高海拔破碎巷道支护参数优选.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 高海拔破碎巷道支护参数优选严体，孙进辉，田敏（云南铜业矿山研究院，昆明 ；昆明有色冶金设计研究院股份公司，昆明 ）摘要：巷道支护参数选择的合理性是保障巷道稳定的关键。针对高海拔破碎围岩巷道变形严重的问题，以某矿山的运输平巷为工程背景，采取现场岩体结构调查，调查巷道的变形破坏状态，采用巷道松动圈声波测试，松动圈厚度在 ，巷道支护松动圈分类为中松动圈类。基于上述研究，初步确定支护参数，最后用数值模拟软件对支护参数进行优化，采用喷锚网联合支护能满足要求，锚杆网度 ，锚杆长度 ，喷射混凝土厚度 联合支护能满足安全要求。研究成果为该矿区巷道的支护设计提供了理论依据，也为类似工程的设计及施工提供借鉴思路。关键词：破碎围岩；巷道；松动圈；支护参数；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犗 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犻 狀 犵 狋 犺 犲狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳 狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋 犳 狅 狉犫 狉 狅 犽 犲 狀犺 犻 犵 犺 犪 犾 狋 犻 狋 狌 犱 犲 狉 狅 犪 犱 狑 犪 狔 狊 犻 狀犿 犻 狀 犲 狊，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，；，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：严体（），男，采矿高级工程师，硕士，采矿工程专业，主要从事矿山开采研究工作。：在矿山开采过程中，地压易导致巷道发生变形及破坏，合理有效的巷道支护可以极大程度地减少地压对生产活动的影响。针对高海拔地区的破碎巷道，近年来，国内外的专家学者开展了大量研究并取得了系列成果，针对矿山的高应力、软弱、破碎巷道，围岩变形量大、支护难，支护方案为多种单一支护方案的联合支护，取得了较好的效果。马胜杰等以某铜矿巷道为研究背景，在工程地质条件研究的基础上，利用 离散元软件构建了矿山巷道的三维数值模型，设计了因素水平（）支护参数的正交试验方案，获取了在不同参数条件下的变形规律和支护效果。通过对巷道支护参数优化以及经济合理性比较分析，确定了较优的巷道支护参数，即 锚 杆 直 径 、长 度 、间 排 距 ，混凝土喷射厚度 。王能跃等以锦丰金矿深部回采过程中巷道失稳问题，进行了深部巷道变形破坏机理分析，采用“钢网树脂锚杆纤维混凝土”联合支护优化方案，支护效果显著，两 帮、顶 板 累 积 位 移 量 较 原 方 案 分 别 下 降 了第期严体等：高海拔破碎巷道支护参数优选 、。史磊等对云南某矿山无轨运输巷道膨胀性花岗岩引起的工程灾害进行研究，通过超声波波速测试，矿山花岗岩松动圈范围在 ，原有支护不能满足工程实际；采用喷锚网联合支护时，锚杆长度 ，间、排距分别为 和 时的支护效果最好；现场工业试验发现巷道变形在施工个月左右趋于稳定。廖元欢等以川南某矿巷道为工程背景，通过监测关键点位移变化情况，将监测位移与尖点突变理论结合，建立巷道围岩稳定性判定的数学模型。随着开挖顶板、底板和两帮会逐渐发生失稳变形，在开挖到第步时发生突变围岩破坏，结合同一层位回风巷道支护情况，通过数值模拟研究锚杆长度对巷道支护的影响，最终确定锚杆长度在 时能很好地控制围岩变形，塑性区体积和围岩变形量显著降低。陈才贤等以西藏巨龙铜矿主运输皮带巷道为研究对象，针对高海拔软破大断面皮带运输巷道支护难题，采用支护方案为“超前支护”“长锚索短锚杆钩花网支护”“钢架喷射混凝土支护”联合支护，现场监测结果表明该支护方案能够满足巨龙驱龙段矿区皮带运输巷道运输矿石的安全需求。贾明魁等运用锚网支护基本理论，计算选择锚网支护参数，采用“锚网锚索注浆”的联合支护技术，得到了良好的支护效果和经济效益。