某礦山掘進(jìn)斷面形式優(yōu)化研究

李玉業(yè)，歐任澤

(1.西部礦業(yè)股份有限公司， 青海 西寧 810000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

井下作業(yè)巷道作為礦井生產(chǎn)有效開(kāi)展的必要前提，確保巷道使用的安全、有效一直是獲得礦井生產(chǎn)綜合效益的重要保障[1?2]。近年來(lái)由于礦井逐步向深部延深，深部軟巖礦山壓力、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等不利因素逐漸顯現(xiàn)，巷道安全管護(hù)難度不斷增大[3?5]，因此，巷道掘進(jìn)速度緩慢，嚴(yán)重影響礦山實(shí)際生產(chǎn)。選取合適的巷道斷面形狀、合理的支護(hù)方式及快速掘進(jìn)工藝是提高巷道掘進(jìn)速度、降低巷道成本、保證礦井安全高效開(kāi)采的重要因素[6?7]。鑒于此種情況，開(kāi)展巷道斷面設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析，可以為礦山安全高效生產(chǎn)提供必要的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，且為類似礦山實(shí)際情況提供借鑒。

1 礦山概況

某礦山含礦巖石主要有含礦白云巖和含礦“黑礦巖”兩種。前者分布在東部礦體的南側(cè)和北側(cè)，數(shù)量較大，是礦體中礦石的主體，其質(zhì)地堅(jiān)硬完整呈塊狀結(jié)構(gòu)，屬于穩(wěn)固到中等穩(wěn)固， 一般無(wú)需支護(hù)；含礦“黑破帶”或含礦斷層破碎帶分布在東部礦體的中部和北側(cè)，延伸大，約占東部礦體面積的1/3，且以Ⅱ、Ⅳ兩個(gè)礦段的規(guī)模為大。“黑破巖石”是由角礫巖，糜棱巖、斷層泥等組成的黑色構(gòu)造破碎帶，巖塊、巖屑成分以鈣質(zhì)細(xì)砂巖為主，呈松散結(jié)構(gòu)，吸水性強(qiáng)，空隙率較大，軟化系數(shù)較小，風(fēng)化速度快，含泥量高達(dá)10.7%，容易出現(xiàn)片幫、冒頂、坍塌，屬不穩(wěn)固到極不穩(wěn)固類型，對(duì)礦山開(kāi)采具有不良影響，必須采取有效措施予以處理。經(jīng)前期開(kāi)采驗(yàn)證，受“黑破帶”影響的礦體及圍巖都很不穩(wěn)固，采準(zhǔn)工程在掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常塌方，在黑破帶礦體中往往掘進(jìn)后隔1～2 d就塌了，必須采用短掘短支的方式掘進(jìn)推進(jìn)。礦山在前期施工中采用的主要支護(hù)方法有噴錨網(wǎng)、混凝土、鋼支架+混凝土，其施工成本高，難度大，周期長(zhǎng)。

2 斷面形式初選

2.1 井巷斷面形式選擇原則

礦山井巷具有多種形式，包括常用的梯形、直墻拱形（半圓拱、三心拱、圓弧拱）及特殊條件下的圓形、橢圓形、馬蹄形、多角形等斷面形式，采場(chǎng)中的小斷面巷道也常用矩形斷面[8?10]。

對(duì)于礦井平巷的斷面選擇，需從以下3 個(gè)方面綜合考慮：礦井圍巖地質(zhì)條件；巷道使用年限及用途；巷道斷面施工效率及巷道利用率、所需支護(hù)材料及費(fèi)用等。合理的斷面形狀應(yīng)使巷道在圍巖壓力作用下處于良好的、合理的受力狀態(tài)，保證巷道的安全和正常使用，斷面開(kāi)挖量及支護(hù)材料消耗量最少而且要便于施工。服務(wù)年限短、圍巖中等穩(wěn)固的礦山巷道多選用梯形斷面；服務(wù)年限長(zhǎng)、地壓大的巷道多采用直墻拱頂巷道。各種斷面形式的特點(diǎn)及適用范圍見(jiàn)表 1。

