膨脹破碎巷道支護參數優化研究

王志修，于世波，黃發凱，鄭志杰

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628；3.新疆亞克斯資源開發股份有限公司，新疆 哈密 839000)

近年來，隨著礦山開采深度不斷增加，地質環境趨于復雜，地下礦山巷道圍巖穩定性問題逐漸突出，尤其地下礦山的軟弱破碎巷道常面臨片幫、垮冒等工程災害問題，嚴重制約了礦山發展。因此，針對破碎圍巖穩定性問題，很多學者對其進行了深入研究。國內外學者先后提出了新奧法支護理論，聯合法支護理論、圍巖強度強化理論及松動圈支護理論等[1-4]，其中圍巖松動圈理論經過多年的實踐與理論發展，已獲得眾多研究成果。

趙彥缽等[5]利用極限抗拉準則對松動圈進行數值模擬分析；黃鋒等[6]運用損傷理論對圍巖(特別是低級別圍巖)松動圈進行分析得到較準確結果；李政林等[7]提出了基于損傷理論的隧道圍巖松動圈的界定標準，認為完全損傷區即為隧道圍巖松動破壞區；孟波等[8]采用大比例尺物理模型試驗的研究方法探討了軟巖巷道松動圈形成及其發展過程中圍巖破裂與應力演化規律；楊艷國等[9]利用聲波進行松動圈測試，得到合理的錨桿支護參數。綜上可知，解析法和數值模擬法的發展為研究人員提供了確定圍巖松動圈范圍的手段，但當前的兩種方法均有一定的應用局限性。目前，相關研究人員主要依靠現場聲波測試法確定軟弱圍巖松動圈范圍。

本文以新疆黃山銅鎳礦490 m中段1#脈外運輸巷道為工程背景，針對其典型破碎膨脹性巖體，開展現場巖體質量分級及超聲波測試工作；結合圍巖松動圈結果與巖體質量等級，進行巷道支護方式及支護參數的選擇，研究成果可為哈密黃山銅鎳礦巷道支護標準化提供依據。

1 工程概況

新疆哈密黃山銅鎳礦是一大型鎳礦床、中型銅礦床，設計規模4 000 t/d。主礦體東西長700 m，平均厚度51.57 m。礦體圍巖主要為斜長角細碧玢巖夾綠泥滑石千糜巖等，礦體主要為橄欖輝石巖，礦巖體節理裂隙極為發育，目前該礦山采用自然崩落法進行開采。

490 m中段1#脈外運輸巷道為(寬×高) 4.2 m×3.9 m，采用7根間排距為2 m管縫式錨桿(直徑40 mm，內徑36 mm)+雙筋條+噴射混凝土支護方式。由于礦巖破碎且綠泥滑石千糜巖具有膨脹性，同時受到長期動態應力擾動的多重影響，導致該礦山巷道災害問題頻繁發生，嚴重影響礦山的安全生產。圖1為黃山銅鎳礦巷道圍巖典型破壞示意圖。現場采用Q系統巖體質量評級方法，得到礦體上、下盤圍巖指標值分別為0.7、0.6，礦體指標值為0.7，圍巖及礦體質量均為Ⅲ級。圍巖細碧玢巖單軸抗壓強度為139.5 MPa，礦體橄欖輝石巖單軸抗壓強度為102.5 MPa，綠泥滑石千糜巖其單軸抗壓強度僅為14.9 MPa，并且這種巖石類型富含黏土礦物，在巷道揭露后容易發生膨脹性變形破壞。

圖1 巷道圍巖片幫垮塌Fig.1 Collapse of roadway surrounding rock

2 圍巖松動圈現場測量與分析

2.1 聲波測試原理

根據彈塑性介質中的波動理論，在圍巖中，超聲波的波速與圍巖的彈性模量、密度、泊松比等參數有關。具有波速隨圍巖裂隙越發育、密度越降低、聲阻抗增大而降低的特性。

因此，可以根據超聲波在同一鉆孔不同位置下的波速變化情況來判斷圍巖松動圈的范圍，以測得的聲波波速高則說明圍巖完整性好，波速低說明圍巖存在裂隙，受到損傷；因此連續鉆孔測量的波速突變值區域就是松動圈的范圍。