杨亚平等针对金川矿区深部高应力破碎岩体巷道围岩变形量大、支护难、使用周期短等特点，提出了中空锚杆钛克网喷射砼支护、精轧螺纹钢双垫板支护、双层喷锚网高强锚索支护、网喷锚支护等新型支护方案。夏辉等针对大断面运输巷道变形严重难以控制的问题，以某矿山 中段回采巷道为工程背景，提出“喷锚支护”和“超前支护”两种不同形式的围岩控制措施。郭延辉等 针对云南某铅锌矿 坑 中段阶段运输大巷应力高、围岩松软破碎、难于支护的情况，提出了“锚注锚网喷”联合支护方案。张延旭等 针对某矿 层煤顶板破碎实际情况，确定了“注浆膨胀锚杆锚索钢筋网钢带”的支护方案。本文以某高海拔矿山的运输巷道支护为工程背景，矿山在实际生产过程中，现有的支护方式成本较高，通过对工程地质调查与分析、实验室试验、松动圈测试、支护方案与数值分析等技术手段，确定合理的巷道支护参数，具有一定的指导和参考意义。工程地质条件矿区内出露地层包括第四系（）及上三叠统（）下部地层。矿区内石英闪长玢岩分布广泛，与变质砂板岩共同构成矿体顶、底板围岩，岩层倾角一般为 ，属陡倾斜单斜构造。石英闪长玢岩岩性坚硬，成岩裂隙及构造裂隙发育，浅部岩石长期裸露风化较强。深层裂缝的发育减弱，通常充满碳酸盐岩脉和金属脉。与浅部相比，它们具有更好的坚固性和完整性。矿区内断层规模小，多为发生并消失于石英闪长玢岩中的近走向高角度断层，一般未切割、连通矿区内主要含水层，富水性较弱，对矿坑充水影响不大。通过详细线观测方法进行了岩体结构面调查，大部分岩（矿）体结构面都是以三组或三组以上发育，结构面相互贯穿，岩（矿）体往往被切割成碎块，使岩（矿）体主要呈现出碎裂结构，降低了岩（矿）体的力学强度，对巷道的稳定性影响较大。巷道破坏形式及支护现状在巷道的掘进过程中，打破了矿山的初始应力的平衡状态，应力会重新到达平衡，二次应力在重新平衡的过程中，岩石将产生不同程度的变形、破坏，当重新平衡的岩石中的应力超过破坏强度时，巷道便发生变形与破坏，因此，矿山的岩（矿）体的结构特征及岩体力学强度对巷道工程的稳定有着重要的影响。矿体主要产于石英二长斑岩和石英闪长玢岩中，成岩裂隙及构造裂隙发育，对巷道工程的稳定性起控制性作用。根据大量的现场调查发现，、中 段 均 有 巷 道 破 坏 现 象，、和 中段的巷道破坏则更为严重，现已封闭，禁止人员进入。矿山目前主要采用五种方式对巷道进行支护，即钢架支护、混凝土浇灌支护、喷锚网支护、素喷混凝土支护和超前锚杆支护，通过对 、中段的详细调查及统计，素喷混凝土支护、喷锚网支护、钢架支护、混凝土浇灌支护、超前锚杆支护在整体巷道支护中各占的百分比分别为、。在 中段巷道支护方面，采用了喷锚网支护，锚杆长度 ，锚杆间排距，喷射混凝土厚度为。在岩体破碎不稳定的情况下采用钢架和圆木接顶支护，在振机出矿处，采用先素喷再挂网的支护方式。在掘进的巷道局部遇到破碎松软岩层，巷道围岩遇水和空气容易快速风化，岩体强度降低，掘进过程中采用超前锚杆支护，并加塞圆木加强支护结构与围岩的紧密接触。上述巷道支护情况如图所示。有色金属（矿山部分）第 卷图喷锚网支护犉 犻 犵 犛 犺 狅 狋 犮 狉 犲 狋 犲犪 狀 犮 犺 狅 狉犿 犲 狊 犺狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋图钢支架圆木支护犉 犻 犵 犛 狋 犲 犲 犾 狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋 狉 狅 狌 狀 犱狑 狅 狅 犱狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋图先素喷再挂网支护犉 犻 犵 犉 犻 狉 狊 狋狆 犾 犪 犻 狀狊 狆 狉 犪 狔 犻 狀 犵犪 狀 犱狋 犺 犲 狀犺 犪 狀 犵 犻 狀 犵狀 犲 狋 狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋图超前锚杆支护犉 犻 犵 犃 犱 狏 犪 狀 犮 犲犪 狀 犮 犺 狅 狉 狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋巷道围岩松动圈测试围岩松动圈测试结果是巷道支护方案选择和围岩稳定性分析的重要判据，此次试验为了准确获得矿山 中段以上运输巷道围岩松动破碎范围，选取巷道掘进后具有普遍代表意义的巷道进行松动圈测试。