表1 平巷斷面形式的特點(diǎn)及適用范圍

2.2 井巷斷面形式初選

某礦山開(kāi)采過(guò)程中巷道工程受地壓活動(dòng)及破碎礦巖的影響較大，而且巷道服務(wù)年限較長(zhǎng)，故可選擇直墻拱頂巷道斷面形式。可供選擇的有常用的三心拱、半圓拱和圓弧拱，但圓弧拱斷面的施工難度較大，拱墻交接處不易處理，極易造成超挖、欠挖等現(xiàn)象，對(duì)巷道支護(hù)產(chǎn)生重大影響，再加上斷面利用率和掘進(jìn)費(fèi)用等因素，所以不做選擇。初選井巷斷面的布置形式為半圓拱和三心拱兩種，并進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比分析。

3 井巷工程穩(wěn)定性模擬分析

3.1 基本假定

由于自然狀態(tài)下巖體介質(zhì)存在各種裂隙，以及礦山實(shí)際工程施工等多方面因素對(duì)圍巖的影響，數(shù)值計(jì)算不可能完全按照礦山的實(shí)際情況進(jìn)行模擬分析。因此，本研究基于常規(guī)的數(shù)值模擬給出如下假定：

（1）假定圍巖屬性及材料屬性均為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；

（2）假定支護(hù)材料與巖體之間的接觸無(wú)間隙；

（3）巷道所有的支護(hù)均為及時(shí)支護(hù)；

（4）模型計(jì)算時(shí)僅考慮地應(yīng)力及重力的作用，忽略其他因素對(duì)計(jì)算的影響。

3.2 初始條件約束

在模擬采礦過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件為模型施加初始狀態(tài)的地應(yīng)力，以便更好地模擬原巖應(yīng)力狀態(tài)下的真實(shí)情況。

實(shí)際建模過(guò)程中的邊界條件和初始條件如下：

（1）模型四周采用固定約束；

（2）在Z軸負(fù)方向施加重力，大小為9.81 m/s2；

（3）原巖應(yīng)力的取值按照礦山平均埋深，采用賦地表高程的方式模擬原巖應(yīng)力場(chǎng)，取值為礦體范圍上最大標(biāo)高2064 m，巷道底板標(biāo)高按1884 m計(jì)算；

（4）模型在約束條件下自動(dòng)解算達(dá)到平衡狀態(tài)并逐漸形成初始應(yīng)力場(chǎng)，在初始應(yīng)力場(chǎng)趨于平衡后，位移場(chǎng)置零。

3.3 計(jì)算方案及模型

根據(jù)礦山地質(zhì)構(gòu)造、圍巖特性及其分布狀態(tài)，結(jié)合東西部采場(chǎng)工程實(shí)際的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)，設(shè)本次研究的礦巖為黑破巖。對(duì)上述巖體內(nèi)巷道不同掘進(jìn)斷面開(kāi)挖后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。模擬方案見(jiàn)表2。

表2 井巷工程穩(wěn)定性模擬分析方案

在保證計(jì)算工作的順利進(jìn)行及其精度可靠性的前提下進(jìn)行計(jì)算域選取，根據(jù)相關(guān)研究理論，以模型實(shí)際開(kāi)挖尺寸的3～5 倍左右為設(shè)置邊界，此時(shí)開(kāi)挖后受到邊界的影響忽略不計(jì)，此次研究按照模擬開(kāi)挖空間的5 倍建模。

對(duì)于巷道斷面形狀為三心拱和半圓拱，規(guī)格均為3.0 m×3.0 m的計(jì)算模型見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 黑破巖體三心拱巷道模擬分析模型

圖2 黑破巖體半圓拱巷道模擬分析模型

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 三心拱巷道

三心拱巷道開(kāi)挖后位移模擬分析見(jiàn)圖3（a），

四周均產(chǎn)生了較大的位移，拱頂位移為8.5 mm，底板位移為11 mm，拱墻為10.5 mm，頂?shù)装搴蛢蓭涂s進(jìn)達(dá)到20 mm左右，發(fā)生兩幫鼓出、頂板冒落和底鼓傾向。

