深部高应力破碎巷道钢管尾砂支架支护技术研究.pdf

矿业工程30Mining Engineering第2 1卷，第4期2023年8 月深部高应力破碎巷道钢管尾砂支架支护技术研究田苗，郑禄林，陈斌，赵世林，谢司佳，钟曼尹（贵州大学矿业学院，贵州贵阳550 0 2 5）摘要：为解决深部高应力破碎巷道难支护、矿山尾砂污染环境、利用渠道匮乏等问题，以锦丰金矿30中段水仓作为工程背景，在分析巷道变形特征基础上，提出以尾砂为主要填充材料的钢管尾砂支架。通过数值试验分析钢管尾砂支架、钢管混凝土支架和U型钢支架的承载性能，试验表明：同一侧压力系数条件下，钢管尾砂支架受力大致与U型钢支架相同，约为钢管混凝土支架的两倍，变形量相比于U型钢支架降低了10%30%。在工程实践中，基于3种类型支架的支护方案，在支护完成45天后，围岩逐渐稳定，变形量没有明显地增加，巷道围岩稳定性得到有效控制。关键词：高应力破碎巷道；钢管混凝土；钢管尾砂；数值模拟；现场应用中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：16 7 1-8 550（2 0 2 3）0 4-0 0 30-0 50引言自新奥法支护理念成为巷道支护设计方面的指导原则以来，锚杆的柔性支护一度在浅部及中深部巷道支护中发挥了重要作用。针对深部高应力围岩变形破坏、支护结构失效等难题，较为普遍的方法是增加二次刚性支护，从而实现巷道围岩变形有效控制。传统被动刚性支架主要以U型钢为主-2 ，在我国破碎围岩巷道支护方面应用广泛 3-4。近年来，钢管混凝土支架因其具有承载力高、安全、经济效益显著等特点，目前也逐渐应用于深部高应力巷道支护中 5。然而，关于尾砂作为井下巷道支架的填充材料鲜见报道。综合考虑，在钢管拱架的骨料中适当加人尾砂，制成以尾砂为骨料的钢管拱架（以下简称钢管尾砂支架）。基于上述的研究背景，笔者以解决喀斯特地区深部高应力破碎巷道支护问题为目标，采用理论分析、数值试验、现场试验相结合的研究方法，对以混凝土、尾砂作为骨料的钢管支架以及U36型钢支架开展不同加载模式承载性能分析，明确钢管尾砂支架的可行性和实用性，开辟尾砂另一种利用途径，为尾砂缺少利用途径而大量堆积造成的环境污染问题提供一种解决思路，同时为相关工程设计应用和金属矿山尾砂综合利用提供依据和思路。1工程背景1.1工程地质概况贵州锦丰金矿地处喀斯特发育地区，矿床范围东西宽约为12 0 0 m，南北长约为150 0 m，是典型的深部高应力软弱破碎围岩。在锦丰金矿矿区30 中段水仓选取一段破碎巷道进行支护设计。30中段水仓断面形状为直墙三芯拱，净宽50 0 0 mm，墙高36 7 0 mm，支护形式为锚网喷支护（无锚索）。根据锦丰金矿现使用的锚杆标准和型号，初次支护设计为（巷道断面及支护设计见图1）：锚杆采用左旋高强螺纹钢树脂锚杆和管缝锚杆两种锚杆，树脂锚杆直径2 5mm，长度2400mm，采用树脂药卷全长锚固，锚杆间、排距为1.0m，从腰线往上1.0 m开始安装。腰线及腰线以下1.0 m分别补打一排直径为47.5mm，长度为30 0 0 mm的管缝式锚杆。及时对3.0 m长管缝锚杆注浆，浆液水灰比为0.350.4，水泥为P.042.5。树脂锚杆;25240010005收稿日期：2 0 2 2-10-10基金项目：贵州省科技支撑计划项目（黔科合支撑【2 0 2 1一般516）；贵州大学SRT项目资金资助（贵大SRT字2 0 2 2 313号）；国家自然科学基金（5196 40 0 7）作者简介：田苗（2 0 0 0），男（土家族），贵州江口人，贵州大学矿业学院本科生。500013x1000图1锚网喷初次支护设计图（单位：mm）管缝锚杆：47.530002023年第4期1.2巷道变形破坏特征通过大量的现场调查，总结出锦丰金矿深部含断层构造巷道的变形破坏特征（部分变形破坏具体见图2）：1）巷道存在不同程度开裂变形。因巷道围岩为较软弱破碎岩层，稳定性较差。随着压力向两帮聚集，帮部破碎范围急剧扩大，造成巷道及支护体结构破坏，巷道最终因变形过大而无法使用，巷道后期经过返修后仍不能达到稳定，严重影响采掘进度和安全生产。2）锚杆支护构件失效。巷道支护存在断面大、支护强度低，断面和支护设计不合理等问题，常规的锚网喷支护不能满足这种大断面巷道的支护要求。部分巷道内出现锚杆松动、脱落、钢带压弯等现象，致使锚网喷支护失效。3）巷道顶板下沉严重。巷道处于深部岩体中，地质构造发育，围岩松软破碎，强度较低。部分区域存在顶板脱层现象，最大顶板下沉量超过6 0 0 mm，甚至发生断面顶板整体垮落。