復雜矽卡巖巷道錨桿支護參數優化研究

王立杰 耿 帥 尹愛民 張素娜 何 偉

(河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司,河北 邢臺 054100)

我國礦山巷道最常用和經濟的支護方式為錨網噴支護,其主要以錨桿為主體控制巷道圍巖變形與破壞,錨桿在錨網噴支護體系中起著至關重要的作用。其錨桿長度與間排距的選取及預應力的加載是體現支護效果的關鍵因素,合理的匹配參數方能完全發揮支護作用,既降低成本又提高支護效果。近年來,錨網噴支護在國內煤巷及金屬礦山巷道得到較快發展,但錨桿支護參數的設計及優化一直是實際工程中的難題,針對支護優化,學者們做了大量研究工作。董方庭等[1-4]采用巷道圍巖松動圈理論對錨桿支護參數進行優化;伍永平等[5]采用有限元ANSYS二維數值模擬研究錨桿支護參數;康紅普等[6-13]采用有限差分FLAC3D三維數值模擬確定錨桿支護參數。本文針對某鐵礦復雜破碎矽卡巖巷道,現有錨網噴支護參數不合理,支護效果不理想,在松動圈支護理論的基礎上,采用FLAC3D三維數值模擬進行錨網噴支護參數優化研究。

1 工程概況

某鐵礦井下-260 m水平圍巖以矽卡巖為主,巷道埋深483 m,現有支護方式主要為錨網噴支護,常用錨桿為φ20 mm的螺紋鋼,長1.8 m,網度 1 m×1 m,采用網度為0.1 m×0.1 m和φ6 mm圓鋼為編網,噴漿厚度100 mm。但支護效果不理想,經常出現支護體開裂、頂板冒落、片落等現象,部分巷道需要多次返修支護。對礦山正常生產產生嚴重影響,同時又增加支護成本,亟需對支護參數進行優化研究。

2 巷道圍巖松動圈測試及分類

2.1 巷道圍巖松動圈測試

為進一步優化錨網噴支護參數,礦山前期進行了-260 m水平巖石力學試驗和工程地質調查,并采用探地雷達進行巷道松動圈測試。根據礦巖力學特征、巷道支護及表面平整情況,在-260 m中段巷道共選取10個具有代表性的測點,-260 m中段巷道寬4.1 m高3.85 m。為提高測試結果的準確性,分析過程主要采用沿巷道走向進行松動圈厚度測量。

根據礦山井下巷道圍巖主要為矽卡巖,圍巖較為破碎、遇水膨脹等特性,采用比擬法對已知物體進行不同波速下雷達探測,結合常規介質中電磁波的傳播速度,設置井下巷道松動圈雷達探測電磁波速度為17 cm/ns。圖1為部分測點沿巷道走向松動圈地質雷達測試波形圖,波形清晰的區域為巷道圍巖松動圈厚度范圍。

圖1 部分測點松動圈測試結果Fig.1 Loose circle test results of some measuring points

本次沿巷道走向測試巷道圍巖松動圈,測試總長度約101.70 m,對測試結果進行分類統計,并繪制-260 m巷道圍巖松動圈厚度分布情況圖,詳見圖2。由圖2可以看出,松動圈厚度在1.00～2.50 m之間變化,其中松動圈厚度在 0～1.25 m范圍的占7.32%;1.25～1.50 m范圍的占31.38%;1.50～2.00 m范圍的占54.14%;2.00～2.50 m范圍的占7.16%。反映了巷道圍巖力學性質空間變異很大,其中松動圈厚度在1.25～2.00 m范圍占比最大約85.52%。為提高巷道支護效果,需要根據松動圈的厚度和巖體結構特征,對巷道圍巖進行工程分類,在巷道圍巖分類的基礎上,分類設計對應的支護方案。

圖2 松動圈厚度分布情況Fig.2 Loose ring thickness distribution

2.2 巷道圍巖分類

在前期巖石力學試驗、工程地質調查的基礎上,結合-260 m巷道圍巖松動圈測試結果,根據圍巖裂隙發育情況、塊體咬合力強弱和結構體大小,結合點荷載實驗強度結果及松動圈測試結果,將矽卡巖圍巖分為3類,如表1所示。可看出,矽卡巖等蝕變圍巖互相嵌入復合,松動圈特征復雜且厚度寬泛,在0～2.50 m范圍變化。為提高支護的針對性和有效性,進行分類支護方案優化。

