自然崩落法底部結(jié)構(gòu)破碎區(qū)域鋼拱架支護(hù)分析與研究

王 歡 朱俊寧 楊云強(qiáng)

（金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司）

自然崩落法生產(chǎn)能力大，作業(yè)安全，開(kāi)采成本低，已在美國(guó)、加拿大、南非、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用［1-2］。但適用于該方法的礦山其礦體節(jié)理裂隙較發(fā)育，為底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性埋下隱患。自然崩落法底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及穩(wěn)定時(shí)間決定了出礦數(shù)量，而發(fā)育的斷層、應(yīng)力集中、放礦擾動(dòng)等易對(duì)其造成影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、大變形巷道支護(hù)進(jìn)行過(guò)研究，我國(guó)學(xué)者通過(guò)研究在不同拱架直徑工況下卡纜螺栓預(yù)緊力、拱架直徑變化以及偏載對(duì)拱架承載能力及穩(wěn)定性的影響，H型鋼拱架支護(hù)隧道圍巖變形、支護(hù)構(gòu)件受力變化規(guī)律，直墻半圓拱形鋼管混凝土支架與U型鋼支架力學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)等，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)圍巖、不同開(kāi)挖方法下軟弱圍巖控制機(jī)制提出了有效的支護(hù)方式［3-5］。國(guó)外學(xué)者通過(guò)對(duì)收斂約束法的支護(hù)方法、拱架變形特征曲線等研究發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土支架作為一種新的支護(hù)架型，具有支護(hù)能力強(qiáng)且施工安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［6］。

普朗銅礦3 720 m水平底部結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，其破壞區(qū)域（S3-S5出礦穿脈）以成片形式發(fā)生支護(hù)體破壞、頂板沉降及垮塌。地壓造成48個(gè)出礦進(jìn)路關(guān)閉，嚴(yán)重影響礦山經(jīng)濟(jì)，已先后采用錨網(wǎng)噴+圍巖注漿，鋼條帶+噴混凝土，鋼板+長(zhǎng)錨索澆筑，鋼管混凝土柱+長(zhǎng)錨索等支護(hù)方式進(jìn)行處理，但效果不理想。因此，必須尋求有效的支護(hù)方式。

1 底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素眾多，分析其變形因素來(lái)自斷層破碎帶、拉底爆破、次生應(yīng)力場(chǎng)等。斷層及影響區(qū)域本身巖體破碎、拉底、膨脹、應(yīng)力疊加造成的應(yīng)力重新分布和集中現(xiàn)象是斷層下底部結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定的主要原因，且發(fā)生破壞的地段為多條斷層的交匯、近距離地帶，應(yīng)力分布更加復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)破壞情況，分析底部結(jié)構(gòu)破壞主要影響因素如下。

（1）發(fā)育的斷層及影響區(qū)域巖體破碎。變形區(qū)常出現(xiàn)斷裂，且節(jié)理裂縫比較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。首采區(qū)南部是多斷裂交錯(cuò)區(qū)域，巖體整體斷裂，但穩(wěn)定性并不好。斷層相互交錯(cuò)，導(dǎo)致礦體崩落朝著軟弱夾層，特別是斷層部位持續(xù)發(fā)展，地表塌陷位置發(fā)生偏移，相應(yīng)礦體錯(cuò)斷。

（2）應(yīng)力集中。拉底推進(jìn)線附近（前后20 m）巷道開(kāi)挖后圍巖承受的高應(yīng)力突出，在拉底推進(jìn)線附近，圍巖承受的應(yīng)力尤為突出，通常在底部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象。斷層的錯(cuò)斷導(dǎo)致地應(yīng)力在通過(guò)斷層時(shí)被割斷，即在周圍形成應(yīng)力集中，斷層和巷道雙重產(chǎn)生的次生應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，作用于巷道、硐室等周圍，形成壓力、拉底和剪切力的重合作用，對(duì)底部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生威脅。

（3）放礦對(duì)底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。底部結(jié)構(gòu)得到充分泄壓的前提條件是各出礦口上部形成的放礦橢球體及影響區(qū)域相交，特別是在穿脈上部的桃形體相交。因放礦橢球體直徑?jīng)Q定的橢圓形影響區(qū)域的面積受橢球體直徑制約，在底部結(jié)構(gòu)間距不變的情況下，放礦橢球體不能在穿脈相交，則可能在礦柱上部形成脊柱，形成長(zhǎng)期的脊柱壓力，從而增加頂板壓力。

