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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2018, 26(5): 605-614 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.605

金川矿区深部巷道支护效果评价及参数优化研究

李光1,2,3, 马凤山1,2, 刘港1,2,3, 郭捷1,2, 郭慧高4, 寇永渊4

1 中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院页岩气与地质工程重点实验室,北京 100029

2 中国科学院地球科学研究院,北京 100029

3 中国科学院大学,北京 100049

4 金川集团股份有限公司,甘肃 金昌 737100

Study on Supporting Parametric Optimizing Design and Evaluate Supporting Effect of Deep Roadway in Jinchuan Mine

LI Guang1,2,3, MA Fengshan1,2, LIU Gang1,2,3, GUO Jie1,2, GUO Huigao4, KOU Yongyuan4

1 Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

2 Institutions of Earth Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

3 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

4 Jinchuan Group Co.,Ltd.,Jinchang 737100,Gansu,China

通讯作者:

收稿日期: 2018-07-31   修回日期: 2018-09-23   网络出版日期: --

基金资助: 国家自然科学基金项目“金属矿山地下采动引起的竖井变形破坏机理研究”.  41772341
“陡倾矿体充填开采岩移规律与充填体稳定性研究”.  41372323

Received: 2018-07-31   Revised: 2018-09-23   Online: --

作者简介 About authors

李光(1991-),男,黑龙江双鸭山人,博士研究生,从事矿山工程地质研究工作liguang@mail.iggcas.ac.cn

马凤山(1964-),男,河北吴桥人,研究员,博士生导师,从事地质工程与地质灾害方面的研究工作fsma@mail.iggcas.ac.cn

摘要

巷道支护问题一直是矿业工程中的难题,特别是在深部软岩巷道中,能否提供持久、有效的支护直接影响着矿山的安全生产和可持续发展。“双层网锚喷+U型钢拱架”联合支护是目前金川矿区在深部巷道支护中较常用的支护方案,为了解该方案的支护效果,在二矿区814 m分斜坡道上设立试验段,采用现场监测与数值模拟计算相结合的方法,对该试验段巷道的支护效果进行评价,并针对支护的薄弱部分提出改进措施。研究结果表明:(1)在当前支护条件下,巷道顶板和两帮围岩得到了较好的控制,但底鼓问题严重,最大位移可达110 cm;(2)针对当前支护方案的薄弱环节,提出增加锚杆长度、提高锚杆强度和增加底板支护等补强措施;(3)设计了一组参数优化方案,并对其支护效果进行了数值模拟分析,认为该优化支护方案能够有效地控制巷道围岩变形,并弥补原支护方案的缺陷。

关键词: 巷道支护 ; 金川矿区 ; FLAC3D数值模拟 ; 参数优化 ; 软岩巷道 ; 深井巷道

Abstract

The roadway support has always been a difficult problem in the mining engineering,especially in the deep soft rock roadway,whether it can provide endurable and effective support directly affects the safety production and sustainable development of the mine.The composite supporting scheme of double layer bolt-mesh-anchor and U-shaped steel is frequently used in the deep roadway in Jinchuan mining area.In order to evaluate the supporting effect of this scheme,a tentative roadway was setted up on the 814 m ramp in No.2 mine.Through the combination of field monitoring and numerical simulation calculation,the supporting effect was evaluated,and an improvement measure was put forward.The results show that:(1)Under the present supporting conditions,the surrounding rock in the roof and both sides of the roadway are well controlled,but the floor heave is serious with the maximum displacement reaching 110 cm.(2)In view of the defects of the current supporting scheme,reinforcement measures,ranging from increasing the length of bolt,improving the strength of anchor rod to supporting the floor,were put forward.(3)An optimization scheme was designed,and the numerical simulation results show that the optimized supporting method can control the deformation of roadway surrounding rock effectively and solve the problems of the previous scheme.

Keywords: roadway support ; Jinchuan mine ; FLAC3Dnumerical simulation ; Parameter optimization ; soft rock roadway ; deep roadway

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本文引用格式

李光, 马凤山, 刘港, 郭捷, 郭慧高, 寇永渊. 金川矿区深部巷道支护效果评价及参数优化研究. 黄金科学技术[J], 2018, 26(5): 605-614 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.605

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随着资源的不断开采和消耗,各类矿山工程向深部进军已成为必然趋势,意味着地下开采将面临更高的地应力、更破碎的岩体和更复杂的地质条件。巷道支护是矿山生产中的重要工作,直接影响着采矿的安全和效率,特别是在深部软岩巷道中,如何通过合适的支护手段控制巷道的变形,已成为国内外学者特别关注的问题。

