸緩慢，當(dāng)巷道開(kāi)挖后2個(gè)月左右，巷道兩幫變形量趨于水平，此時(shí)巷道圍巖變形已經(jīng)達(dá)到收斂，巷道受力已經(jīng)達(dá)到平衡，不會(huì)再出現(xiàn)較大的位移，巷道的最終收斂變形平均約5 mm，未能引起巷道的破壞。優(yōu)化后的錨桿支護(hù)參數(shù)可以有效抑制巷道的變形，維持巷道的穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試得出，鎮(zhèn)沅金礦典型巷道圍巖的松動(dòng)圈為0.9～1.2 m。

(2)根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果對(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算得出錨桿直徑為16 mm，錨桿長(zhǎng)1.8 m，錨桿間排距為0.9 m×1.0 m,數(shù)值模擬分析得出此支護(hù)參數(shù)能夠滿足支護(hù)要求。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析表明，錨桿的錨固力滿足支護(hù)要求，巷道收斂變形約5 mm，未發(fā)生破壞，此支護(hù)參數(shù)可以有效抑制巷道圍巖變形，并可以降低巷道支護(hù)成本，具有較好的安全效率和經(jīng)濟(jì)效益。