高海拔破碎圍巖排水巷道錨索支護參數優(yōu)化

摘要：合理的支護形式與支護參數是確保巷道圍巖穩(wěn)定的關鍵。巨龍銅礦排水巷道Ⅳ級圍巖區(qū)域采用錨桿+金屬網+噴漿進行聯合支護效果較差。針對巨龍銅礦Ⅳ級圍巖區(qū)域支護存在的問題，在現有支護基礎上增加錨索和鋼拱架支護，同時增加噴漿厚度。設計了不同錨索支護參數，利用有限元數值模擬軟件進行了錨索支護參數優(yōu)化。結果表明：巷道圍巖頂板處存在明顯應力集中現象。隨著錨索支護參數增加，巷道頂板處最大應力值增加。隨著錨索間排距增大，巷道頂板最大位移增加，錨桿間距由1.2 m增加至2.0 m，巷道頂板位移分別為4 mm、4.38 mm、4.82 mm。錨索最優(yōu)支護參數為1.6 m×2.4 m。研究結果為類似巷道錨索支護參數選取提供了理論參考。

關鍵詞：高海拔；巷道支護；破碎圍巖；錨索支護；數值模擬

中圖分類號：TD353文章編號：1001-1277（2024）05-0009-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240503

引言

隨著中國經濟高質量發(fā)展，礦產資源作為經濟發(fā)展基礎被大量開發(fā)應用，淺部且賦存狀態(tài)良好的礦產資源近年來大量縮減，深部礦床、高海拔礦床的開采成為了資源開發(fā)的主流方向［1-5］。井巷作為礦產資源開采所必需的基礎設施，其安全性關系著礦山開發(fā)的成敗［6-8］。由于高海拔礦床井巷施工極易遇不良地質條件，故不良地質條件下高海拔巷道支護參數需進行詳細的優(yōu)化工作，以保證井巷施工、營運的安全性［9-11］。陳才賢等［12］以西藏某銅礦皮帶巷道為工程背景，采用數值模擬軟件分析了不同支護方案下巷道開挖支護穩(wěn)定性，并對皮帶巷支護方案與參數進行了優(yōu)化，通過現場監(jiān)測驗證了該方案滿足礦區(qū)皮帶巷運輸安全的要求。丹增等［13］針對高寒高海拔和軟巖地質條件下某隧洞施工過程中遇到的工程問題，研究采用超前支護+剛性支護+柔性支護+有序排水的支護技術，結果表明，該技術可以有效處理圍巖支護難題，研究成果對于同類型工程具有一定的參考意義。沙仙武等［14］針對高海拔大斷面皮帶巷道變形破壞難題，采用數值模擬的方法研究了皮帶巷道開挖過程中的變形規(guī)律，總結得出了高海拔大斷面皮帶巷道變形機理，并提出了相應的支護工藝，符合礦山安全高效開采要求。黃啟貴等［15］以開挖過程中發(fā)生突水涌泥事故的西藏某隧道為工程背景，結合數值模擬方法還原了淺埋軟弱圍巖大斷面隧道施工力學模型，研究結果表明，CRD法在該隧道的應用可以有效控制拱頂下沉及周邊位移，并且還可以有效降低圍巖擾動，提高巷道全部開挖后圍巖的穩(wěn)定性。黎倩［16］通過川西高原工程案例，對不良地質條件下隧道施工的基本原則、施工難點和施工限制因素進行總結，提出了高海拔地區(qū)軟巖隧道施工方案的具體優(yōu)化措施，有效提高了隧道施工質量。

本次研究對西藏巨龍銅業(yè)有限公司（下稱“巨龍銅礦”）破碎圍巖條件下排水巷道施工穩(wěn)定性進行探討，通過數值模擬方法分析不同錨索支護參數下巨龍銅礦排水巷道的變形特征，對軟弱圍巖排水巷道支護方案進行優(yōu)化設計。研究結果可為相關高海拔破碎圍巖排水巷道的支護設計提供一定的依據。

1工程概況

巨龍銅礦位于青藏高原岡底斯山脈東段，為極高山地帶，平均海拔在5 200 m。目前，該礦區(qū)擬施工2條長距離深埋排水巷道，該巷道為直徑6.47 m的圓形巷道。前期地質勘探與巖石力學試驗結果表明，排水巷道貫穿多種地層和數條破碎帶。圍巖主要為千枚巖、凝灰?guī)r和英安巖，巖體穩(wěn)定性為Ⅲ—Ⅴ級。根據巖體穩(wěn)定性等級設計不同支護方式。

