金山店鐵礦采準(zhǔn)巷道噴射混凝土試驗研究

曾順洪，陳清運，董宏濤，魏敬芮，張海建

(1.武漢工程大學(xué)資源與安全學(xué)院； 2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

引 言

巷道是礦井生產(chǎn)中交通、運輸及通風(fēng)等不可缺少的通道，為保證開采工作的正常進(jìn)行、生產(chǎn)人員及財產(chǎn)的安全，必須確保巷道在服務(wù)期間始終處于穩(wěn)定狀態(tài)[1]。巷道開挖后圍巖將產(chǎn)生變形，其圍巖狀態(tài)的改變會對礦井的安全生產(chǎn)造成巨大影響。例如，采場空間范圍內(nèi)巖體變形、破壞、運移將會引發(fā)巷道離層、破斷、垮塌、片幫、底鼓等現(xiàn)象[2]。張斌等[3]采用現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬等方法,對巷道圍巖受擾動影響進(jìn)行研究，提出了解決方案。郭建偉[4]采用離散元數(shù)值模擬方法研究平頂山礦區(qū)巷道圍巖變形破壞及破壞機(jī)理，提出巷道圍巖控制技術(shù)。焦建康等[5]采用現(xiàn)場實測、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析動載沖擊地壓巷道沖擊破壞特征和破壞原因，提出“深部卸壓-淺部強支-巷表防護(hù)”的多層次控制技術(shù)。

巷道開挖后，受特殊環(huán)境影響，不可能馬上進(jìn)行支護(hù)加強，均采用噴射混凝土封閉巷道圍巖，而后再進(jìn)行二次加固支護(hù)，這一過程完成需要15 d左右。此期間噴射混凝土的力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。因此，本文以武鋼資源集團(tuán)有限公司金山店鐵礦(下稱“金山店鐵礦”)為研究背景，通過室內(nèi)試驗測定噴射混凝土的抗壓及抗變形強度，結(jié)合數(shù)值模擬軟件Flac3D分析當(dāng)前噴射混凝土支護(hù)對巷道圍巖的控制及支護(hù)時間，進(jìn)一步分析噴射混凝土存在的問題，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 工程背景

金山店鐵礦主要開采張福山礦床，該礦床處于新華夏系第二隆起帶的次級構(gòu)造鄂城、大磨山主體復(fù)合隆起帶與過渡地帶連接部位，屬于接觸交代型鐵礦床[6]。該礦床東西長3.5 km，南北寬1 km，面積約3.5 km2；分布100多個礦體，尤以Ⅰ、Ⅱ號礦體規(guī)模較大，二者儲量占區(qū)內(nèi)探明鐵總儲量的90 %以上。主要礦體在平面上大致呈NWW—EW向條帶狀展布[7]。

金山店鐵礦井下采準(zhǔn)巷道圍巖表現(xiàn)為“粉、碎、膨”的特征，即粉狀鐵礦、破碎狀矽卡巖、膨脹狀石英閃長巖。工程地質(zhì)條件表現(xiàn)為“高、大、低”的特征，即高地壓、大變形、低強度，巷道開挖后圍巖變形較大。根據(jù)RMR工程地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性分級，其大部分圍巖屬于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，以 Ⅳ、Ⅴ級居多，歸屬塑性流變巖體一類。礦山目前開拓系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到-810 m水平，回采工作主要在-425 m水平，巷道主要支護(hù)形式為噴錨網(wǎng)支護(hù)，局部地段采用鋼拱架支護(hù)。

2 噴射混凝土抗壓和抗變形試驗

2.1 試件制備

2.1.1 現(xiàn)場取樣

金山店鐵礦井下巷道噴射混凝土配比采用水泥、砂、碎石的質(zhì)量比為1 ∶2 ∶2。采用三夾板現(xiàn)場取樣，井下養(yǎng)護(hù)1 d后脫模。噴射混凝土大板試樣見圖1。

圖1 噴射混凝土大板試樣

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)試件制備

將噴射混凝土大板移至實驗室，切割成長、寬、高均為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，共5組，總計15塊。繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d，然后進(jìn)行試驗。噴射混凝土大板切割制樣見圖2。

圖2 噴射混凝土大板切割制樣

2.2 試驗設(shè)備

金山店鐵礦采用WAW-600B型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行強度試驗。該設(shè)備主要規(guī)格、技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：最大試驗力600 kN、示值精度1級、最大壓縮空間400 mm、電動機(jī)總功率3.3 kW。試驗設(shè)備見圖3。

圖3 WAW-600B型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)

2.3 試驗過程

2.3.1 抗壓強度試驗

試塊在原位主要是側(cè)面承擔(dān)壓力，試驗也按此方向進(jìn)行加壓，壓力加載速度0.2 kN/s，直至試塊破壞為止。

2.3.2 變形測定

試塊側(cè)面分別粘貼垂直與水平的應(yīng)變片(見圖4)?？箟簭姸葴y試的同時，分別記錄試塊水平和垂直應(yīng)變。試塊破壞形態(tài)見圖5。

圖4 部分貼好應(yīng)變片的試塊

圖5 試塊破壞形態(tài)

