赵小平 白本祥 高创州 吕 军 邓 柯

(金川集团股份有限公司，甘肃金昌737104)

金川集团股份有限公司是我国的镍生产基地，其下辖的龙首矿东部采场已回采至1 100 m中段，距地表垂直高度已超过600 m，随着开采深度的增加，受采掘扰动影响，地压活动明显，应力状态复杂，巷道变形严重，返修工程量增加，导致生产成本增加。鉴于上述问题，应该深入研究并优化金川矿区深部巷道的喷锚网支护参数，以此来提高深部巷道的喷锚网支护强度，避免巷道发生大变形，减少巷道返修次数，降低生产成本。

1 工程概况

龙首矿矿体赋存于超基性岩体中，围岩主要为混合岩，其次是大理岩和片岩、片麻岩等。矿区岩石破碎，稳定性差，采用脉外开拓方式，无轨巷道设计净断面规格为4.6 m×4.3 m，1 100 m中段双轨运输巷道设计净断面达到4.8 m×4.1 m，距离地表垂直深度600～1 000 m。目前，局部巷道变形严重，返修频繁，不但返修费用增加而且影响矿山的正常生产。

目前，深部脉外巷道一般采用双层喷锚网支护，锚杆采用18 mm的螺纹钢锚杆，长度2.25 m，网度1 m×1 m，梅花形布置，紧固端采用滚压直螺纹，并配套相应的螺帽;垫板采用厚10 mm普通钢板制作的蝶形垫板，垫板尺寸为200 mm×200 mm;金属网采用6.5 mm钢筋在地表根据施工需要焊接而成，施工中网片之间牢靠连接。混凝土强度等级为C20，双层喷锚网支护厚度200 mm。巷道设计施工图如图1所示。但因深部巷道围岩节理裂隙发育，地压活动明显，以前惯用的喷锚网支护参数已经不足以维持巷道的正常使用寿命，因此有必要在数值模拟的基础上，探求更加合理的喷锚网支护参数。

图1 运输巷道设计施工示意Fig.1 Design and construction schematic diagram of haulage roadway

2 模型的建立

2.1 计算所采用的力学模型

在岩体的破坏分析模型中，三维有限元软件提供了多种力学模型。经过大量的研究表明，对于巷道的变形破坏分析，莫尔库伦塑性模型［1］更接近于客观实际，该理论认为岩石的破坏是由剪应力引起，而且岩体所受的正应力与剪应力之间存在下列的函数关系:

式中，τ为岩体所受到的剪应力;σ为岩体所受到的法向应力，即正应力。

莫尔库伦准则是一系列极限莫尔圆的包络线。该本构模型表明，在莫尔应力圆到包络线上及包络线以外则岩体发生破坏，在包络线以内岩体不发生破坏。

2.2 力学参数

通过参阅有关金川铜镍矿工程地质与岩石力学性质的研究资料［2-4］，模拟研究中所采用的力学参数见表1。

表1 模拟计算所采用的参数Table 1 Parameters used in simulation

2.3 模型网格划分

根据巷道的开挖断面规格，并结合实际的岩石力学参数与选定的破坏理论准则，建立三维有限元模型［5］。巷道断面为直墙半圆拱［6］，净断面规格4.8 m×4.1 m，双层喷锚网支护。模型大小为10 m×65 m×60 m，即沿巷道中心线水平方向取10 m(y方向)，垂直巷道水平方向取65 m(x方向)，巷道垂直方向取60 m(z方向)，共生成节点18 546个，计算单元15 920个。模型网格划分见图2。

图2 计算机模拟巷道网格划分Fig.2 Model diagram of roadway simulation

根据实测结果［4，7-9］，金川矿区地应力以水平应力为主，目前龙首矿开采深度已达600 m以上，因此，水平应力为18.86 MPa，垂直应力为14.17 MPa。根据龙首矿岩石应力分布特征设置模型边界条件。对模型四周边界节点的x、y、z方向分别设置约束，相当于固定支座约束，在围岩与混凝土间建立接触面，并进行固定约束，并对锚杆端部施加预应力。

3 计算结果分析

3.1 计算方案

根据巷道支护方案，以最大限度节省材料为原则，分别按照1.8 m、2.25 m、3 m 3种锚杆长度和0.75 m ×1.0 m、1.0 m ×1.0 m、1.5 m ×1.0 m 、1.5 m×2.0 m 4种安装网度以及200 mm的混凝土喷射厚度，选择12种组合方案进行模拟计算。

