基于围岩松动圈测试的巷道锚杆支护参数优化及应用

2018-09-18姜永恒汪志国唐学义李成洪

现代矿业 2018年8期

姜永恒汪志国唐学义李成洪杨勇

(1.长春黄金研究院有限公司；2.云南黄金有限责任公司镇沅分公司)

随着开采深度的增加，矿岩的稳定性也越来越差，越来越多的巷道需要进行合理支护，以维持其稳定性。松动圈是确定岩体稳定性及支护设计的重要依据，在喷锚网支护中主要是根据悬吊理论和组合梁理论对围岩松动圈进行加固，将松动的岩体悬吊在稳固的岩层上，提高巷道的承载能力。因此，需要根据围岩松动圈来确定锚杆的支护参数[1]。

镇沅金矿目前主要采用喷锚网、钢拱架等支护方式，但其锚杆支护参数不够合理，导致支护成本高且支护效果较差。本文通过对巷道围岩松动圈进行测试，根据测试结果进行支护参数理论计算，对不同巷道的支护进行优化，以达到既能维持巷道在服务期限内的稳定，又能降低支护成本，提高经济效益的目的。

1 工程概况

镇沅金矿矿岩松软破碎，其稳定性处于中等稳定-极不稳定，随着开采深度的增加，地应力急剧增加，地压逐渐显现。1 593 m中段及以下矿岩主要为变质石英杂砂岩夹砂质绢云板岩，岩石坚硬夹半坚硬状，较完整，巷道破坏形式以局部垮塌掉块为主，节理裂隙中等发育，含弱裂隙水，地下水对砂质绢云板岩具一定泥化作用，岩体中等完整，RQD值为44.7%～64.6%。主要发育Ⅲ、Ⅳ级结构面，以沉积结构面最发育，4～8条/m。在巷道掘进中出现较大的片帮冒顶等现象。

2 巷道围岩松动圈测试

2.1 测试原理

声波可匀速在各向同性介质中传播，但若遇到非连续介质，其在传播过程中将发生较大的反射、折射和绕射等现象，其传播速度、路径及振幅等都将发生变化，致使接收器所接收的信号发生变弱、波形畸变等现象。声波在不同介质中传播的性能也不同，故声波可用于材料完整性的检测。通常结构完整、质地均匀、强度高的材料，声波传播速度较快、频谱简洁、主频较集中，因此，波速、频谱特征等可以作为评定材料完整性、均质性的技术指标。

由岩石力学基本理论可知，岩体声波纵波速与岩体的物理力学性质紧密相关，岩体中纵波速度可以表示为[2]

(1)

式中，E为介质弹性模量，GPa；ν为泊松系数；ρ为密度，kg/m3。

当岩体的应力状态发生改变时，其E、ν、ρ值也随之发生改变，引起声波在不同应力区内的纵波发生改变。据此原理，可对岩石进行声波测试，声波的纵波速度计算公式为

(2)

式中,D为两探头之间的距离，m；t为纵波的传播时间，s。

通过绘出的声波纵波速度与测孔深度L之间的关系曲线，可以大致判断出岩石中的应力变化及赋存状态，确定出岩石的松动圈范围，为岩石的稳定性评价及支护设计提供理论依据。

2.2 钻孔布置

为使所测岩石具有一定的代表性，特选在冬瓜林矿区石英斑岩成矿的D5071采场1573分层沿脉巷道及穿脉巷道和D5201采场1583分层炭质板岩巷道内布置声波测试钻孔，声波测孔深4.2 m，孔径为65 mm，距离底板高1.5 m。测孔布置见图1、图2。

图1 D5071声波测试钻孔位置

图2 D5201声波测试钻孔位置

2.3 测试结果分析

利用单孔测试法可以直接得到两接收探头间声波的平均传输速度。因此，每测一个位置，就可得到声波在孔内某一段岩体间的平均传播速度，探头从孔口开始测试，依次往孔底移动，便可获得声波沿孔深在岩体中传播速度的变化情况。对每个钻孔进行3次声波测试，取平均值。如果数据波动较大，进行复测，以确保测试结果准确。

巷道围岩松动圈测试过程中，一发双收声波探头每次移动距离为20 cm，根据测试数据，计算出各测孔各测点的纵波速度Vp，绘出其与测孔深度L的关系曲线，由波速随孔深阶段变化曲线判断出松动圈的范围。冬瓜林矿区纵波波速随钻孔深度变化见图3、图4。

通过对图3、图4分析可以得出，巷道开挖后对围岩产生损伤，所产生的围岩松动圈范围为0.9～1.2 m，钻孔平均波速为4 300～5 000 m/s。D5201采场1#、2#钻孔的平均波速较低，说明炭质板岩岩体的完整性较差，在巷道掘进中需要对此类岩石进行加强支护。

3 锚杆支护方案优化

根据冬瓜林矿区1593中段采场内巷道围岩松动圈测试结果，巷道开挖后经过采场爆破震动,形成稳定的围岩松动圈范围为0.9～1.2 m。巷道围岩1.2 m范围以外的岩石属于未受扰动的稳定岩层，因此,可根据松动圈范围对锚杆参数进行优化[3-4]。

图3 冬瓜林矿区D5201采场纵波波速随钻孔深度变化曲线

3.1 锚杆长度

锚杆的有效程度根据下式确定：

L≥L1+L2+L3,

(3)

式中，L为锚杆总长度，m；L1为锚杆外露长度(包括钢带+托板+螺母厚度)，取0.1 m；L2为锚杆有效长度或软弱岩层厚度，m；L3为锚入岩层内深度(锚固长度)，按经验,L3≥300 mm。