2.4 試驗結(jié)果及分析

噴射混凝土抗壓強度和抗變形強度結(jié)果見表1。由表1可知：金山店鐵礦巷道噴射混凝土修正后的平均抗壓強度為17.05 MPa；彈性模量為7.90～14.55 GPa，平均值為12.28 GPa；泊松比為0.267～0.330，平均值為0.287。試驗得到的噴射混凝土抗壓強度和抗變形強度值與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值相比偏小。

表1 噴射混凝土相關(guān)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

根據(jù)室內(nèi)試驗獲得噴射混凝土抗壓強度及抗變形強度參數(shù)，采用數(shù)值模擬軟件Flac3D研究當(dāng)前噴射混凝土對巷道圍巖的支護(hù)作用。

3.1 模型建立

巷道為三心拱斷面，斷面寬×高為3.6 m×3.4 m，根據(jù)圣維南原理，計算時一般取巷道直徑的3～5倍[8-9]，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，選取計算巷道模型長×寬×高為20 m×12 m×20 m。

3.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

模型x、y方向采取位移固定，模型底部采用位移約束，頂部為自由面且施加上覆巖層自重應(yīng)力，巷道巖體采用Mohr-Coulomb模型模擬。模型共劃分22 800 個節(jié)點，22 464個單元。

3.3 模型參數(shù)選擇

選擇金山店鐵礦西區(qū)-396 m水平采準(zhǔn)巷道為研究對象。巷道圍巖主要為石英閃長巖，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征及巖體分級指標(biāo)，得到石英閃長巖物理力學(xué)參數(shù)[10]，結(jié)果見表2。垂直應(yīng)力為17.4 MPa，水平應(yīng)力為自重應(yīng)力的1.7倍。礦床在開采之前均要進(jìn)行地下水疏干處理，且該地區(qū)水文地質(zhì)條件一般，地表沒有大的水系與礦山發(fā)生水力聯(lián)系，數(shù)值模擬分析過程中不考慮孔隙水壓力的影響[11]。噴射混凝土參數(shù)見表3。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表3 噴射混凝土參數(shù)

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.4.1 巷道開挖圍巖位移

1)巷道開挖圍巖豎直位移分析。數(shù)值模擬一個開挖循環(huán)為2.4 m。巷道開挖后巷道圍巖豎直方向位移變化情況見圖6-a)。由圖6-a)可知：巷道開挖后，巷道頂部圍巖向下移動，最大位移為3.63 mm，其變形表現(xiàn)為“月牙形”；底部圍巖向上移動，最大位移為4.68 mm，底部變形表現(xiàn)為層狀。

2)巷道開挖圍巖水平位移分析。巷道開挖后巷道水平方向圍巖變化情況見圖6-b)。由圖6-b)可知：巷道開挖后，巷道兩邊圍巖變形呈對稱“月牙形”變化，分布在整個巷道兩幫，有向巷道中間移動的趨勢。巷道左、右?guī)妥畲笪灰品謩e為6.10 mm和6.03 mm，兩幫位移較大，與受水平應(yīng)力較大有關(guān)。

圖6 巷道開挖圍巖位移變化云圖

3.4.2 巷道開挖圍巖應(yīng)力分布特征

1)巷道圍巖豎直應(yīng)力。巷道開挖后，圍巖應(yīng)力大小對巷道圍巖穩(wěn)定性影響至關(guān)重要，豎直方向圍巖應(yīng)力分布情況見圖7-a)。由圖7-a)可知：巷道開挖后，在巷道頂、底板形成較大的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力區(qū)呈拱形分布。拱腳和拱肩處分別形成壓應(yīng)力集中區(qū)，壓應(yīng)力集中區(qū)分別存在于拱腳和巷道兩幫，最大垂直應(yīng)力為16.6 MPa，從巷道兩幫向遠(yuǎn)處延伸。

圖7 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

2)巷道圍巖水平應(yīng)力。巷道圍巖應(yīng)力在水平方向分布情況見圖7-b)。由圖7-b)可知：巷道剛開挖時，巷道拱頂、拱腳、底板產(chǎn)生壓應(yīng)力集中區(qū)，最大水平應(yīng)力為23.1 MPa，呈拱形向遠(yuǎn)處擴(kuò)散；拉應(yīng)力集中區(qū)在巷道兩幫形成，呈“月牙形”逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)散。