（4）其他影響因素有出礦擾動(dòng)、涌水、突泥等。自然崩落法核心是放礦，持續(xù)出礦導(dǎo)致采場(chǎng)應(yīng)力處于變化狀態(tài)，造成對(duì)底部結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定的環(huán)境，影響底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。地表水或降雨穿過(guò)斷層滲入井下，巖石中含碳、鈣等化合物與水反應(yīng)融合，軟化礦巖，降低底部結(jié)構(gòu)承載力。雨季期間雨水帶著泥土通過(guò)巖石裂縫、出礦坑匯入井下，一方面對(duì)鏟運(yùn)機(jī)出礦造成威脅，另一方面未放出的泥漿長(zhǎng)時(shí)間保留在裂縫中，凝固后遇水膨脹，對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成影響。

2 鋼拱架破壞力學(xué)分析

2.1 U型鋼拱架承載力分析

U型鋼拱架具有增阻速度快、可縮讓壓、安裝方便、適應(yīng)性廣、可多次復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常被用于深部軟弱巷道支護(hù)［7］。U型鋼拱架通過(guò)提供被動(dòng)的徑向支護(hù)力，直接作用于巷道圍巖表面，來(lái)平衡圍巖的變形壓力，約束巷道變形。在自然崩落采礦法中，巖石的可崩性與底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相矛盾，保證巖石的可崩性時(shí)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性難以保證，因此底部結(jié)構(gòu)巷道容易發(fā)生變形破壞。在不影響出礦情況下，允許巷道存在一定程度的變形，因此U型鋼拱架的可伸縮性得到體現(xiàn)［8］。

將U型鋼拱架簡(jiǎn)化為鉸拱模型（圖1）［3］，其拱半徑為R1，墻高為h，拱架寬L，計(jì)算模型從拱、腿連接位置開(kāi)始起拱，拱腿載荷分別為q1，q2，q3。假設(shè)支架受均布載荷作用，拱腿部分的均布載荷為q1、q3，拱部的均布載荷為q2。拱腳約束力為F1、N1，F(xiàn)3、N3，連接部位約束力為F2、N2。

假設(shè)拱架受均布荷載，取拱腿分析可得拱腿腳的垂直支反力為

對(duì)于拱頂任意截面，其彎矩M、剪力Q、軸力T分別為

式中，R1為拱架半徑，m；θ為極坐標(biāo)角度，（°）；?1、?2分別為起始角、圓心角，（°）。

由圖2可知：

式中，a為側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)的平衡拱跨度，m；a1為自然平衡拱的最大跨度，m；b為自然平衡拱的最大高度，m；b1為頂板巖層的最大破壞深度，m；c為兩幫的最大破壞深度，m；f為巖石的堅(jiān)固定系數(shù)；γ為容重，kN/m3。

現(xiàn)場(chǎng)巖石的堅(jiān)固性系數(shù)f=6～8，銅礦的內(nèi)摩擦角φ=27.8°，γ取值為26.8 kN/m3；支架拱腿高度h=2.3 m，寬度L=4.2 m，支架拱形半徑a=R1=2.1 m；側(cè)壓系數(shù)λ=1.2，起始角?1=14°，圓心角?2=152°。支架的截面面積A=36.92 cm2，抗彎截面系數(shù)Wx=92.3 cm4，屈服強(qiáng)度極限［σ］=400 MPa。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得b=0.3 m，c=1.38 m，a1=3.48 m；q2max=15.54 kN/m，q1max=λq2max=18.65 kN/m；N=N1=33.48 kN，F(xiàn)=F1=32.63 kN，Mmax=-16.59 kN·m，Qmax=19.22 kN，Tmax=48.29 kN；則拱部的屈服強(qiáng)度σmax=

由計(jì)算結(jié)果可知，拱部的屈服強(qiáng)度校核大于U29型鋼支架的屈服強(qiáng)度極限［σ］=400 MPa，圍巖對(duì)支架的拱部應(yīng)力使其薄弱位置發(fā)生變形破壞，從現(xiàn)場(chǎng)觀察來(lái)看，容易發(fā)生破壞的位置主要是卡槽連接位置以及起拱應(yīng)力集中部位。