松动圈测试原理采用声波法测定围岩松动圈。声波测试基本原理，为硐室围岩处于高应力作用区其波速相对较大，而在应力松驰的低应力区中的岩体其波速相对较小，图为声波测试原理框图。根据这一原理，对硐室围岩进行声波波速测试。结合工程地质条件对测得的岩体纵波波速进行分析，确定围岩是否松动，松动范围如何。图声波测试原理框图犉 犻 犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 狊 狅 狌 狀 犱狑 犪 狏 犲 狋 犲 狊 狋测试时一般采用水作耦合介质，因此，测试上向孔时必须用水泵将水抽入上向孔。图为现场测试示意图。当孔中的水淹没两个接收探头时，即可进行数据采集，每隔 测读一次。图现场测试示意图（单位：犿犿）犉 犻 犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳狅 狀 狊 犻 狋 犲 狋 犲 狊 狋 犻 狀 犵（犝 狀 犻 狋：犿犿）松动圈测试结果对矿山 、中段等的 个点进行了测试，测试结果见表。第期严体等：高海拔破碎巷道支护参数优选表各测点松动圈测试结果犜 犪 犫 犾 犲犜 犲 狊 狋 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狋 犺 犲 犾 狅 狅 狊 犲犮 犻 狉 犮 犾 犲犪 狋 犲 犪 犮 犺犿 犲 犪 狊 狌 狉 犻 狀 犵狆 狅 犻 狀 狋测点松动圈厚度测孔测孔测孔 中段 线测点 中段 线测点 中段 线测点 中段 线测点 中段 线左测点 中段 线右测点 中段 线之间测点 中段 线测点 中段 线测点 中段 线测点 除了 中段 线测点矿体的松动圈厚度为 左右外，其余 个测孔的松动圈厚度 在 。根 据 巷 道 支 护 松 动 圈 分类 ，当松动圈厚度犔 时，巷道围岩分类为 小 松 动 圈类；当 松 动 圈 厚 度犔 时，巷道围岩分类为中松动圈类；当松动圈厚度犔 时，巷道围岩分类为大松动圈类；当犔 为大松动圈类；当犔大于 为大松动圈类，为较软岩。依据上述分类标准，认为矿区巷道支护松动圈分类为中松动圈类。支护方案对于中松动圈围岩的支护目前主要采用的是悬吊理论 ，此时锚杆是围岩支护的主要构件，采用锚杆喷射混凝土支护方式。支护参数锚杆长度为锚杆的有效长度犔 犿、锚杆嵌入稳定岩层的长度犔、锚杆外露长度犔之和为 ；锚杆间排距犪犙槡犽 狉犔 犿为 ，其中犙为锚杆的设计锚固力，犔 犿为锚杆的有效长度，犽为安全系数，狉为岩体容重；锚杆直径由于施工的要求，其直径不宜小于；喷层厚度在中松动圈条件下为 。支护方案数值模拟分析针对巷道的特点，现场 中段运输平巷主要以净断面为 的三心拱为主，所以计算分析结合现场巷道断面的实际情况，对净断面为 情况的支护参数及支护形式进行模拟研究。数值模型由于巷道工程地质条件比较复杂，岩体的类型主要以石英二长斑岩和石英闪长玢岩为主，主要研究运输巷道在开挖、支护后两阶段巷道的稳定性。计算域的大小对数值模拟结果有重要的影响。由于信息技术的发展，现计算机的计算能力有了较大的提高，可以对建立的数值模型单元格的尺寸作适当的减小。根据运输巷道的规格和断面形式，结合力学相关理论，建立三维数值分析模型。模型长宽高为 ，沿巷道方向取，垂直巷道方向取，垂直方向取，巷道模型共计 个节点，个单元。最终生成的网格和建好的模型如图所示。图数值模型犉 犻 犵 犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾犿 狅 犱 犲 犾 岩体参数模拟计算分析的准确性很大程度上取决于矿岩的力学参数的准确性。本次模拟采用的矿岩力学参数为现场地质调查和室内试验得到的矿岩力学参数，为 确 保结 果 的 可靠，在 室 内 试验 基础 上 采 用分级法进行了矿岩的分级评价，结合 公式确定了矿山宏观矿岩力学参数。矿岩力学参数如表所示。