金川矿山是我国最大的铜镍矿,于1964年开发,至今已有50余年的历史,目前矿山采深已超过1 000 m,但巷道支护一直是限制其发展的瓶颈问题[1]。据统计,金川矿区有40%的巷道在掘进后需要在半年以内重新返修,而且其二矿区的井下巷道返修量由1999年的3 200 m增加至2017年的15 617 m,总量翻了数倍,已严重影响了深部资源开采的经济效益。

对金川矿区巷道支护的研究已有数十年的历史,从最开始的木棚支护、混凝土支护到后来的锚网喷支护、钢拱架支护,研究者们对巷道变形的机理和支护手段的运用开展了许多工作[2]。杨春丽等[3]对金川二矿区1 178 m分段巷道支护体进行了研究,并使用数值模拟软件计算了8种不同支护方式下巷道的变形情况,认为锚网喷+锚索+底部锚杆联合支护下,巷道能够保持基本稳定;邓清海等[4]对金川二矿区14行风井的返修支护效果进行了评价,认为返修所采用的锚网喷支护对竖井的变形有一定的限制作用,但可能再次发生破坏;李欣等[5]对金川三矿区巷道围岩的蠕变控制问题进行了研究,通过监测发现了该区巷道围岩流变的3个阶段,并认为一次支护后的3周内应进行第二次支护;赵小平等[6]对金川龙首矿区深部巷道的支护问题进行了研究,并通过数值模拟计算对比了12种支护方式的支护效果,得到了一种较合理的方案;刘京铄等[7]进行了金川深部巷道的松动圈试验,并借助FLAC3D数值模拟软件,对深部巷道围岩双层喷锚网支护的变形情况进行了研究;高启波等[8]对金川矿区高应力破碎岩体巷道的支护问题进行了研究,并提出了高强度锚杆、锚索和底部钢管梁联合支护的方式;吴大伟[9]对金川三矿区的巷道支护技术进行了详细梳理,并提出了涨壳式中空预应力注浆锚杆搭配高强TECCO网的锚喷支护技术,为解决支护体与围岩间耦合问题提供了参考。

综上所述,研究人员对金川矿区巷道稳定性问题已有了较深入的认识,但如何在不同类型的巷道围岩中选择更加有效的支护手段,仍需要深入的实践和探究。因此,以二矿区814 m试验段为研究对象,采用现场监测与数值模拟计算相结合的方法,对“双层锚网喷+U型钢拱架”联合支护的效果进行评价,并提出优化方案,旨在为金川矿区深部软岩巷道围岩稳定性问题的研究提供借鉴和参考。

1 814 m试验巷道支护效果评价

1.1 研究区工程地质条件

金川矿区地质历史背景十分复杂,先后经历了吕梁运动等多次地质构造活动,矿区与龙首山北侧的深大断裂毗邻,各种岩浆活动频繁。恶劣的地质条件、纵横交错发育的结构面、高地应力和软弱岩体强度,给巷道围岩的稳定带来了诸多不利[10]

试验巷道位于二矿区814 m分斜坡道上,埋深近1 000 m,围岩主要为强风化的混合岩,岩体松散,节理、裂隙发育,且具有显著的膨胀性,巷道具体位置如图1所示。该区岩体力学及地应力参数取自金川有色金属公司的相关研究报告[11,12],具体参数取值列于表1和表2中。

图1

图1   814 m试验巷道位置示意图

Fig.1   Schematic diagram of location of the 814 m


表1   试验段岩体物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical parameters of roadway surrounding rock

岩体类型密度/(g·cm-3弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)内聚力/MPa抗拉强度/MPa
巷道围岩2.960.23400.60.4

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表2   试验段地应力实测值

Table 2  Ground stress in the test section

应力类型应力量值/MPa应力方向/(°)应力倾角/(°)
最大主应力(σ1)44.42325
中间主应力(σ2)31.8-62.2-79
最小主应力(σ3)24.2142-10

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1.2 814 m试验段巷道支护条件

试验巷道采用应力分布较合理且利用率较高的矮墙半圆形断面,支护方案采用“双层锚网喷+U型钢拱架”联合支护,如图2所示。

图2

图2   814 m试验巷道支护条件示意图(单位:mm)

Fig.2   Schematic diagram of supporting method in the 814 m tentative roadway(unit:mm)