基于超聲波在圍巖中傳播規律，利用縱波波速變化的梯度值判別圍巖松動圈范圍，計算公式見式(1)。

(1)

式中：▽v為縱波波速梯度；vt1為t1時刻測點的縱波波速，km/s；vt2為t2時刻測點的縱波波速，km/s；Δl為t1時刻與t2時刻測點的距離差，m，在測點的縱波波速中，縱波波速梯度的最大數值即為松動圈的值。

2.2 測點布置方案

由于巖體的完整性與巖體自身特征、巷道尺寸、爆破擾動及方位有關，基于這一原則并根據前期勘查結果得出，490 m中段1#脈外運輸巷巖體受破碎接觸帶影響較大，巷道片幫嚴重，支護效果較差，存在多處片幫、噴層開裂現象。因此，在490 m中段1#水平脈外運輸巷道布置5個測試孔，測試孔均位于巷道幫部，測試孔深均為5 m，孔口距離底板高度約1.5 m，鉆孔向下傾斜3°～5°，鉆孔具體布置位置及參數見圖2。

圖2 松動圈測試孔布置圖Fig.2 Layout of loosening ring test hole

2.3 測量結果分析

各測孔點的縱波波速及波速梯度如圖3所示，其中2#測孔和5#測孔出現塌孔現象，無法測量。

分析圖3測孔可以看出，1#測孔、3#測孔和4#測孔的波速梯度數值的最大值分別在2 m、2 m和1.8 m處，當距離孔口位置分別小于2 m、2 m和1.8 m時， 1#測孔、2#測孔和4#測孔的波速顯著降低， 波速基本穩定在2.1～2.6 km/s區間范圍， 而超過測孔各自對應的波速梯度最大位置的波速，基本穩定在4.0 km/s左右，因此可以確定490 m中段1#脈外運輸巷道的松動圈在1.8～2.0 m范圍內。

圖3 縱波波速(VP)-鉆孔深度關系曲線Fig.3 Relationship between VP and borehole depth

3 運輸巷道圍巖支護參數優化

490 m中段1#脈外運輸巷道實測松動圈的范圍為1.8～2 m，現場采用2 m管縫式錨桿已不滿足支護要求，同時踏勘巷道現場可見管縫式錨桿受到嚴重腐蝕，部分管縫式錨桿管環已脫落，因此急需優化先支護方式。

根據黃山銅鎳礦的巖體質量分級結果及生產技術條件，結合現場測試松動圈結果，利用工程類比法及理論計算法確定支護方式及支護參數。方案采用以錨桿為主體，輔以噴射混凝土加金屬網聯合的支護手段。錨桿主要用于控制圍巖的碎脹變形，金屬網加混凝土支護相結合的方式主要防止圍巖脫落同時封閉。

錨桿長度計算。結合現場圍巖松動圈的測量結果，采用懸吊理論確定錨桿長度，見式(2)。

Ls≥L1+LP+L2

(2)

式中：Ls為設計錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，一般取0.1 m；L2為錨桿錨入圍巖松動圈外的長度，按經驗L2≥0.3 m；LP為松動圈的厚度，根據黃山銅鎳礦巷道圍巖松動圈范圍1.8～2.0 m，考慮圍巖具有膨脹性及多次應力擾動因素，取值為2.0 m；綜合以上因素，采用2.5 m的錨桿滿足設計要求。