混凝土喷层开裂（a）巷道两帮混凝土喷层挤压图2 深部巷道的变形破坏图钢管管型号屈服强度/MPa弹性模量/CPa20#无缝钢管245密度/(kgm3)剪胀角/（）弹性模量/GPa174030密度/(kgm3)剪胀角/（）弹性模量/GPa240030围岩级别抗压强度/MPa抗拉强度/MPa杨氏模量/GPaIV级围岩50.87U36型钢杨氏模量/GPa力学性能206田苗等深部高应力破碎巷道钢管尾砂支架支护技术研究围岩-支架耦合模型以金矿30 中段巷道实际地质条件为背景，结合钢材拉伸实验参数和相关文献资料，利用ABAQUS有限元软件分别建立钢管尾砂支架、钢管混凝土支架和U型钢支架与围岩的三维耦合模型。结合巷道工程实际尺寸，设定巷道围岩模型尺寸为40 m40m3m（长宽高），巷道断面尺寸为50 0 0 mm5500mm（长宽）。试验构件的力学参数见表15，分别为钢管、尾砂、混凝土、围岩体、U36型钢的基本试验参数。试验中所有模型均采用C3D8R单元，其中模型划分为围岩体和支架两部分，支架和围岩以及骨料和钢管内壁之间均采用Tie约束。将围岩模型底部完全固定，前后面限制其法向位移，在围岩模型的两个侧面以及顶部均匀地逐渐施加压力。在数值模拟过程中，为突出研究内容，对模拟做以下必要假定：将围岩视为各向同性、连续对称、均质的力学介质；考虑围岩与支架之间完全接触；不考虑地下水影响；计算过程中岩体不产生滑移。猫杆支护失效将表1至表5中的参数带人到耦合模型中，在支架上均匀设置2 4个监测点，围岩支架三维耦合模型测点布置及模型边界条件设置见图3。(b）锚杆支护失效表1钢管参数泊松比密度（kgm3）外径/mm内径/mm壁厚/mm2060.3表2 尾砂参数第二应力泊松比比值/kPa310.26表3混凝土参数泊松比第二应力比值/kPa330.2表4围岩参数泊松比4.5345.10表 5U36 型钢参数泊松比断后伸长率/%抗剪强度/MPa抗拉强度/MPa0.321312数值试验2.178000.650.670.22318152黏性系数/kPa0.004黏性系数/kPa0.005内摩擦角/（)内聚力 c/MPa39.9727拉伸屈服强度/MPa510345140双轴等压与单轴强度之比1.146双轴等压与单轴强度之比1.225632矿业工程第2 1卷第4期S.Mises（平均：7 5%）171e+0250e+028e+020212#S,Mises（平均:7 5%）528e+0230e+1e2S,Mise（平均：7 5%）-528e+0223e+Bet86e4e02+3.927e+014#21#1#24#图3围岩-支架三维耦合模型2.2加载特性研究围岩侧压力大小对支架的支护效果有极大影响，而研究区域的侧压力系数达到1.14，故在模拟试验中重点考虑了围岩侧压力对于支架支护效果的影响。在同一侧压力系数下开展钢管支架和U型钢支架的模拟试验，设定支架的间距为1.0 m，侧压力系数分别为0.8、1.2、1.6。2.2.1试验现象及应力分析图4、图5和图6 为不同侧压力系数下U型钢支架、钢管混凝土支架和钢管尾砂支架的应力云图，从图中可看出三类支架应力呈现对称式分布。试验现象具体如下：1）U 36 型钢支架主要受力部位是拱肩、顶拱和底角。当侧压力系数为0.8 时，支架主要受力部位为支架拱肩和拱角，随着侧压力系数的逐步增大，主要受力部位由拱肩向顶拱转移。2）对于钢管混凝土支架，其顶拱和底角的受力相对显著高于其他部位，受力情况随着侧压力系数的增大变化并不明显。在同一侧压力条件下钢管混凝土支架顶拱部分受力较同为钢管拱架的钢管尾砂支架更为集中，变形程度显著小于U型钢支架。3）对于钢管尾砂支架，和钢管混凝土支架受力分布情况大致相似，但其在侧压力系数为0.8 时，支架拱肩较拱顶受力更大，随着侧压力系数的增大，主要受力部位由拱肩向顶拱转移。在同一侧压力系数下，受力明显大于钢管混凝土支架而略小于U型钢支架。综上所述，钢管混凝土支架在三种类型的支架中承载能力最好，U型钢支架承载能力较弱，钢管尾砂支架的整体性能弱于钢管混凝土支架而优于U型钢支架，在理论上证明了钢管尾砂的可行性。S.Mises（平均：7 5%）+3.938e+0232958e+985e18e4+i1.849e+00(a)0.8图4不不同侧压力系数U型钢支架应力云图4310466e+i.483e+013(a)0.8(b)1.2图5不同侧压力系数钢管混凝土支架应力云图S,MisesS,Mises（平均：7 5%）（平均：7 5%）+3.870e+02+3.552e+02+3.235e+02+2.917e+02+2.599e+02+2.281e+02+1.964e+02+1.646e+02+1.329e+02+1.010e+01+6.927e+01+3.750e+01+5.720e+00(a)0.8图6 不同侧压力系数钢管尾砂支架应力云图2.2.2位移监测点关系提取钢管尾砂支架、钢管混凝土支架和U型钢支架监测点在不同侧压力系数下的变形量，绘制曲线，见图7。