第一次支护为喷锚网+U型钢拱架联合支护,锚杆间排距为1 m×1 m,混凝土喷层厚10 cm,U型钢拱架间距为1 m;第二次为单独的锚网喷支护,锚杆间排距和混凝土喷层厚度与第一次支护相同。锚杆为水泥砂浆全长锚固,间排距为1.0 m×1.0 m,杆体由二级螺纹钢制成,直径为22 mm,长度为2.25 m,锚杆垫板使用Q215钢板,厚度为10 mm,尺寸为200 mm×200 mm。喷砼强度为C25,单次支护厚度为100 mm,金属网使用管径为6.5 mm的钢筋,网度为150 mm×150 mm。U型钢拱架采用U36直墙拱形可缩性支架,支架形式为稳定性较高的3节拱形,搭接段长度为400 mm,采用双槽夹板上、下限位卡缆,架间用拉杆连接,各支护结构具体参数见表3、表4和表5

表3   混凝土喷层参数

  Parameters of concrete lining

喷射厚度/mm弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)内聚力/MPa刚度/(kN·m-3
法向切向
100280.2301.353.4×1043.0×104

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表4   锚杆锚固参数

  Parameters of anchor bolt

弹性模量/GPa横截面积/mm2水泥浆外圈周长/mm内聚力/MPa拉断力/kN水泥浆刚度/MPa
210380549218517.5

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表5   U型钢拱架参数

  Parameters of U-shaped steel supports

弹性模量/GPa泊松比横截面积/mm2极惯性矩/m4Y惯性矩/m4Z惯性矩/m4
2000.34.57×10321.74×10-69.29×10-612.45×10-6

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1.3 现场试验结果分析

在试验巷道选取了15个断面,每个断面上分别安装了10个埋入式应变计和10个钢筋计,并利用激光测距仪、回弹仪和锚杆仪分别进行了巷道收敛变形监测试验、混凝土喷层强度试验和锚杆无损检测试验。

(1)巷道围岩收敛变形监测试验。在试验巷道的每个收敛断面上设置5个变形监测点,监测断面形式如图3所示。自2017年5月12日至2017年12月1日,共测量数据12组,取15个断面的平均值绘制成变形曲线,如图4所示。

图3

图3   巷道收敛监测断面示意图

Fig.3   Schematic diagram of tunnel convergence monitoring section


图4

图4   巷道收敛变形曲线

Fig.4   Curves of convergent deformation of roadway


由图可知,在支护后约200 d的时间内,巷道顶部和两帮收敛变形不大,最大变形值出现在巷道左帮和顶拱的连线,变形量约为5.5 cm,说明在该支护条件下,巷道两帮和顶拱的围岩得到了较好的控制。但是,巷道底板处底鼓变形明显,肉眼可见。由于施工原因,未能得到底鼓变形量实测值,根据以往经验,在1 000 m水平巷道(即埋深750 m)底鼓变形已达500 mm以上,而且初期变形剧烈、收敛快,严重影响巷道的整体稳定性,在后续研究中应给予重点考虑。

(2)混凝土喷层强度测试。因监测点3不便于进行回弹仪的操作,仅在各断面的监测点1、2、4、5处对混凝土喷层进行初期强度和养护强度检测,分别在喷射后3 d、7 d和28 d进行了测试,取15个断面的平均值绘制成强度曲线,如图5所示。

图5

图5   混凝土喷层强度测试曲线

Fig.5   Test curves of strength of shotcrete lining


由图可知,各处喷射的混凝土均能在30 d达到指定强度,说明混凝土喷射工艺较好,有利于及时控制巷道围岩变形。

(3)支护体变形监测。在每个断面内埋设10个应变计,用来监测支护体不同部位产生的应变情况,共安装应变计150个,布置方式如图6所示,仪器埋设完成效果如图7所示。

图6

图6   应变计和钢筋计布置示意图

Fig.6   Schematic layout of strain gauge and steel strain gauge


图7

图7   应变计和钢筋计埋设完成情况

Fig.7   Completion of strain gage and rebar gauge buried


2017年5月27日至2018年4月19日,应变计共采集了200多组数据,因井下施工过程中的扰动和破坏,出现部分数据缺失和畸变的情况,各断面监测点平均应变曲线如图8所示。

图8

图8   各断面监测点应变平均值曲线

Fig.8   Average strain curves of monitoring points in each section


由图可知,多数监测点表现出压应变,且应变值不断增大,但整体比较稳定。其中,Y3和Y8为变形值较大的点,分别对应巷道矮墙转半圆拱的左右拐点,说明形状的变化导致了该处的应力集中;Y4和Y5对应巷道的左拱肩,Y5还经历了由压变拉的应变转换,说明此处产生了较大的不均匀变形。

