噴漿厚度對巷道支護效果數(shù)值模擬研究

沈含波，常利峰

（陜西震奧鼎盛礦業(yè)有限公司，陜西 西安 721000）

巷道支護一直是地下礦山生產(chǎn)經(jīng)營活動中的重要內(nèi)容，支護效果決定了巷道使用過程中的長期穩(wěn)定，支護成本是巷道支護方式中考量的重要因素，國內(nèi)諸多學者對錨噴支護進行了科學研究，郭軍杰[1]在郭莊礦三水平回采巷道中進行了錨噴支護提升圍巖承載能力試驗，通過數(shù)值模擬軟件計算分析與現(xiàn)場實測收斂變形相互印證，解決了礦山巷道大變形問題；郭海濤[2]針對弓長嶺礦山支護方式與圍巖變形不相符問題，改進斷面形狀，給出了不同斷面的噴錨網(wǎng)支護方式，實現(xiàn)了礦山安全生產(chǎn)；張小剛[3]采用錨噴支護方式解決拜什塔木銅礦破碎軟巖巷道鋼拱架支護效果差及成本高等難題，選擇3種理論方法對噴射混凝土合理厚度進行了計算，降低礦山成本的基礎(chǔ)上達到了更好的支護效果；黃麗[4]對四種噴漿厚度進行了數(shù)值模擬研究，并結(jié)合錨固方式得到了巷道的位移、塑性區(qū)和孔隙水壓的變化規(guī)律。錨噴支護中噴漿厚度是決定支護效果與控制成本的重要因素之一，本文基于云南某鉛鋅礦山巷道的錨噴支護，對噴漿厚度進行數(shù)值模擬研究，結(jié)合現(xiàn)場成本控制，給出了最優(yōu)噴漿厚度，為礦山巷道支護提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

在巷道圍巖變形數(shù)值模擬計算方面，采用有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行三維模型的模擬計算分析，選用摩爾-庫倫模型，進行動態(tài)分段開挖與支護。

1.1 數(shù)值模型

根據(jù)巖體力學相關(guān)理論，地下工程開挖所引起的受擾動的范圍為開挖空間的3倍～5倍左右，超過該范圍的巖體所受影響可以忽略不計，建立模型長×寬×高為20m×20m×10m，在FLAC3D中，位移邊界是通過約束網(wǎng)格節(jié)點的速度實現(xiàn)的。為滿足計算精度要求，將巷道周邊的網(wǎng)格適當加密。

模型的初始應(yīng)力場主要考慮自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，模型前后左右及頂部施加應(yīng)力邊界，在模型的左右豎向邊界施加水平位移約束，前后豎向邊界施加水平位移約束，在模型的底部施加豎向位移約束，斷面規(guī)格為3.2m×3.067m（h=2.0m），模型節(jié)點共32769個，單元數(shù)共29600個，見圖1。假設(shè)模型巖層與巷道所在的實際巖層一致，不考慮巖層的結(jié)構(gòu)面、裂隙等的影響（這些影響因素均已在巖體參數(shù)折減過程中考慮），礦山巷道開挖支護完成后，巖體力學性質(zhì)的時間效應(yīng)對巷道圍巖的力學影響不作考慮。

1.2 數(shù)值模擬各項參數(shù)

數(shù)值模擬各項巖石力學參數(shù)均取自礦山生產(chǎn)實際測量所得，支護參數(shù)見表1，圍巖各項物理力學參數(shù)見表2。

根據(jù)礦山實測，地應(yīng)力采用水壓致裂法進行測量，為最大主應(yīng)力29.2MPa，最小主應(yīng)力11.8Mpa，垂直主應(yīng)力17.2MPa，最大水平主應(yīng)力方向為N45.8°W。

1.3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)礦山現(xiàn)有支護參數(shù)，錨網(wǎng)為1.2m×2.0m，網(wǎng)格間距10cm，錨桿長度1.8m，錨桿直徑38mm，錨桿類型為管縫式錨桿，錨桿間排距1.0m×1.0m，數(shù)值模擬噴漿厚度分別為60mm、70mm、80mm、90mm、100mm的五種支護方案。

2 噴漿厚度數(shù)值模擬結(jié)果

選取每個模型的巷道移近量和塑性區(qū)大小作為評價依據(jù)，巷道移近量取巷道頂、底板移近量及兩幫移近量之和，塑性區(qū)體積采用剪切屈服和拉伸屈服的體積之和，模擬結(jié)果見表3。

表3 試驗結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)數(shù)值模擬試驗結(jié)果，噴層厚度從60mm增加到90mm時巷道移近量、塑性區(qū)體積呈單調(diào)遞減趨勢，當噴層厚度90mm增加到100mm時，巷道移近量、塑性區(qū)體積反而增加，表明噴層厚度并不是越大越好，噴層作為巷道圍

巖支護的一種方式，其主要作用為維持巷道表層碎石穩(wěn)定性，防止碎石崩落影響安全。

3 成本效益計算分析

噴漿支護中采用C20強度的噴射混凝土，混凝土砂石主要為現(xiàn)場掘進廢石，影響噴漿成本的主要為32.5的水泥成本，當?shù)厮鄡r格為380元/t，巷道凈斷面3.2m×3.067m，按每米噴漿量從60mm～100mm分別為0.51m3、0.60m3、0.68m3、0.77m3、0.86m3，以巷道移近量評價支護效果，噴漿量與支護效果對比分析，見圖2。

圖2 支護效果與成本綜合分析圖

由圖2可知，噴漿厚度逐漸增加的過程中，支護成本逐漸增加，巷道移近量降低，在噴漿厚度80mm時交叉，為成本最低、支護效果最好的噴漿厚度。噴漿厚度為90mm時，支護效果最好，但噴漿厚度增加10mm，支護成本增加13.2%，巷道移近量卻只降低9.4%，因此，推薦噴漿厚度為80mm為最佳噴漿厚度。如特殊地段需要加強支護，推薦噴漿厚度為90mm。

4 結(jié)論

（1）通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建模，對五種支護方案進行數(shù)值模擬研究，表明噴漿厚度從60mm增加到90mm時巷道移近量、塑性區(qū)面積呈遞減趨勢，當噴層厚度90mm增加到100mm時，巷道移近量、塑性區(qū)面積反而增加，噴漿厚度并不是越大越好。

（2）通過噴漿量對成本影響的計算，與移近量支護效果綜合分析，推薦噴漿厚度為80mm為最佳噴漿厚度，節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，達到支護效果，為礦山今后此類巷道施工過程中提供理論依據(jù)。