2.2 鋼管混凝土拱架承載力分析

鋼管混凝土拱架的作用機(jī)理是混凝土在鋼管包裹下受到壓力時(shí)產(chǎn)生橫向膨脹變形，變形過(guò)大時(shí)，鋼管壁將對(duì)混凝土產(chǎn)生約束；圍壓下的混凝土軸向力與圍壓同時(shí)施加，圍巖恒定后繼續(xù)增加軸壓，直到混凝土變形屈服［4］。

取拱架頂部受力部分，假設(shè)拱架處于理論狀態(tài)下，即拱架圓弧部分受均布徑向荷載，內(nèi)力中僅有軸向力，彎曲效應(yīng)用偏心系數(shù)反應(yīng)，建立鋼管混凝土拱架計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

鋼管屈服符合Mises屈服準(zhǔn)則，可得構(gòu)件支護(hù)反力

經(jīng)計(jì)算，得

式中，Nu為軸向支撐力，kN，可由試驗(yàn)結(jié)果得到；s為拱架排距，m；σ為徑向支護(hù)反力，kN；?1為長(zhǎng)細(xì)比折減系數(shù)；?f為偏心率對(duì)承載力影響的折減系數(shù)；?為圓弧拱穩(wěn)定系數(shù)；N0為鋼管混凝土短柱軸壓承載力理論計(jì)算值，MPa。

當(dāng)混凝土屈服破壞時(shí)，其承載力作為鋼管混凝土的極限承載力，因此，以鋼管和混凝土同時(shí)達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)的承載力為依據(jù)，計(jì)算公式為

隨均布荷載向集中荷載變化，圓弧拱最大彎矩值不斷增加，集中荷載下圓弧拱變形類似曲梁，采用危險(xiǎn)截面法計(jì)算鋼管混土圓弧拱構(gòu)件的抗彎承載力，計(jì)算公式：

式中，k1為圓弧拱修正系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.8；R2，r為鋼管拱架內(nèi)外半徑，m；α0為中性軸偏移角度，（°）；fy2為底部鋼管的屈服強(qiáng)度；d為底部鋼管直徑，m。

普朗銅礦采用鋼管拱架為焊接鋼管，鋼管壁厚22 mm，fs=275 MPa，fc=42.5 MPa，鋼管彈性階段泊松比v=0.3，混凝土彈性階段泊松比v=0.2，α0=56°，R=2.836 m，r=2.617 m，則有?=0.25，α=1.38，β=6.14。將數(shù)值代入上式得Mu0=210.82 MPa。

2.3 H型鋼拱架承載力分析

取H型鋼拱架微元體作計(jì)算模型［9］，H型鋼拱架的彎矩、軸力和剪力分別為M、N、Q，受力分析如圖4所示。

將外力沿法線n、切線τ分解，對(duì)微元體進(jìn)行受力分析可知，沿法線n可列出受力平衡方程為

沿切向τ可列出受力平衡方程為

對(duì)微元體形心取矩

式中，pn為沿法線n的正應(yīng)力；pτ為沿切線的切應(yīng)力。

將M，N采用位移的方式表示，引入對(duì)稱邊界條件、圍巖壓力P及圍巖壓力比k，P=q（x）+q（y），k=q（x）/q（y），可導(dǎo)出

可知q（x）=18.65 kN/m，q（y）=15.54 kN/m，R=3.84 m，則p=34.19 kN/m，k=1.2，θ=63°，將數(shù)值代入上式得M=40.32 MPa，N=-137.85 MPa，Q=9.57 MPa。

3種拱架力學(xué)性能見(jiàn)表1，根據(jù)3種拱架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，U型拱架彎矩較小，抗剪不抗彎；鋼管混凝土拱架的彎矩較大，軸應(yīng)力較小；H型鋼拱架剪應(yīng)力較小。

3 鋼拱架支護(hù)試驗(yàn)