應(yīng)力分布規(guī)律見(jiàn)圖3（b），拱頂應(yīng)力為10.0 MPa，拱腳應(yīng)力為15 MPa，幫壁應(yīng)力為5 MPa，拱肩應(yīng)力為10.5 MPa，巷道周邊均發(fā)生不同程度的應(yīng)力釋放。

塑性區(qū)分布規(guī)律見(jiàn)圖3（c），巷道周邊均發(fā)生不同程度的破壞，在巷道周邊形成了一個(gè)環(huán)狀的破壞圈，破壞圈與巷道邊界距離較小，破壞圈內(nèi)以張拉破壞為主，而破壞圈外部以剪切破壞為主；塑性區(qū)深度達(dá)到0.6 m。

圖3（d）為開(kāi)挖后巷道周邊圍巖的強(qiáng)度系數(shù)等值線圖，隨深度的加大，強(qiáng)度系數(shù)變化較小，拱頂0.5 m位置為 0.52，1 m位置達(dá)到 0.78，拱頂4 m處僅為 3.13，安全系數(shù)較小。在黑破巖體內(nèi)開(kāi)挖巷道時(shí)，應(yīng)采取超前支護(hù)和全斷面支護(hù)措施。

圖3 黑破巖體內(nèi)巷道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性分析

3.4.2 半圓拱巷道

半圓拱巷道開(kāi)挖后位移模擬分析見(jiàn)圖4（a）。由圖4（a）可知，巷道四周均產(chǎn)生了較大的位移，拱頂位移為7.6 mm，底板位移為10 mm，拱墻為10 mm，頂?shù)装搴蛢蓭涂s進(jìn)達(dá)到15 mm左右，存在兩幫鼓出、頂板冒落和底鼓傾向。

應(yīng)力分布規(guī)律見(jiàn)圖4（b），拱頂應(yīng)力為9.5 MPa，拱腳應(yīng)力為14 MPa，幫壁應(yīng)力為4.5 MPa，拱肩為9 MPa，巷道周邊均發(fā)生不同程度的應(yīng)力釋放。

塑性區(qū)分布規(guī)律見(jiàn)圖4（c），巷道周邊均發(fā)生不同程度的破壞，在巷道周邊形成了一個(gè)環(huán)狀的破壞圈，破壞圈與巷道邊界距離較小，破壞圈內(nèi)以張拉破壞為主，而破壞圈外部以剪切破壞為主；塑性區(qū)深度達(dá)到 0.5 m。

圖4 黑破巖體內(nèi)巷道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性分析

圖4（d）為開(kāi)挖后巷道周邊圍巖的強(qiáng)度系數(shù)等值線圖，隨深度的加大，強(qiáng)度系數(shù)變化較小，拱頂0.5 m位置為0.52，1 m位置達(dá)到 0.78，拱頂4 m處僅為3.39，安全系數(shù)較小。在黑破巖體內(nèi)開(kāi)挖巷道時(shí)，應(yīng)采取超前支護(hù)和全斷面支護(hù)措施。

4 結(jié)論

（1）巖體內(nèi)采用不同的巷道輪廓開(kāi)挖后，三心拱和半圓拱的圍巖穩(wěn)定性情況略有區(qū)別，整體來(lái)說(shuō)巷道斷面為半圓拱時(shí)的受力情況較三心拱好一些，后期可通過(guò)簡(jiǎn)單的支護(hù)措施解決該問(wèn)題，考慮到巷道斷面利用率和掘進(jìn)成本等因素，該礦山最終選擇的巷道掘進(jìn)斷面形式為三心拱。但黑破巖內(nèi)成巷后可能發(fā)生冒頂和片幫事故，因此巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)采取超前支護(hù)措施，以防止圍巖破壞發(fā)展導(dǎo)致支護(hù)困難。

（2）巷道斷面設(shè)計(jì)與井下實(shí)際地質(zhì)狀況的充分一致，對(duì)于提升巷道使用的安全性和持續(xù)性意義重大。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠的重視，需結(jié)合地質(zhì)狀況開(kāi)展針對(duì)性地改良提升，從而讓巷道斷面布設(shè)方案更加貼合實(shí)際使用需求，實(shí)現(xiàn)巷道使用安全性和礦井綜合效益的雙提升。