1）三类支架的整体变形分布趋势比较相似。其中U型钢支架整体变形量最大，钢管混凝土支架整体变形量最小；钢管混凝土支架在整个试验过程中除底角外的其他部位变形量基本不受侧压力波动影响；U型钢支架、钢管尾砂支架的底角和顶拱变形量随着侧压力系数的增加而大幅增长。2）对于钢管尾砂支架，其整体变形量介于U型钢支架和钢管混凝土支架之间，当侧压力系数为0.8 时，各部位间的受力差值相对较小。随着侧压力系数的增大，除拱顶和底角外支架其余部位的变形量基本都在减小，当侧压力系数为1.6 时，支架左右两侧腿部变形量低于侧压力系数为0.8 和1.2 相对应的部位，作用力主要集中在顶拱和底角部位，此时二者受力大小大致相同，与其他部位间的受力差值较大。3）当侧压力系数为0.8、1.2、1.6 时，钢管尾砂支架最大变形分别为钢管混凝土支架的1.6 7 倍、1.0 6 倍、1.11倍，分别为U型钢支架的6 9.12%、8 2.0 4%、87.67%。3rS,Mises（平均：7 5%）+3.986e+023654e+02+23.990e+0232e+0202329e+01+8.304e+02(b)1,2+5.049.800e+00(c)1.6S,Mise（平均：7 5%）+3.938e+02+3.963e+02+3.612e+02+3.634e+02+3.285e+02+3.304e+02+2.958e+02+2.974e+02+2.632e+02+2.645e+02+2.305e+02+2.315e+02+1.978e+02+1.986e+02+1.652e+02+1.656e+02+1.325e+02+1.327e+02+9.985e+01+6.718e+01+3.451e+01+1.849e+00(b)1.2+0.82.5一1.2S,Mises（平均：7 5%）+3.995e+027e+8e+02+9.91.92e401665c+032e+02+6.663e+013334e401+4.785e+02(c)1.6+9.972e+01+6.677e+01+3.381e+01+8.589e+00(c)1.6一0.82.51.621.50.5OL1357911131517192123监测点(a)U36型钢支架21.5L0.51357911131517192123监测点（b）钢管混凝土支架1.6一1.22023年第4期2.520.501357911/13,151719 21 23监测点（c）钢管尾砂支架图7 支支架变形曲线图3现场应用3.1支护方案钢管尾砂支架主要由两根拱腿、两根拱顶、连接管套、承载托盘、固定锚杆等部件组成。钢管使用2 0#无缝钢管，钢管直径152 mm，壁厚6 mm，钢管内填充尾砂泥浆，每个拱架都设有注浆口和排气口，各节之间由管套连接，并在连接管套下部焊接挡环，以防止管套滑落（具体设计见图8）。为保证在稳固支架的同时能增加锚杆密度，提高围岩稳定性。巷道掘进工作完成后，立即采取锚网喷支护措施，尽可能缩短巷道裸露的时间，支护完成后，在预留适当巷道围岩变形空间的基础上安装空钢管支架，然后对空钢管支架进行注浆，完成二次支护。设计在原有支护方式上进行，无需对巷道断面进行扩刷。钢管尾砂支架和钢管混凝土支架外部构件以及参数配置一致，具体情况见图8。-40-排气孔巷道底板46965000图8 支架整体示意图（单位：mm）支护方案布置在30 中段水仓巷道，该区域围岩由黏土岩、砂岩和泥岩交互排列组成，岩层破碎，围岩整体强度较低，是典型的深部高应力软弱破碎围岩，难以进行有效的控制。3.2监测结果分析采用JSS30A型收敛仪对不同支护体系下试验段巷道围岩表面位移量进行监测，图9 为三种支护体系下的监测结果。通过现场监测，可以将各巷道围岩的变形分为主要变形阶段、次要变形阶段和围岩稳定阶段：支护完成2 5天内，围岩变形速度较快，变形量大，为主要变形阶段；支田苗等深部高应力破碎巷道钢管尾砂支架支护技术研究0.81.2一1.6钢管尾砂支架01526注浆口承载托盘33护完成2 5天到45天内，围岩变形速率逐渐减缓，为次要变形阶段；在支护完成45天后，围岩逐渐稳定，变形量没有明显地增加，为围岩稳定阶段。通过对比得出，U型钢支护段围岩最大变形量达到51.2 mm，钢管尾砂支护段围岩最大变形量41.7 mm，钢管混凝土支护段围岩最大变形量18.0 mm。10 天内钢管混凝土支护段围岩变形量明显优于钢管尾砂支护和U型钢支护。10 天后，三类支护段的围岩表面变形量差距逐渐缩小。