針對(duì)S4、S5出礦穿脈破壞區(qū)域，選取試驗(yàn)地點(diǎn)。試驗(yàn)地點(diǎn)選取主要遵循2個(gè)要求：地質(zhì)條件相同和破壞程度相同。S4、S5穿脈西沿被FⅡ斷層帶與FⅢ斷層帶切割，交匯在S4-S5-W9聚礦道，F(xiàn)Ⅱ-1斷層和FⅢ-1斷層基本關(guān)于FⅡ-2斷層對(duì)稱。S4-E7（S5-E5）以西至W18（S5-W17）區(qū)域，巖體為淺灰—灰白色的石英二長(zhǎng)斑巖，呈弱風(fēng)化，經(jīng)定性測(cè)量巖體的普氏硬度系數(shù)f=3～4，屬堅(jiān)硬巖。該段巷道投入生產(chǎn)以來(lái)，其四周巖體所受地應(yīng)力不再穩(wěn)定；3 736 m水平以上不斷崩落的礦塊（尤其是大塊礦石）對(duì)巷道四周巖體不斷地沖擊，使得原來(lái)閉合較好節(jié)理面又重新張開(kāi)，其貫通性也不斷變好；在此過(guò)程中，還可能產(chǎn)生大量的新裂隙，巖體完整性可能由較完整逐步變成了破碎—極度破碎。且該區(qū)域出礦口眉線破壞情況相似，均為出礦口收斂變形，拱架脫落。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選出破壞情況極為相似的出礦進(jìn)路，分別為S4-E2、S4-E4、S4-E6，S5-W1、S4-E1、S4-E3。

支護(hù)形式為長(zhǎng)錨索+鋼拱架+澆灌，選用3種鋼拱架，分別為U型鋼拱架、鋼管混凝土拱架和H型鋼拱架。將3種拱架按對(duì)稱線（FⅡ-2斷層）分配這6個(gè)地點(diǎn)，制定試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

主要施工工藝為首先按照設(shè)計(jì)斷面尺寸對(duì)出礦進(jìn)路進(jìn)行刷擴(kuò)，刷擴(kuò)斷面要求尺寸偏大，便于拱架安裝；標(biāo)定拱架位置后施工固定錨桿，采用?22 mm螺紋鋼砂漿錨桿；根據(jù)標(biāo)定位置安裝鋼拱架，用固定錨桿焊接，拱架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，拱架之間用14#槽鋼連接成整體；最后用C25混凝土進(jìn)行澆灌，澆灌厚度為100 mm。

4 工藝效果評(píng)價(jià)

按照試驗(yàn)方案施工鋼拱架，并對(duì)試驗(yàn)出礦口進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果可知，U型鋼拱架出礦口出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂，但拱架完好；鋼管拱架出礦口未出現(xiàn)變化；H型鋼拱架出礦口混凝土開(kāi)裂，支撐腿彎曲變形。

在S4-E2、E4、E6，S5-W1、E1、E3出礦進(jìn)路支護(hù)完成后布置沉降觀測(cè)點(diǎn)和收斂變形觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行初始測(cè)量，隨后定期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

出礦口拱架變形最大的是U型鋼拱架，破壞最嚴(yán)重的是H型鋼拱架，較穩(wěn)定的是鋼管混凝土拱架。根據(jù)底鼓量可知，鋼管混凝土拱架對(duì)底板保護(hù)較好，原因是該拱架設(shè)置了底梁，有效防止了底鼓；U型鋼拱架雖然也有底撐，對(duì)底板也起到一定作用。

5 結(jié)論及建議

（1）普朗銅礦斷層及影響區(qū)域本身巖體破碎，拉底、膨脹、應(yīng)力疊加造成的應(yīng)力重新分布和集中現(xiàn)象是斷層下底部結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定的主要誘因。

（2）U型鋼拱架通過(guò)徑向支護(hù)力來(lái)平衡圍巖的變形壓力；鋼管混凝土拱架通過(guò)混凝土膨脹產(chǎn)生側(cè)壓力約束；H型鋼拱架通過(guò)自身剛性結(jié)構(gòu)來(lái)平衡圍巖的變形壓力。3種拱架受力點(diǎn)不同，提供承載力不同。

（3）對(duì)比另外2種拱架可知，鋼管混凝土軸向抗壓強(qiáng)度高，抗彎、抗剪強(qiáng)度低，容易發(fā)生抗拉破壞。

（4）礦口拱架變形最大的是U型鋼拱架，破壞最嚴(yán)重的是H型鋼拱架，較穩(wěn)定的是鋼管混凝土拱架。

（5）根據(jù)底鼓量可知，鋼管混凝土拱架對(duì)底板保護(hù)較好，原因是該拱架設(shè)置了底梁，有效防止了底鼓；U型鋼拱架也有底撐，對(duì)底板也起到一定作用。