3.2 计算结果分析

结合现场施工顺序，12种组合模型的数值计算结果见表2。

从模拟计算结果来看，12种支护方案中，方案4的最大压应力为32.45 MPa，最大拉应力为9.12 MPa，此方案巷道壁承受的应力最大;方案9中最大压应力为18 MPa，最大拉应力为7.47 MPa，此方案为12种方案中巷道壁承载的应力最小。而且从计算结果可以看出，当锚杆安设网度相同的情况下，锚杆长度越长巷道壁承受的应力值越小;当锚杆长度相同的情况下，安设网度越小，巷道壁承载的应力越小。但从数值模拟云图分布结果可以看出，方案11可使巷道壁应力与位移分布均匀，而且在技术上可行、经济上比较合理，因此，该方案为模拟计算最优方案，即锚杆长度采用3 m、安设网度采用1.5 m×1.0 m、喷射混凝土厚度为200 mm是金川矿区深部巷道喷锚网支护合理方案。方案11的数值模拟计算云图分布如图3所示。

表2 各种支护方案数值模拟参数统计Table 2 Statistics of numerical simulation parameters of all supports

4 工程应用

图3 方案11的数值分析云图Fig.3 Numerical analysis contours of scheme 11

龙首矿现有井下主要巷道总长达78 km(不包括在建工程)，其中1 100 m中段运输巷道承担着东中采区矿石以及基建施工中的废石运输任务，因此人员、车辆流动量大，运输任务繁重。在1 100 m中段有200 m的双轨运输巷道，设计净断面规格为4.8 m×4.1 m(宽×高)，因该段巷道设计服务年限长，加之地压大、岩石节理裂隙发育、流变特性强等特点，致使巷道收敛变形严重，车辆安全间距不够，直接影响着1 100 m中段矿石及毛石的运输作业，同时也存在安全隐患。因此，为了保证1 100 m中段运输系统安全平稳运行，曾多次对该段巷道进行返修，但由于特殊的地质条件和复杂的岩体力学特性，致使以前惯用的喷锚网参数已经很难奏效，最终陷入“坏了再修、修了再坏”的死循环。

综上所述，该段巷道所处的地质条件和岩石特性基本代表了金川矿区深部巷道支护的客观不利条件，因此将本次模拟研究的结果应用在该段巷道的支护中，不但可以有效的提高1 100 m中段运输巷道的抗地压能力，延缓巷道收敛变形、减少返修次数，同时也验证了本次模拟研究结果在金川矿区深部巷道支护中的可行性。对1 100 m中段双轨运输巷道喷锚网支护参数改进前后的效果进行分析，见表3。

表3 1 100 m中段双轨运输巷道喷锚网支护参数改进前后支护效果对照Table 3 Comparison before and after spray-anchor-net support parameters improved in double-rail transportation roadway of 1 100 m level

经过对1 100 m中段双轨运输巷道喷锚网支护参数改进前后的效果对比，可以看出，采用模拟研究得出的喷锚网支护参数后，巷道抗地压能力明显增强，收敛变形减缓，同时巷道壁受力较均匀，巷道断面形状规格保持较好，应力集中减弱，从而较好的维持了支护混凝土体的完整性。

以上结果表明，采用模拟研究得出的喷锚网支护参数对金川矿区深部巷道的支护具有较好的改善效果，见图4所示。

图4 巷道改进前后支护效果对比Fig.4 Comparison of supporting effects before and after roadway improved

5 结论

(1)通过数值模拟研究，验证了目前金川矿区深部巷道喷锚网支护参数的可行性，为后续研究指明了方向。

(2)从数值模拟研究结果可以看出，金川矿区深部巷道底板变形现象明显，因此今后在深部巷道的支护研究中还应该重点探究经济、合理的巷道底板的封底加固措施。

(3)通过12种方案的分析比较，采用方案11可以使巷道壁应力与位移相对较小，同时又分布均匀，因此可以有效的提高巷道的稳定性。故金川矿区深部巷道喷锚网支护的经济合理参数为:锚杆长度3 m、安设网度1.5 m×1.0 m、喷射混凝土厚度为200 mm。

(4)通过实践验证，模拟研究得出的喷锚网支护参数对提高金川矿区深部巷道的稳定性具有比较明显的效果，可在深部巷道的支护中采纳并不断改进。

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