3)巷道xz方向應(yīng)力。垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力聯(lián)合作用對巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響。對巷道開挖后xz方向應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7-c)。由圖7-c)可知：巷道開挖后,在巷道拱腳和拱肩出現(xiàn)應(yīng)力復(fù)合集中現(xiàn)象，形成以巷道左底腳、右拱肩和右底腳、左拱肩為對角線，呈中心對稱分布的應(yīng)力復(fù)合集中區(qū)；左底腳、右拱肩為拉應(yīng)力集中區(qū)；右底腳、左拱肩為壓應(yīng)力集中區(qū)，拉、壓應(yīng)力集中區(qū)不斷向巷道頂、底板中心靠攏，并逐步向位移深處擴(kuò)散。

3.4.3 噴射混凝土支護(hù)圍巖位移分析

巷道開挖后，噴射混凝土支護(hù)變形放大50倍的結(jié)果見圖8。由圖8可知：噴射混凝土在靠近開挖掌子面的地方變形較大，最大位移為4.48 mm。隨著與掌子面距離的增加，噴射混凝土變形逐漸減小，兩幫邊墻部分有向巷道中央移動的趨勢。這可能是巷道開挖后兩幫變形較大所致，越靠近掌子面，圍巖位移變化趨勢越明顯。

圖8 噴射混凝土支護(hù)變形放大50倍的情況

3.4.4 支護(hù)前后圍巖位移對比分析

對巷道開挖后的拱頂、邊墻、拱肩和底腳進(jìn)行位移監(jiān)測，得到巷道開挖后無支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)后的位移變化(見圖9)。由圖9可知：巷道開挖后，無支護(hù)時,拱頂、邊墻、拱肩最大位移量分別為4.92 mm、6.46 mm、4.01 mm；噴射混凝土支護(hù)后，拱頂、邊墻、拱肩最大位移量分別減小為4.30 mm、6.02 mm、3.47 mm；可見噴射混凝土支護(hù)可以抑制圍巖變形，拱頂、邊墻及拱肩位移量分別減少了0.62 mm、0.44 mm、0.54 mm，為巷道進(jìn)行二次加強支護(hù)贏得時間。巷道無支護(hù)，時間步為7.0×103步時，其變形量基本達(dá)到穩(wěn)定，后期變化不大；在6.0×103～7.0×103步時圍巖發(fā)生劇烈變形，拱頂、邊墻、拱肩位移變化量分別為1.15 mm、1.14 mm及1.02 mm，巷道支護(hù)應(yīng)該在此段時間內(nèi)進(jìn)行；5.9×103～6.0×103步時圍巖位移不變。

圖9 巷道開挖圍巖位移變化曲線

4 討論與建議

4.1 討 論

根據(jù)GB 50086—2015 《巖土錨固與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[12]，噴射混凝土設(shè)計強度等級不應(yīng)低于C20。金山店鐵礦噴射混凝土設(shè)計強度為C20，按此要求其抗壓強度應(yīng)為20 MPa，彈性模量理論值為23 GPa。 通過室內(nèi)試驗可知，金山店鐵礦噴射混凝土抗壓及抗變形強度除第2組抗壓強度達(dá)到要求外，其余各組試塊指標(biāo)均未達(dá)到設(shè)計值，與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)還有一定的差距。通過對現(xiàn)場施工工藝調(diào)查、分析，得到造成此結(jié)果的原因可能為：

1)噴射混凝土試塊切割后蜂窩麻面比較多，骨料集配不均勻，顆粒間黏結(jié)不夠牢固。

2)噴射混凝土強度沒有達(dá)到設(shè)計要求，可能與細(xì)骨料為機(jī)制砂、含泥較多有關(guān)，也可能與速凝劑添加量較多有關(guān)。

3)噴射混凝土拌和料在井下平均滯留時間長達(dá)1.5 h，超過20 min的要求，這是導(dǎo)致強度降低的重要原因。

4.2 建 議

1)進(jìn)行機(jī)制砂與黃砂作為噴射混凝土細(xì)骨料的對比試驗研究。

2)進(jìn)行噴射混凝土工藝流程考察，優(yōu)化噴射混凝土的工藝。

5 結(jié) 論

以金山店鐵礦采準(zhǔn)巷道為背景，研究噴射混凝土性能對巷道圍巖的支護(hù)效果。通過室內(nèi)試驗測定其抗壓強度及抗變形強度參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬軟件Flac3D分析噴射混凝土支護(hù)對巷道圍巖的支護(hù)效果，得出了以下結(jié)論：

1)通過室內(nèi)噴射混凝土抗壓及抗變形強度試驗，得到噴射混凝土修正后的平均抗壓強度為17.05 MPa；彈性模量為7.90～14.55 GPa，平均值為12.28 GPa；泊松比為0.267～0.330，平均值為0.287。

2)通過數(shù)值模擬，得到噴射混凝土能較好地控制圍巖變形，在靠近掌子面的地方噴射混凝土變形較大，最大位移為4.48 mm，隨著與掌子面距離增加，位移逐漸減小。

3)分析了當(dāng)前噴射混凝土存在的問題，并給出了相應(yīng)的解決措施。