和睦山铁矿采矿进路断面尺寸优化与支护设计

2016-06-02李国平贾丰杰

现代矿业 2016年2期

关键词：帮部塑性底板

李国平　贾丰杰　高　杰

(1.马钢姑山矿业公司和睦山铁矿；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院)

和睦山铁矿采矿进路断面尺寸优化与支护设计

李国平1贾丰杰1高杰2

(1.马钢姑山矿业公司和睦山铁矿；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院)

摘要采用FLAC3D对采矿进路断面尺寸进行了数值模拟优化研究，揭示了不同断面尺寸条件下采矿进路开挖后围岩变形特征及塑性区分布规律。结果表明，巷道高度的变化对顶板影响较小，宽度的变化对帮部影响较小，巷道断面尺寸的变化均对底板影响较大；采矿进路最优断面尺寸为5.0 m×6.5 m。同时，提出了大断面巷道锚网喷支护技术方案，在现场得到了良好的应用，为矿山安全生产提供了保障。

关键词采矿进路锚网喷支护FLAC3D

目前对于采矿进路的研究主要为巷道断面形状、巷道支护参数优化，而对于采矿进路断面参数优化方面的研究涉及较少，特别是大断面软岩采矿进路开挖后，围岩自稳能力差、变形量大，造成巷道变形破坏严重、支护成本高、掘进速度慢，极大地影响了矿井的生产效率。李桂臣等对高地应力巷道断面形状进行了优化分析，提出了巷道支护的“等效开挖”理念和“无效加固区”的概念[1]；孟庆彬等开展了深部高应力软岩巷道断面形状优化数值模拟研究，根据侧压力系数的大小及主应力方向，确定了圆形、椭圆形为深部高应力巷道最优断面形状[2]；邢军等对采场巷道进路断面形状和尺寸进行了优化分析，认为合理的断面形状为六边形，最优进路尺寸参数为3.5 m×3.5 m×60 m(宽×高×长)[3]；汪伟等选择了不同形状的巷道断面进行分析，发现了断面形状的不同对巷道支护效果有着非常大的影响[4]；冯伟等选取了6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析，结果表明直墙半圆拱形巷道变形量最小，且加设反拱后对于减少底鼓量效果明显[5]。有关专家学者针对软岩巷道支护技术进行了理论分析、相似模拟实验、数值模拟计算及现场试验，取得了一系列研究成果，解决了许多理论及工程关键技术难题[6-10]。

和睦山铁矿采矿进路处于软弱岩层中，其主要特征是极软弱、松散和破碎，且软化和矿体粉化现象明显，使得围岩的力学特性显著降低和弱化，在采动影响下巷道后期变形破坏严重。基于此，本文采用FLAC3D数值模拟揭示不同断面尺寸条件下采矿进路开挖后围岩变形特征及塑性区分布规律，并针对大断面巷道支护难题，提出合理的支护设计，为和睦山铁矿充填采矿提供技术支持。

1采矿进路断面尺寸优化数值模拟分析

1.1模型及参数

采矿进路断面为三心拱形,选取断面尺寸(b×h)分别为7.0 m×7.0 m、6.0 m×7.0 m、6.0 m×6.5 m、6.0 m×6.0 m、6.0 m×5.5 m、6.0 m×5.0 m、5.0 m×6.5 m、5.5 m×6.5 m、6.5 m×6.5 m、7.0 m×6.5 m、7.5 m×6.5 m、8.0 m×6.5 m，模型尺寸为60 m×60 m×60 m(长×宽×高)。限制模型左右前后底面的位移，顶面为应力边界，根据巷道埋深施加均布荷载，模拟上覆岩层自重P，在初始地应力场的平衡后初始化位移值。计算模型见图1，围岩体物理力学参数见表1。本模型计算采用Mohr-Coulomb屈服准则，深入揭示不同断面尺寸条件下采矿进路开挖后围岩变形特征及塑性区分布规律，以确定最优断面尺寸。

1.2数值模拟结果及分析

1.2.1巷道围岩塑性区分布

巷道开挖后，引起巷道围岩一定范围内的应力重新分布，并且应力分布不均匀，应力不断地从巷道周边向围岩深部转移，在两帮形成较高的应力集中，不同断面尺寸条件下采矿进路围岩塑性区分布见图2，不同断面尺寸条件下采矿进路围岩塑性区最大破坏深度见图3。