表1 矽卡巖巷道圍巖分類Table 1 Skarn roadway surrounding rock classification

3 巖體力學參數確定

巖體力學參數的確定一直是十分棘手的問題,室內力學試驗結果往往不具有代表性。故本次在前期點荷載試驗結果的基礎上,采用FLAC3D軟件進行巖體力學參數反演,強度參數的反演依據現場測試圍巖松動圈范圍,變形參數的反演依據現場地壓監測的位移。采用黃金分割迭代法按式(1)進行多次計算,根據已有巷道圍巖資料,結合現場地壓監測結果,優先確定巖體強度參數,再反演巖體變形參數,最后得到符合-260 m巷道地質條件的巖體力學參數如表2。經驗證,與實際圍巖較相符。

表2 巖體力學參數反演結果Table 2 Inversion results of rock mechanical parameters

式中,R為目標函數;X0為實測值;Xi為模擬計算值。

4 巷道支護錨桿參數優化

4.1 建立三維數值模型

以-260 m水平巷道為例,采用Rhino和Griddle軟件建模,巷道形狀為三心拱形,尺寸為4.1 m×3.85 m,模型長70 m、寬 45 m、高 45 m,共劃分7 765 666個單元,140 196個節點。

4.2 錨桿長度優化

結合表1中巷道圍巖松動圈測試結果,依據松動圈理論,分別確定每類圍巖支護錨桿最佳長度[1-4]:

式中,L為錨桿總長度;L1為錨固段長度,依據實踐經驗取0.3～0.5 m;L2為巷道圍巖松動圈厚度值,取最大值;L3為錨桿外露長度,依據實踐經驗取0.05～0.1 m。最終確定前述Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類巷道支護錨桿的最佳長度分別為2.4、2.8和3.2 m。

4.3 錨桿預應力設定

錨桿施加預應力的作用是使軟巖間形成整體應力區。根據工程實踐,錨桿型號 HRB400,直徑20 mm,其預應力范圍為38～63 kN。通過對錨桿預應力場模擬研究表明,當錨桿預緊力為45～55 kN時,支護產生的應力場最大,結合工程實踐可判斷,錨桿預應力設定50 kN較為合理。

4.4 錨桿間排距優化模擬方法

為確定合理的錨桿間距及排距,在巷道頂部、底板、右幫、左幫等處各設置巷道圍巖變形監測點,利用所測得的圍巖變形量和前述巖石力學參數,按已確定的錨桿最佳長度和最佳預應力值,以錨桿間、排距互為定量和變量,通過FLAC3D模擬計算不同巖體性質及工況的圍巖塑性區面積,根據塑性區面積和巷道變形量確定合理的錨桿間距及排距。

4.4.1 錨桿間距優化

結合實踐經驗,按前述3類巷道圍巖類別分別計算分析 700、800、900、1 000 mm計4個間距的巷道塑性區面積及變形量。其中,錨桿排距依據經驗設為較常用的800 mm,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿長度分別為2.4、2.8 和3.2 m。以Ⅱ類矽卡巖巷道為例,表3為Ⅱ類矽卡巖巷道不同錨桿間距數值模擬結果,圖3為巷道圍巖變形云圖。

表3 不同錨桿間距數值模擬結果Table 3 Numerical simulation results of different bolt spacing

由表3及圖3可判斷,巷道圍巖塑性區面積和變形量隨錨桿間距的增加而增加[9],具體表現:

圖3 不同錨桿間距數值模擬云圖Fig.3 Numerical simulation cloud diagram of different bolt spacing

(1)錨桿間距為700 mm時,頂板下沉量26.25 mm、底鼓量22.47 mm、左幫移近量35.66 mm、右幫移近量35.18 mm、塑性區面積19.43 m2。

(2)當錨桿間距增加到800 mm時,頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右幫移近量、塑性區面積較錨桿間距700 mm時增加幅度分別為0.83%、0.53%、3.22%、2.72%、1.95%。

(3)當間距增加到900 mm時,頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右幫移近量、塑性區面積較間距700 mm時增加幅度分別為 3.16%、0.97%、8.58%、7.87%和10.39%。