一U型钢支护80钢管混凝土支护钢管尾砂支护变形速率32884820000上述监测数据表明，钢管尾砂支护体系能有效控制围岩的变形，提高围岩的整体承载能力防止支护失效，可有效控制深部高应力破碎巷道变形破坏，可作为一种新型的尾砂应用方案。4结语1）30 中段水仓区域内围岩由黏土岩、砂岩和泥岩交互排列组成，岩层破碎，围岩整体强度较低，是典型的深部高应力软弱破碎围岩，传统的锚网喷支护难以对其进行有效的控制。在锚网喷的支护条件下巷道围岩的变形特点概括为：巷道存在不同程度开裂变形、锚杆支护构件失连接管套效、巷道顶板下沉严重。180 x10挡环一钢管尾砂支护U型钢支护变形速率一钢管混凝土支护变形速率1020图9理现场监测数据曲线2）数值试验表明：在同一侧压力系数下，钢管混凝土支架在三种类型的支架中受力最小，U型钢支架受力最大，钢管尾砂支架的整体性能弱于钢管混凝土支架而略优于U型钢支架；钢管尾砂支架的变形程度介于钢管混凝土支架和U型钢支架之间，最大变形量分别为钢管混凝土支架的1.6 7 倍，1.0 6 倍，1.11倍，分别为U型钢支架的69.12%、8 2.0 4%、8 7.6 7%。3）从现场监测结果来看，钢管尾砂支护体系能有效控制围岩的变形，提高围岩的整体承载能力防止支护失效，可以有效控制深部高应力破碎巷道变形破坏，可作为一种新型的尾砂应用方案。参考文献：1Yu J,Liu G,Cai Y,et al.Time-Dependent DeformationMechanism for Swelling Soft-Rock Tunnels in Coal Mines and ItsMathematical Deduction J.International Journal of Geomechanics,2020,20(3).2Tan X,Chen W,Liu H,et al.A combined supporting systembased on foamed concrete and U-shaped steel for undergroundcoal mine roadways undergoing large deformations J.Tunnelling&Underground Space Technology，2 0 17，6 8(sep.):196-210.3李世忠，彭文庆刚性U型钢支架系统在破碎围岩体巷道2.82.4I-P.U21.61.250.80.40304050607080时间/天9034的应用研究 J，煤炭技术，2 0 2 1，40（4)：1-4.【4李晓飞，陈思如断层构造带下支护方法和间距的优化选择J采矿技术，2 0 2 0，2 0（1)：54-56+6 5.矿业工程5陈斌，左宇军，王剑，等：深部巷道直墙半圆拱形钢管混凝土支架承载性能分析J矿冶工程，2 0 2 1，41（1）：11-15.第2 1卷第4期Research on Supporting Technology of Steel Pipe TailingsSupport in Deep High Stress Broken RoadwayTIAN Miao,ZHENG Lulin,CHEN bin,ZHAO Shilin,XIE Sijia,ZHONG Manyin(School of Mining and Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:In order to solve the problems such as difficulty in supporting for deep high stress broken roadway,environmentpollution caused by mine tailings and lack of utilization channels,with the water bin in the 30 middle section of Jinfeng gold mine asthe engineering background and through the analysis of the deformation characteristics of the roadway,the steel pipe tailings supportwith tailings as the main flling material is proposed.Numerical tests are conducted to analyze the load-bearing performance of stelpipe tailings support,steel