由图2、图3可知，采矿进路围岩顶底板和两帮发生明显的破坏，在断面宽度一定的条件下，随着巷道高度的增加，拱脚的剪切破坏开始逐渐向深部及其他部位延伸，巷道底板和帮部破坏范围增加。当断面宽度为6.0m时，随着巷道高度从5.0m增加到7.0 m，顶板最大破坏深度从2.023 m增加到2.204 m，增幅约8.95%；帮部最大破坏深度从1.799 m 增加到2.893 m，增幅约60.81%；底板最大破坏深度从1.466 m增加到2.303 m，增幅约57.10%。在断面高度一定的条件下，随着巷道宽度增加，巷道顶底板、帮部塑性区深度都呈现明显的增大趋势。在断面高度为6.5 m时，随着宽度从5.0 m增加到8.0 m，顶板最大破坏深度从1.751 m 增加到3.020 m，增幅约72.47%；帮部最大破坏深度从2.368 m增加到3.111 m，增幅约31.38%；底板最大破坏深度从1.675 m增加到2.848 m，增幅约70.03%。采矿进路围岩帮部破坏范围比顶底板大，其中顶板和底板的塑性区增大速率最大，破坏逐渐加剧。

图1　数值计算模型

岩样名称密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa矿体279050.280.925.20.72围岩26502.10.251.228.61.5

图2　不同断面尺寸条件下采矿进路围岩塑性区分布特征

图3　不同断面尺寸条件下采矿进路围岩塑性区

1.2.2巷道围岩变形特征

巷道开挖后应力释放，围岩沿开挖自由面产生不同程度的位移。为了分析研究不同断面尺寸条件下采矿进路开挖后围岩变形特征，分别在巷道的顶板、底板和帮部布置监测点，不同断面尺寸条件下采矿进路围岩的最大垂直及水平位移量见表2，不同断面尺寸条件下采矿进路围岩位移演化规律见图4。

表2　不同断面尺寸条件下采矿进路围岩

图4　不同断面尺寸条件下采矿进路围岩位移演化规律

从表2及图4可以看出，采矿进路开挖后围岩最大竖直位移发生在顶底板中央，最大水平位移产生于两帮中央，围岩帮部最大水平位移量小于顶底板最大竖向位移量。在断面宽度为6.0 m时，随着巷道高度从5.0 m增加到7.0 m，顶板最大下沉量从269.70 mm增加到305.55 mm，增幅约13.29%；帮部最大变形量从197.90 mm增加到296.39 mm，增幅约49.77%；底板最大底鼓量基本保持在276.10 mm 左右。在断面高度为6.5 m时，随着宽度从5.0 m增加到8.0 m，顶板最大下沉量从242.72 mm 增加到380.25 mm，增幅约56.66%；帮部最大变形量从246.56 mm增加到278.09 mm，增幅约12.79%；底板最大底鼓量从248.21 mm增加到324.46 mm，增幅约30.72%。综合比较而言，在能满足正常生产的条件下，选择尺寸为5.0 m×6.5 m的断面更有利于采矿进路围岩的自稳。

2大断面巷道支护设计

针对大断面巷道支护难题，采用高性能预应力锚杆、金属网、钢筋托梁和喷射混凝土组成的锚网喷支护方案。预应力锚杆能够保证浅部围岩形成初步的锚固结构，控制巷道围岩整体变形；喷射混凝土能及时封闭围岩表面，隔绝空气、水与围岩的接触，有效防止风化、潮解引起的围岩破坏与剥落，减少围岩强度的损失；钢筋网能维护锚杆间比较破碎的岩石，防止岩块的掉落，提高锚杆支护的整体效果，抵抗锚杆间破碎岩块的碎胀压力，提高支护结构对围岩的支承能力；托梁可将若干锚杆连在一起形成组合作用，托梁的一定刚度可使锚杆之间的松散岩体保持完整。

锚杆采用高性能螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×1 800 mm，间排距为700 mm×800 mm，杆体采用BHRB400左旋无纵筋螺纹钢筋。锚杆孔直径为28 mm，采用一卷快速2350型和一卷中速2350型树脂药卷加长锚固，锚固长度不少于800 mm，锚固力不低于100 kN，预紧力不低于50 kN(一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服载荷的30%～50%，φ20 mm锚杆的设计预紧力为50.24 kN)。托盘采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×12 mm。

钢筋托梁采用φ14 mm螺纹钢焊接而成，拱顶托梁规格为2 600 mm×80 mm，帮部托梁规格为2 200 mm×80 mm，在安装锚杆位置各焊接2段纵筋，间距为50 mm。两相邻的钢筋托梁搭接，利用锚杆压紧搭接的2根钢筋托梁。

钢筋网采用φ6 mm螺纹钢焊接，网片规格为2 000 mm×1 000 mm，网孔规格为100 mm×100 mm，网片搭接长度为100 mm，搭接处用双股8#铁丝双排扣绑扎连接，必须用钢筋托梁和锚杆压紧。

喷射混凝土强度等级为C25，配合比为1∶2∶2，掺入3%～5%速凝剂，喷层厚度为100 mm，要覆盖住锚杆托盘。顶帮锚网喷支护结构见图5。