(4)當間距增加到1 000 mm時,頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右幫移近量、塑性區面積較間距700 mm時增加幅度分別為3.20%、1.24%、10.15%、9.74%和12.55%。

綜上分析,錨桿間距從800 mm增加至900 mm時對巷道變形影響較大;從700 mm增加至800 mm和從900 mm增加至1 000 mm時影響較小。綜合考慮確定Ⅱ類矽卡巖巷道支護錨桿間距為800 mm。同理,確定Ⅰ類矽卡巖巷道支護錨桿間距為900 mm,Ⅲ類矽卡巖巷道支護錨桿間距為700 mm。

4.4.2 錨桿排距優化

按已確定的錨桿長度和間距,其中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿長度分別為2.4、2.8和3.2 m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖的錨桿原排距分別為1 000、800、800 mm,結合實踐,按3類圍巖分別計算分析1 000、900、800、700 mm計4個不同間距的巷道圍巖塑性區面積及變形情況。以Ⅱ類矽卡巖為例,對錨桿排距進行數值模擬分析,表4為不同錨桿排距數值模擬結果,圖4為巷道圍巖變形云圖。從表4及圖4可看出,巷道變形隨錨桿排距的增加而增加,具體表現為:排距從800 mm增加至900 mm時對巷道變形影響較大;排距從700 mm增加至800 mm和從900 mm增加至1 000 mm時影響較小。綜合考慮確定Ⅱ類矽卡巖巷道支護時錨桿排距為800 mm。同理,確定Ⅰ類矽卡巖巷道支護錨桿排距為900 mm,Ⅲ類矽卡巖巷道支護錨桿排距為700 mm。

表4 不同錨桿排距數值模擬結果Table 4 Numerical simulation results of different bolt row spacing

圖4 不同錨桿排距數值模擬云圖Fig.4 Numerical simulation cloud diagram of different bolt row spacing

4.5 錨網噴支護參數確定

根據前述分析并結合工程實踐,最終確定3類矽卡巖巷道錨網噴支護優化方案。Ⅰ類矽卡巖巷道優化支護方案為:錨網噴支護,錨桿直徑20 mm,長度2.4 m,間排距0.9 m×0.9 m,掛網直徑6 mm,網度0.1 m×0.1 m,噴漿厚度100 mm;Ⅱ類矽卡巖巷道優化支護方案為:錨網噴支護,錨桿直徑20 mm,長度2.8 m,間排距0.8 m×0.8 m,掛網直徑6 mm,網度0.1 m×0.1 m,噴漿厚度均150 mm;Ⅲ類矽卡巖巷道優化支護方案為:錨網噴支護,錨桿直徑20 mm,長度3.2 m,間排距0.7 m×0.7 m,掛網直徑6 mm,網度0.1m×0.1m,噴漿厚度150mm。按優化方案對巷道進行二次支護并進行表面位移監測,巷道頂板變形量最大為39 mm,且于 40 d后變形趨于穩定,實踐表明,優化后支護效果較穩定。

5 結 論

(1)采用探地雷達沿巷道走向進行矽卡巖巷道松動圈測試,對松動圈厚度分布結果進行統計分類,其中松動圈厚度在0～1.25 m范圍的占7.32%;1.25～1.50 m范圍的占31.38%;1.50～2.00 m范圍的占54.14%;2.00～2.50 m范圍的占7.16%。根據松動圈測試結果及圍巖結構特征將矽卡巖圍巖分為3類,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖巷道圍巖松動圈范圍分別為0～1.25、1.25～2.00、2.00～2.50 m,分3類進行錨桿支護參數優化。

(2)根據松動圈支護理論對錨桿長度進行優化,確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類矽卡巖支護的最佳錨桿長度分別為2.4、2.8 和 3.2 m。

(3)工程實踐及錨桿預應力場模擬研究表明,HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿預緊力設定50 kN較為合理。

(4)利用FLAC3D進行巷道支護數值模擬分析,分別獲得3類矽卡巖巷道錨網噴的合理支護參數,其中Ⅰ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長2.4 m、間排距0.9 m×0.9 m;Ⅱ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長2.8 m,間排距0.8 m×0.8 m;Ⅲ類矽卡巖巷道:HRB400型直徑20 mm錨桿,錨桿長3.2 m,間排距0.7 m×0.7 m。經實踐驗證,支護效果較穩定可靠。