保國鐵礦軟巖巷道支護方式的數值模擬研究

劉 冬 邵安林 金長宇 王旭剛 荊洪迪 范富泉

（東北大學智慧礦山研究中心，遼寧沈陽110819）

礦區礦體賦存條件復雜，礦體下盤圍巖受構造和蝕變作用，結構破碎，巖質松軟穩定性差；且下盤圍巖抗壓強度低、變形大、來壓快，遇水極易破碎、膨脹產生變形破壞。導致該礦山沿脈運輸巷道的穩定性問題十分突出，巷道施工完畢后不久即產生開裂變形，進而產生片幫、冒落和沉降變形，嚴重影響了礦山的開采和運輸［2］。

為改善保國鐵礦開采過程中的巖體應力分布狀況，提高地下工程的穩定性，減少支護工程的投入與維護費用，提升支護效果，本研究結合無底柱分段崩落法的地壓活動基本特征，針對保國鐵礦鐵蛋山礦區+35 m水平礦體回采進行了數值模擬分析。通過對不同方案回采過程中礦巖體位移、應力以及塑性區等指標的評價，對下盤沿脈運輸巷道軟弱圍巖支護方案進行優化研究。本研究成果對相似礦山無底柱分段崩落法回采過程中的軟巖巷道支護問題具有一定參考價值。

1 礦巖體力學參數

在Hoek-Brown強度準則中，地質強度指標（GSI）是一個極其重要的參數。該指標與巖體的結構特性和表面風化程度，表面粗糙性等特性密切相關［3-5］。因此，胡盛明［6］引入巖體體積節理數Jv，通過圖表法對GSI進行量化，提高了GSI參數的客觀性認知。

為保證巖體的結構面特征參數測量的準確性，本研究應用Sirovision攝影測量系統［7-9］對礦區結構面信息情況進行統計分析（如圖1所示），利用條數法對節理進行統計，進而得到巖體體積節理數Jv等相關結構面信息。

條數法是指利用單位測量面積內的節理條數乘以修正經驗系數計算得到Jv值。一般是通過測量大量樣本，取其平均值來計算：

式中，ni為第i個單測量面內節理條數，N為樣本個數，N一般不小于10。

根據Sirovision系統對巷道內15個測量面的結構面特征參數測量與現場觀測結果，得到礦體平均體積節理數Jv=3.2，圍巖平均體積節理數Jv=5.4。因此選取礦體地質強度指標GSI=70，圍巖地質強度指標GSI=30。通過室內巖石力學實驗并結合Hoek-Brown強度準則得到礦體和圍巖物理力學參數如表1所示。

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2 軟巖巷道圍巖變形監測

鐵蛋山礦區屬于露天轉地下礦山，地下部分采用無底柱分段崩落法進行開采。開采過程中巷道圍巖變形嚴重影響了礦山的生產施工。為了掌握巷道圍巖變形規律，對回采水平下盤沿脈運輸巷道進行了詳細的位移監測工作。

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為了探究運輸巷道整體及斷裂帶部分圍巖的變形規律，在保國鐵礦鐵蛋山礦區+35 m水平礦體北翼的沿脈運輸巷道布置變形監測點，記錄邊墻及頂板圍巖的變形量。運輸巷監測部分長約120 m，每隔10 m布置1個監測點位，每隔10 d提取1次位移數據，監測結果如圖2所示。根據圖2可知，巷道圍巖最大變形量出現在90 m監測點處。這是由于斷裂帶的存在，破壞了圍巖的整體性，在應力的傳遞與圍巖變形上也出現明顯差別。

3 巷道支護數值模擬研究

為了獲取保國鐵礦軟巖巷道大變形問題的解決方案，根據現場實測的錨噴網支護下巷道圍巖變形規律，結合數值計算模擬不同支護方案下巷道圍巖變形情況，對支護方案進行優化研究。

3.1 計算模型與參數

選取+35 m水平三心拱運輸巷道建模，使用FLAC3D軟件探究不同支護條件下巷道圍巖的位移規律［10］。三心拱巷道寬度4.7 m，墻高2 m，拱高1.57 m，模型尺寸為30 m×120 m×25 m，長度120 m。模型共剖分172 300個單元，178 265個節點，全部采用六面體單元，如圖3所示。

數值計算本構模型采取適用于軟巖工程的應變軟化本構模型。參考表1獲得的圍巖力學參數，在應力條件達到屈服極限并進行塑性屈服后，塑性變形參數與巖體黏聚力、內摩擦角的選取參見表2。

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3.2 邊界條件

利用進化神經網絡反演得到模型的邊界條件。根據實測地應力特征，采用均勻設計方法，將位移邊界條件和重力修正系數共5個參數構造30組學習訓練樣本，另外構造5組測試樣本用于測試網絡預測效果。

將每組樣本中的位移邊界條件輸入FLAC3D中進行計算，得到每個樣本的3個測點處應力分量值，以此作為神經網絡訓練的輸入值，將設定的邊界條件作為輸出值，進而建立測點應力分量和位移邊界條件非線性映射關系的進化神經網絡模型。最后，將各測點的現場實測應力分量值輸入神經網絡模型，得到數值計算需要的邊界條件，如表3所示。