施工過程中，Ⅱ—Ⅲ級圍巖采用錨桿+金屬網+噴漿進行聯合支護。其中，錨桿為直徑22 mm、長2.5 m的樹脂錨桿，間排距為1.0 m×1.0 m。金屬網為直徑6 mm、網度100 mm×100 mm的鋼筋網。采用C25混凝土進行噴漿支護，噴漿厚度135 mm。該支護方式對Ⅱ—Ⅲ級圍巖支護效果較好，而對Ⅳ級圍巖支護強度較弱。根據現場實際情況，在現有支護基礎上增加錨索和鋼拱架支護，鋼拱架為29U型鋼支架，厚度124 mm，間距500 mm。同時，將噴漿厚度增加到250 mm。目前，錨索支護參數有待研究。

2錨索支護方案設計與模型建立

2.1錨索支護參數設計

在礦山生產過程中，巷道頂板穩(wěn)定性至關重要。因此，破碎圍巖區(qū)域巷道頂板采用4根錨索進行支護。根據GB/T 5224—2014 《預應力混凝土用鋼絞線》，選取直徑為18.9 mm、強度為1 860 MPa的標準鋼絞線，錨索采用JLM型錨具，墊板厚20 mm、面積S=220 mm×220 mm。設計3種不同錨索支護參數（如表1所示）。

2.2模型建立

根據巷道設計方案，巷道直徑為6.47 m，模型長度和高度設為巷道直徑的5倍。建立巷道掘進三維數值模型，模型長、寬、高分別為32.35 m、10 m、32.35 m。模型共創(chuàng)建14 683個網格節(jié)點，76 208個網格。模型采用莫爾-庫侖強度準則。支護結構包括錨索、錨桿、鋼拱架及噴射混凝土。根據錨索支護設計方案建立3種不同錨索支護參數模型。錨桿錨索采用Cable結構。數值模型和支護結構如圖1所示。

2.3數值模擬參數確定

由于巨龍銅礦未進行地應力測試研究，因此，選取距離較近的甲瑪礦區(qū)地應力測試結果進行數值模擬計算。地應力參數通過查閱文獻獲取。根據前期巖石力學試驗研究結果獲取巖石力學參數，結果如表2所示。

3數值模擬結果及分析

3.1應力

不同錨索支護參數下應力分布云圖如圖2～4所示。巨龍銅礦地應力以水平方向地應力為主。由圖2～4可知：水平方向最大應力集中在巷道頂板區(qū)域，垂直方向最大應力集中于巷道肩部。最大主應力分布形式與水平方向應力分布相似，最大應力集中于巷道頂板位置。除頂板位置外，巷道圍巖應力分布較均勻。最小主應力沿錨桿支護區(qū)域近似均勻分布。由最大主應力分布可知：3種錨索參數下巷道頂板應力值較接近。頂板區(qū)域應力隨著錨索間排距增大而增大。因此，當錨索間排距較大時，巷道頂板位置易發(fā)生較大位移，可能出現冒頂等事故。

不同錨索支護參數垂直應力分布云圖如圖5所示。由圖5可知：錨索間距為1.2 m時，巷道頂板最外側錨索位置應力為18.32 MPa；錨索間距為1.6 m時，巷道頂板最外側錨索位置應力為19.84 MPa；錨索間距為2.0 m時，巷道頂板最外側錨索位置應力為21.18 MPa。錨索間排距增加導致頂板錨索加固區(qū)域應力明顯增加。由圖5-a）可知，當錨索間距為1.2 m時，4根錨索間黃色區(qū)域貫通為整體，這表明錨索間圍巖受力均勻，錨索錨固區(qū)圍巖共同承載效果較好；而錨索間距大于1.2 m時，錨索間關聯性較差。

3.2位移

不同錨索支護參數下位移云圖分布形式如圖6～8所示。巷道水平方向最大位移主要發(fā)生在巷道兩幫位置，垂直方向最大位移主要發(fā)生在頂板位置。結合應力可知，巷道圍巖地應力以水平方向地應力為主。因此，水平方向位移大于垂直方向位移。例如：當錨索間距為1.2 m時，水平方向最大位移為5.54 mm，垂直方向最大位移為4 mm。