有色金属（矿山部分）第 卷表矿岩宏观岩体力学参数犜 犪 犫 犾 犲犕 犪 犮 狉 狅 狊 犮 狅 狆 犻 犮狉 狅 犮 犽犿 犪 狊 狊犿 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾 狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犿 犻 狀 犲 狉 犪 犾 狉 狅 犮 犽 狊岩性密度（）单轴抗压强度 抗拉强度 弹性模量 黏聚力 内摩擦角（）泊松比矿体（斑岩）石英闪长玢岩 富矿 贫矿 围岩（玢岩）边界约束数值模型边界约束条件采用位移约束的方式。在离工程较远处矿岩的位移值较小，因此可将网格模型边界处的位移值视为零。模型底部的节点采用三个方向固定约束，模型犡、犢方向的边界分别采用犡、犢方向约束。计算采用的力学模型矿区内石英闪长玢岩分布广泛，与变质砂板岩共同构成矿体顶、底板围岩，成岩裂隙及构造裂隙发育，呈随机分布，且为闭和状态，整体上可以将岩体、矿体都视为各向同性的弹塑性连续介质，采用莫尔库仑（）屈服准则。此破坏准则是所有可能屈服面的内极限面，在工程上采用此屈服准则是偏于安全的。支护模拟方案本次计算 方 案 针 对 的 断 面采 用 喷 锚 网 联 合 支 护 方 案 进 行 研 究，计 算 方 案见表。表 犿 犿支护方案犜 犪 犫 犾 犲 犿 犿狊 狌 狆 狆 狅 狉 狋 犻 狀 犵狊 犮 犺 犲 犿 犲方案净断面尺寸支护方案支护参数 不支护 喷锚网联合支护锚杆网度 ，锚杆长度 ，喷射混凝土厚度 。喷锚网联合支护锚杆网度 ，锚杆长度 ，喷射混凝土厚度 。喷锚网联合支护锚杆网度 ，锚杆长度 ，喷射混凝土厚度 。喷锚网联合支护锚杆网度 ，锚杆长度 ，喷射混凝土厚度 。计算结果分析）应力分布模拟结果分析从模拟结果来看（图），五种支护方案最大压应力为，最小压应力为 ，没有明显差别，五种方案中仅有方案不支护时顶板及侧帮有拉应力出现，大小为 ，远远超出了玢图巷道顶板、侧帮最大主应力分布图犉 犻 犵 犇 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲犿 犪 狓 犻 犿 狌 犿狆 狉 犻 狀 犮 犻 狆 犪 犾 狊 狋 狉 犲 狊 狊狅 狀狋 犺 犲 狉 狅 狅 犳犪 狀 犱狊 犻 犱 犲狑 犪 犾 犾 狊第期严体等：高海拔破碎巷道支护参数优选岩、斑岩本身的抗拉强度值，在此情况下，巷道边帮及顶板容易出现拉破坏，造成巷道破坏，而方案至方案采用喷锚网联合支护后，顶板及侧帮都没有拉应力出现，此时顶板及侧帮是稳定的，所以从应力分布来看，针对矿山的巷道，采用喷锚网支护能满足要求。）安全率分布模拟结果分析从五种方案模拟结果来看（见图），不支护情况下巷道最小安全率为 ，远低于临界状态，说明此时巷道顶板及侧帮极易出现破坏，而采用喷锚网联合支 护 的 四 个 方 案 中 最 小 安 全 率 值 分 别 为 、，均大于临界状态，且满足地下矿山安全率大于 的要求，认为是偏于安全的经验值，所以四种喷锚网联合支护方案均满足要求。图巷道顶板、侧帮安全率分布图犉 犻 犵 犇 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 犪 犳 犲 狋 狔狉 犪 狋 犲狅 狀狋 犺 犲犚 狅 狅 犳犪 狀 犱犛 犻 犱 犲犠 犪 犾 犾 狊）塑性区分布模拟结果分析塑性区更能直观地反映巷道的破坏情况。从五种 不 同 支 护 方 案 巷 道 整 体 破 坏 情 况 可 以 看 出（图），巷道在开挖后不采取支护措施的情况下，有些区域出现塑性区连片的现象，这些区域极易出现破坏，而采用喷锚网联合支护后，巷道顶板及侧帮仍有塑性区存在，但塑性区均以零星的形式存在，没有出现连片的现象，说明喷锚网支护能极大地抑制巷道的破坏。从四种不同支护方案比较，虽然不同支护方案塑性区有所区别，但不是特别明显。