根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086—2015)，錨桿選擇樹脂錨桿，錨固長度為1.6 m，錨桿的間距不宜大于錨桿長度的1/2，因此可取錨桿間距為1.2 m。結合“三徑”合理區配原則及現場實際工況及技術裝備，鉆孔直徑與錨桿直徑相差6～8 mm最佳，因此鉆孔直徑為28 mm。參考規范，鋼筋網噴射混凝土支護設計厚度不應小于80 mm，因此厚度取100 mm，設計標號為C20，標準設計如圖4所示。

圖4 運輸巷道標準支護方案Fig.4 Standard support scheme for transport lanes

4 支護優化方案效果分析

4.1 數值模擬方案

采用數值模擬手段，以黃山銅鎳礦490 m中段1#運輸巷道為背景建立工程地質模型，模型尺寸(長×寬×高)為40 m×24 m×40 m，巷道尺寸(寬×高)為4.2 m×3.9 m，計算采用理想彈塑性本構模型，摩爾-庫倫屈服準則，巖體的力學參數見表1，參考文獻[10]和文獻[11]給出支護材料的計算力學參數，見表2，施加實測地應力值。在巷道頂部及右肩部各設置一個變形監測點。

表1 巖體物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of rock mass

表2 支護材料參數Table 2 Parameters of support material

4.2 模擬結果分析

圖5為現場支護方案和優化后支護方案的最小主應力分布圖，圖6為現場支護方案和優化后支護方案的巷道圍巖移動變形圖。由圖5可知，兩種支護方式在巷道圍巖臨空位置均出現拉應力，優化后的支護方案在應力擾動的影響范圍小于現場支護方案。由圖6可知，原支護方案巷道幫部及底部最大位移量為7.3 mm，而優化后支護方案后最大位移量為4.5 mm，位移降低了38%。

圖5 巷道圍巖最小主應力分布圖Fig.5 Minimum principal stresses of surrounding rock in roadway

圖6 巷道圍巖變形圖Fig.6 Deformation of surrounding rock in roadway

圖7為現場支護方案及優化后支護方案的塑性區分布圖。現場支護方案塑性區分布圖如圖7(a)所示，塑性區破壞體積達到844.1 m3；支護優化方案塑性區分布圖如圖7(b)所示，塑性區破壞體積僅為401.9 m3。優化后的方案極大地減小了塑性區的分布范圍，尤其是邊幫區域，對比現場采用的支護方式的塑性區范圍明顯降低，整體塑性區范圍降低了52.3%，支護效果較為明顯。

圖7 塑性區分布圖Fig.7 Plastic zones distribution

圖8為現場支護方案及優化后支護方案的監測點變形量趨勢圖。現場支護方案中頂部圍巖變形量達到17 cm，在右肩部變形量為4 cm，采用優化后的支護方案，頂板圍巖變形量變為9 cm，降低了47%，在巷道右肩部圍巖變形量為2 cm。 采用優化的支護方案可以有效降低圍巖變形量，加強圍巖本身自穩定能力，由此可見優化支護方案具有良好的支護效果。

圖8 監測點變形量趨勢圖Fig.8 Trend of deformation at monitoring points

5 結 論

1) 通過對哈密黃山銅鎳礦490 m中段1#運輸巷道現場測試圍巖松動圈范圍，采用波速梯度最大數值判別準則，確定巷道圍巖松動圈為1.8～2.0 m。

2) 采用現場踏勘、巖體質量分級并結合現場實測松動圈范圍，分析得出現有支護方案中2 m管縫式錨桿不能錨固到穩定巖層中，無法達到加固效果。

3) 提出了樹脂錨桿+金屬網+噴射混凝土聯合支護方式，樹脂錨桿長2.5 m，錨桿間排據均為1.2 m，噴射混凝土厚度為100 mm，通過數值模擬手段，對比分析現場支護方案與優化后的支護方案，結果可知優化后的支護方案可使圍巖破壞范圍減小，對比現場支護方案的模擬結果塑性區降低達52.3%，頂板變形量降低了47%，可見優化后的支護方案和參數可有效保證黃山銅鎳礦巷道的穩定性。