根据巷道围岩松动圈测试的结果，确定锚杆的有效长度L2=1.2 m。因此，得出锚杆长度L≥1.7 m,取1.8 m。

3.2 锚杆直径

锚杆直径可根据杆体承载力和锚固力等强度值加以计算：

d=35.52(Q/σ)1/2,

(4)

式中，d为锚杆杆体直径，mm；Q为锚杆设计锚固力，80 kN；σ为锚杆杆体的抗拉强度，MPa。

由于设计采用HRB335型螺纹钢作为锚杆，故锚杆的抗拉强度约450 MPa。所以锚杆杆体最小设计直径d≈15 mm。为了保证锚杆有足够的锚固力，使巷道能够稳定，故根据螺纹钢的杆体直径系列，取锚杆的设计直径为16 mm。

3.3 锚杆间排距

根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》[5]，锚杆的间距不宜大于锚杆长度的1/2，可得锚杆间距为900 mm。

根据锚杆的有效长度L2大于或等于关键层下位复合顶板厚度，可得锚杆排距为

(5)

式中，D为锚杆排距，m；Q为锚杆设计锚固力，80 kN/根；K为安全系数，一般取1.5～2；L2为锚杆有效长度，1.2 m；γ为被悬吊岩石的容重，取27 kN/m3；H为软弱岩层厚度或冒落拱高度，H=B/2f，B为巷道断面宽度，m，f为岩石坚固性系数。

计算得出锚杆排距D≤1.2 m，取1 m。

3.4 支护方案设计

巷道支护参数为锚杆长度1.8 m，锚杆直径16 mm，锚杆排距1 m，锚杆间距0.9 m，托盘规格150 mm×150 mm×10 mm，喷浆层厚度70～100 mm，底角锚杆与水平夹角30°。巷道开挖后，及时对巷道进行素喷，喷层厚30～50 mm，喷浆结束后对顶板及两帮进行锚网支护，掘进2～3排后，进行二次喷浆，喷浆层总厚70～100 mm，采用优化后的锚杆支护参数对巷道进行喷锚网支护[6]，锚杆支护参数见表1。巷道支护见图5。

表1 锚杆支护参数

3.5 数值模拟分析

根据镇沅金矿矿岩的产状及巷道形状，利用Ansys建立模型并导入FLAC3D软件，建立FLAC模型。模型共237 577个块，45 464个节点。所建模型的巷道所对应的地表标高约1 700 m，巷道所在水平标高为1 593 m，上覆岩体的平均密度为2.7 t/m3。根据巷道围岩的实际情况建立模型，确定设计巷道宽2.5 m，高2.6 m，巷道顶板以及两帮的岩石都为层状岩体。应用FLAC3D模拟巷道开挖后支护的效果，见图6。

图5 巷道支护形式示意(单位：m)

图6 全断面喷锚网支护巷道数值模拟结果

从图6可以看出，巷道顶板的最大位移为5～10 mm，且巷道的位移区域比较分散；巷道底板的最大位移为30～35 mm；巷道两帮的最大位移出现在距离底板1.5 m左右的区域内，巷道两帮的最大水平位移均为10～15 mm；塑形区范围很小。此支护方案不但可以有效控制巷道两帮的变形，而且可以使巷道整体的受力更加均衡，有效避免了应力集中现象的发生。

4 工程应用

冬瓜林矿区1 473 m中段巷道围岩比较破碎，掘进巷道破坏较严重，采用钢拱架、喷浆等支护方式不能满足巷道的支护要求，故选择此段巷道进行现场试验，试验地点选择从S12勘探线掘进的巷道。

巷道采用1/3B三心拱断面，巷道净宽2.5 m，高2.6 m，采用光面爆破，作业循环进尺为2 m。巷道断面形状及支护形式与图5相同。为确保巷道两帮及底角的稳定，在原喷锚网支护形式基础上，距离底板1.5 m左右的区域采取双层网片支护的形式，加强两帮的支撑能力，以减小两帮的变形破坏。

4.1 承载力监测

巷道支护后，为了检测锚杆支护效果，对不同岩体结构巷道区域进行锚杆拉拔试验，结果见表2。

表2 螺纹钢锚杆拉拔力测试结果

通过表2可以得出，在锚杆安装24 h后，锚固力平均可达70 kN，满足支护要求，且随着时间的增加，锚固力更大，其锚杆的锚固效果较好，可以有效抑制巷道围岩的变形。

4.2 支护效果分析

为了监测锚杆支护参数优化后对巷道的支护效果，在S12～S16勘探线布置2组巷道位移监测点，2组测点间距为25 m。每组测点布置2个监测位置，分别位于距离巷道底板约1.5 m和巷道底板处。使用JSS30A型伸缩式数显收敛计对巷道两帮的收缩变形量进行监测。4个监测位置的收缩变形量曲线见图7。

图7 巷道变形量监测曲线

从图7可以看出，巷道开挖并且及时支护后，开始的一个月内巷道两帮变形速度较快，会出现相对较大的变形，但随着时间的变化，巷道变形速度逐渐缓慢，当巷道开挖后2个月左右，巷道两帮变形量趋于水平，此时巷道围岩变形已经达到收敛，巷道受力已经达到平衡，不会再出现较大的位移，巷道的最终收敛变形平均约5 mm，未能引起巷道的破坏。优化后的锚杆支护参数可以有效抑制巷道的变形，维持巷道的稳定。