图 巷道顶板、侧帮塑性区分布图犉 犻 犵 犇 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳狆 犾 犪 狊 狋 犻 犮狕 狅 狀 犲狅 狀狋 犺 犲 狉 狅 狅 犳犪 狀 犱狊 犻 犱 犲狑 犪 犾 犾 狊有色金属（矿山部分）第 卷）对锚杆在支护过程中所起的作用进行分析从锚杆轴力分布情况（图）来看，锚杆长度为 、间排距为 时锚杆所产生的轴力范围在 ，锚杆长度为 、间排距为 时锚杆所产生的轴力范围也在 ，锚杆长度为 、间排距为 时锚杆所产生的轴力范围在 ，锚杆长度为 、间排距为 时锚杆所产生的轴力范围在 ，这充分说明了锚杆在支护过程中发挥了较大的作用，而锚杆长度、间排距的影响在巷道规格较小及巷道破坏深度不大时变化较小。锚杆锚固力在锚固端最大，随着深度的增加，锚固力逐渐减小。通过对 巷道的模拟分析，从应力、安全率、塑性区及锚杆轴力等方面对各支护方案进行了详细分析，采用喷锚网联合支护能满足要求，锚杆网度 ，锚杆长度 ，喷射混凝土厚度 联合支护能满足安全要求。对锚杆长度、间排距和混凝土厚度进行了优化，较原支护设计方案经济。图 锚杆轴力图犉 犻 犵 犃 狀 犮 犺 狅 狉 狉 狅 犱犪 狓 犻 犪 犾 犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 结论）松动圈试验表明，围岩松动圈范围为 ，属于中松动圈类，采用喷锚网支护方式。）针对巷道 破碎程度一般的岩体，通过多方案模拟分析，采用喷锚网联合支护能满足要求，采用的喷锚网参数为：锚杆长度 ，间排距 ，喷射混凝土厚度 。）通过对锚杆在支护过程中所起的作用进行分析，说明了锚杆在支护过程中发挥了较大的作用，而锚杆长度、间排距在巷道规格较小及巷道破坏深度不大时影响较小。锚杆锚固力在锚固端最大，随着深度的增加，锚固力逐渐减小。参考文献康明超，李腾，王乃伟，等分级围岩巷道支护参数优化及数值分析矿业研究与开发，（）：，（）：马胜杰，侯克鹏，孙华芬，等基于正交试验的巷道支护参数优化研究有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：王能跃，王，王世博深部软破岩体巷道失稳机理分析与支护优化研究有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：史磊，侯克鹏，孙华芬，等某矿膨胀岩巷道支护参数优化数值模拟与工业试验矿冶，（）：，第期严体等：高海拔破碎巷道支护参数优选 ，（）：廖元欢，邓涛，张文涛，等基于尖点突变理论的巷道开挖围岩稳定性及支护研究有色金属工程，（）：，（）：陈才贤，陈磊，黄智强高海拔软破大断面巷道支护设计及参数优选研究矿业研究与开发，（）：，（）：贾明魁，贾立安，刘银志高应力破碎带大断面巷道支护技术研究矿冶工程，（）：，（）：杨亚平，杨有林，穆玉生，等金川矿区深部高应力破碎岩体巷道支护技术研究及应用中国矿业，（）：，（）：夏辉，侯克鹏，孙华芬，等某矿大断面运输巷道支护技术科学技术与工程，（）：，（）：郭延辉，侯克鹏，李克钢，等深部高应力松散破碎软岩巷道支护技术 研 究 昆 明 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，（），（）：张延旭，冷超，王超，等松软破碎围岩巷道支护技术研究矿业研究与开发，（）：，（）：戴俊，杨凡，武宇，等 （）声波仪在巷道围岩松动圈测试中的应用煤炭技术，（）：，（），（）：孟庆彬，钱唯，韩立军，等软弱矿体中巷道围岩稳定控制技术及应用采矿与安全工程学报，（）：，（）：靖洪文，孟庆彬，朱俊福，等深部巷道围岩松动圈稳定控制理论与技术进展采矿与安全工程学报，（）：，（）：郭进平，程相琛，张雯，等某铁矿充填采矿法协同支护充填体稳定性可视化分析有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：郭志宏，董方庭围岩松动圈与巷道支护矿山压力与顶板管理，（增刊）：，（）：（上接第 页）刘玉凤，曹芳智，马明，等地下水对伊敏露天矿内排土场边坡稳定的影响煤矿安全，（）：，（）：连续峰，罗强，张文生，等基于圆弧平面组合滑动模式的路基土质边 坡 浅 层 稳 定 分 析 水 利 水 电 技 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