由水平方向位移分布可知，不同錨索支護參數下最大水平位移分別為5.54 mm（錨索間距1.2 m）、5.47 mm（錨索間距1.6 m）、5.83 mm（錨索間距2.0 m）。位移值相差較小，且規(guī)律不明顯。垂直方向最大位移隨著錨索間排距增大而增大。錨索間距由1.2 m增加至2.0 m，巷道頂板位移分別為4 mm、4.38 mm、4.82 mm。模擬結果表明，錨索間排距越小，錨索支護效果越好。

此外，通過垂直方向應力云圖可以發(fā)現，錨索間排距較小時，各個錨索間關聯性較強。例如：方案一、方案二中深藍色區(qū)域連通成為整體；而方案三中僅中間兩根錨索錨固作用較好，兩側錨索僅單獨發(fā)揮作用。

綜上所述，錨索支護參數為2.0 m×2.8 m時，支護效果相對較差；錨索支護參數為1.2 m×2.0 m時，巷道頂板應力和位移均最小。但是，錨索間排距過小時，頂板錨固區(qū)較小。為了使頂板較大區(qū)域形成較好的錨固效果，最終確定錨索支護參數為1.6 m×2.4 m。

4結論

針對現場實際情況，對Ⅳ級圍巖采用錨桿+鋼拱架+噴漿支護的基礎上增加錨索支護，設計了不同錨索支護參數，通過有限元數值模擬軟件進行計算，分析了不同錨索支護參數下巷道圍巖內應力和位移變化，主要結論如下：

1）巷道圍巖最大主應力與水平方向應力分布形式相似，頂板處存在明顯應力集中現象。隨著錨索支護參數增加，巷道頂板處最大應力值增加。錨索間距為2.0 m時，巷道頂板最外側錨索位置應力為21.18 MPa。

2）巷道圍巖最大位移主要出現在巷道兩幫位置。不同錨索支護參數下巷道圍巖最大位移相似，主要區(qū)別在于巷道頂板位移變化。隨著錨索間排距增大，巷道頂板最大位移增加，錨索間距由1.2 m增加至2.0 m，巷道頂板位移分別為4 mm、4.38 mm、4.82 mm。錨索最優(yōu)支護參數為1.6 m×2.4 m。

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Optimization of bolt support parameters for drainage roadway

of high-altitude broken surrounding rock

Shen Quansheng1，Wang Zhiyong1，Zhao Ziyue2

（1.Xizang Julong Copper Industry Co.，Ltd.;

2.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：Reasonable support form and support parameters are the key to ensuring the stability of the roadway surrounding rock.The joint support effect of bolt + metal mesh + shot grouting in the Grade Ⅳ surrounding rock area of the drainage roadway of Julong Copper Mine in Xizang is poor.In this paper，for the problems of support in the Grade Ⅳ surrounding rock area of the drainage roadway of Julong Copper Mine，bolt and steel arch support，as well as the thickness of shot grouting，is introduced on the basis of the existing support.Different bolt support parameters are designed and optimized using finite element numerical simulation software.The results show that there is an obvious stress addition phenomenon at the roadway surrounding rock roof.With the increase of bolt support parameters，the maximum stress value at the roadway roof increases.With the increase of row spacing between bolts，the maximum displacement of the roadway roof increases，the bolt spacing increases from 1.2 m to 2.0 m，and the displacement of the roadway roof is 4 mm，4.38 mm，and 4.82 mm，respectively.The optimal support parameter of the bolts is 1.6 m×2.4 m.The results of the study provide theoretical references for the selection of the support parameters of the bolts of similar roadways.

Keywords：high altitude;roadway support;broken surrounding rock;bolt support;numerical simulation

收稿日期：2024-01-25； 修回日期：2024-03-03

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC2905003）

作者簡介：沈泉生（1967—），男，高級工程師，從事礦山管理工作；E-mail：290143567@qq.com

*通信作者：趙紫月（1996—），男，碩士研究生，從事金屬礦山采礦工藝等方面的研究工作；E-mail：zhaoziyue0211@163.com