pipe concrete support and U-shaped steel support,and the test results show that under the same lateralpressure coefficient,the force of steel pipe tailings support is approximately the same as that of U-shaped steel support,which isabout twice that of steel pipe concrete support,and the deformation of the steel pipe tailings support is reduced by 10%to 30%compared with that of U-shaped steel support.In engineering practice,for the support scheme based on 3 types of supports,45 daysafter the support is completed,the wall rock gradually stabilizes without significant increase in deformation,and the stability of theroadway wall rock is effectively controlled.Key words:high-stress broken roadway;steel pipe concrete;steel pipe tailings;numerical simulation;field application(上接第2 9页）效延长输送机的使用时长，并降低各故障发生机率；此外利用事故树方法总结和归纳输送机故障方面的知识和信息；以胶带输送机的各部位零件为研究目标，提出胶带输送机智库推理流程图，为输送机判断提供准确的判断思路，避免出现判断错误现象，显著提升了输送机故障处理效率。参考文献：1】兰天安矿井胶带输送机故障分析及智库体系建设J.能源与环保，2 0 2 0，42（4）：134-136+153.2胡广超，柴占江矿井带式输送机胶带跑偏故障研究J.科学技术创新，2 0 19（2 4）：17 7-17 8.3高亮带式输送机胶带跑偏故障分析与处置J能源与节能，2 0 19（4)：48-49.4崔凯煤矿带式输送机的常见故障及处理方法J内蒙古煤炭经济，2 0 17（2）：2 2+2 4.5杜永华：淮南谢一矿钢丝绳牵引胶带输送机常见故障分析及保护装置改造J工矿自动化，2 0 0 5（1）：54-55.Fault Analysis of Belt Conveyors in Mines andResearch on Its CountermeasuresWANG Huamin(Fujian Makeng Mining Co.,Ltd.,Longyan 364000,China)Abstract:Many faults are found in the belt conveyors used in mines.In order to improve the conveying efficiency of the beltconveyors in mines,through the quantitative and qualitative analysis of the causes of faults,and based on relative professionalknowledge,fault maintenance and diagnosis countermeasures are formulated according to the fault table and use process of theconveyors.Strategies for replacement,maintenance and fault-prevention of the conveyors are put forward,and the fault think tanksystem of the mine conveyors are built.All these lays the foundation for the development of conveyors in the future.Key words:mine conveyor;fault analysis;diagnosis