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3.3 支護方案與參數

保國鐵礦鐵蛋山礦區圍巖的穩定性很差，開挖后必須立即噴射混凝土，如不及時支護，冒落現象明顯，其高度可達6 m。為解決保國鐵礦軟巖巷道穩定性控制的難題，對5種支護方案下圍巖的穩定性進行數值模擬研究。支護方案如表4所示。

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主要支護手段有：噴射混凝土、錨桿、錨網、錨索和底部鋼梁等，如圖4所示。

巷道壁頂拱與邊墻的錨桿采用1 m×1 m梅花型布置，注漿錨桿與錨索的直徑為20 mm。FLAC3D內置了計算模擬所需的錨桿、錨索、襯砌和樁結構單元。錨桿及錨索采用cable錨單元模擬，混凝土噴層采用shell殼單元模擬，底部鋼梁采用pile樁單元模擬［11］。計算采用的部分參數見表5、表6和表7。

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3.4 計算結果分析

3.4.1 巷道圍巖變形分析

不同支護方案巷道圍巖頂板、邊墻和底板最大位移如圖5所示。計算結果表明，距巷道入口90 m處，由于沿脈運輸巷道經過斷裂帶，此處相對巷道其他位置產生了較大變形。方案2依據巷道實際支護情況進行模擬，計算所得圍巖變形量與現場實際監測值（圖2）近似，說明數值模擬采用的參數、本構模型與邊界條件是合理的。

分析不同支護方案下頂板最大位移量可得，布置錨桿、錨網與噴射混凝土起到良好的支護作用。方案1的錨桿支護相對方案2在斷裂帶處的位移峰值增加1.5 mm。方案3在拱腰位置布置了錨索，使頂板最大位移維持在3 mm以內，斷裂帶位移峰值相對方案2減少了32.4%。方案4布置底部錨桿與方案5布置底部鋼梁主要是對底板進行支護，對巷道頂板影響很小，因此2個方案的位移曲線與方案3重合。計算結果表明，錨網噴支護效果顯著，但斷裂帶處位移峰值較大。在錨網噴支護的前提下，合理布置錨索可有效減少頂板位移與斷裂帶位移峰值。

分析不同支護方案下邊墻最大位移量可得，邊墻位移大小受多種支護條件影響。方案1的錨桿支護相對于方案2的錨網噴支護，邊墻最大位移增加0.6 mm。方案3布置錨索支護與方案4布置底板的錨桿支護使邊墻位移較方案2分別減少了13.8%、17.2%。方案5底部鋼梁對邊墻位移無影響，故其位移曲線與方案4重合。除對邊墻進行錨網噴支護可明顯減小其變形外，布置錨索與底部錨桿同樣可減小其變形，這說明對巷道整體進行有效的支護，可增強邊墻巖體的穩定性，使其能夠承受更大的應力。

不同支護方案下巷道底板變形有所不同，方案1較方案2底板最大位移增加2.92 mm，這是由于進行錨網噴支護后，巷道圍巖整體穩定性增強，底板雖未直接支護但最大位移也隨之降低。方案3布置錨索對底板位移影響很小，其位移分布曲線與方案2重合。方案4與方案5較方案2的底板最大位移分別減少38.1%、47.6%。因此，通過多種方案聯合支護，可減少巷道底鼓，維持底板的相對穩定。

3.4.2 巷道圍巖塑性區分析

FLAC3D中塑性區代表巖體達到塑性屈服準則，產生塑性破壞的部分。通過計算得到不同支護方案下巷道圍巖塑性區體積大小（圖6）與分布范圍（圖7）。受構造應力與軟巖特性影響，巷道頂板和底板有較大范圍截切破壞形成的塑性區。

分析不同支護方案巷道圍巖的塑性區情況可知，僅靠錨桿支護不足以有效阻止巷道圍巖破壞，方案2布置錨網與噴射混凝土后，塑性區范圍與體積大幅減小。方案3布置錨索后，巷道拱肩部分塑性區已不再貫通，頂拱塑性區范圍明顯變小，塑性區體積相對方案2降低27.1%。方案4布置底部錨桿后，底板塑性區深度較方案2減少1 m，塑性區體積減小33.3%。方案5布置底部鋼梁對巷道整體塑性區范圍與體積影響較小。

4 結論

針對鐵蛋山礦區下盤沿脈運輸巷道變形和破壞嚴重的問題，本研究采用Hoek-Brown強度準則獲取巖體力學參數，對現場軟巖巷道進行變形監測，通過5種不同支護方案數值模擬分析，得出：

（1）軟巖巷道在錨網噴支護的基礎上，合理布置錨索，可有效降低頂板與邊墻的位移大小，并增加頂板與邊墻圍巖強度，減少塑性破壞。

（2）對于底鼓現象明顯的軟巖巷道，底部錨桿支護效果明顯，能夠有效減小底板位移量與塑性區體積，增強巷道整體圍巖穩定性。

（3）斷裂帶附近裂隙水貫通導致的軟巖巷道嚴重底鼓，需要輔以底板鋼梁增強巷道底板剛性，研究結果證明該方案可以有效降低局部底鼓變形量。

（4）對于不同區段提出不同的支護方案，能夠針對性地解決部分區段軟巖巷道大變形問題，同時又能兼顧經濟合理性。