(4)锚杆的无损检测和钢筋计监测。在试验巷道内,选用RSM-RBT锚杆无损检测仪,对锚固系统中起主要作用的锚固长度、锚杆握裹状况和灌浆饱满度进行20%抽样检测。无损检测所用仪器工作示意图、分析软件界面和现场检测如图9所示。

图9

图9   锚杆的无损检测

Fig.9   Non-destructive testing for bolts


抽查结果显示,锚杆的露头长度均小于10 cm,锚固长度合格,锚杆灌浆饱和度均大于80%,说明巷道锚固工艺已经很成熟。

此外,还在各断面打入5根锚杆,每根锚杆上安装2个钢筋计,用来监测锚杆的应力和应变,具体测点分布和现场安装情况见图6和图10

图10

图10   钢筋计安装现场

Fig.10   Steel meters installation site


数据采集箱与应变计共用,仪器可自动识别传感器型号,整理所得各断面应力和应变平均值曲线,如图11和图12所示。

图11

图11   各断面钢筋计应力平均值曲线

Fig.11   Average stress curves of monitoring points in each section


图12

图12   各断面钢筋计应变平均值曲线

Fig.12   Average strain curves of monitoring points in each section


观察图11和图12可知:从整体上看,各测点所得应力与应变数据有明显的一致性,变化趋势相似;位于巷道左侧的G1~G4测点在数值上大于右侧的G7~G10测点,说明巷道左帮受不均匀应力作用较大;巷道顶拱处的G5和G6测点应力、应变数值均较小,说明巷道的顶拱处变形得到了较好的控制,锚杆所受拉应力不大;G2测点的变形最显著,应力值最大可达400 MPa,根据公式σ=F/A[其中F为力(N);σ为应力(Pa);A为截面积(m2)]及表4中所示锚杆参数,换算可得最大拉力约为150 kN,接近锚杆拉断力为185 kN,巷道继续变形可能会导致锚杆破坏失效。

综上所述,对于814 m试验巷道内所使用的“双层锚网喷+U型钢拱架”联合支护的效果得到以下3点认识:

(1)在现今支护条件下,巷道顶拱和两帮的围岩变形得到了较好的控制,在不均匀应力作用下,巷道左帮变形大于右帮,且顶板的下沉量不大。断面平均收敛速率为0.3~0.4 mm/d,巷道属于欠稳定巷道,而且巷道底鼓变形明显,在支护方案优化中应着重考虑;

(2)混凝土喷层能够在规定时间内达到养护强度,有利于及时发挥支护作用,锚杆的锚固和灌浆工艺也比较成熟;

(3)在监测时间内,部分锚杆所受最大拉力已超过拉断力的80%,在日后持续的围岩变形中,锚杆可能破坏失效,应给予重视。

2 巷道支护数值模拟分析及参数优化

巷道的最大变形一般发生在两帮中部和顶底板的位置,对这些关键位置的监测有利于对巷道稳定性做出准确的评价[13,14]。但是,由于施工带来的不便,现场未对底板实施监测,因此利用数值模拟计算方法对巷道支护的稳定性进行进一步分析。

2.1 数值模型的建立

本次模拟试验的软件选用FLAC3D,该软件是一款已十分成熟的商业软件,在矿山工程和隧道工程等领域得到了广泛认可,并且它能够较好地模拟出渐进破坏和失稳的过程,适合本次试验。

根据814 m试验段巷道的实际工况,建立几何尺寸为30 m×30 m×20 m的模型,如图13(a)所示。模型边界条件设置为控制6个方向的法向位移,并施加如图13(b)所示的地应力。支护体的模拟选择软件中自带的结构单元,使用Beam单元模拟U型钢拱架、Cable单元模拟锚杆、Shell单元模拟混凝土喷层,联合支护体模型如图14所示。考虑到岩体强度的软化直接影响着深部岩体的变形规律,本次模拟选择应变软化模型,模型中各物理和力学参数均按照研究区实际情况赋值。

图13

图13   模型几何尺寸(a)和边界条件示意图(b)

Fig.13   Geometric parameters(a) and boundary condition schematic diagram(b) of the model


图14

图14   联合支护体模型

Fig.14   Numerical model of combined supporting


2.2 当前支护条件下模拟结果分析

模型达到初始平衡后,清空模型中的位移和状态,并开始模拟计算。当模型再次达到应力平衡状态时,其总位移云图及塑性区分布情况如图15所示。

图15

图15   巷道围岩总位移云图(a)和塑性区分布图(b)

Fig.15   Nephogram of total displacement(a) and distribution map of plastic areas(b) in surrounding rock


由图可知,巷道围岩在当前支护条件下,底鼓变形明显,最大位移超过110 cm,应采取措施加以控制;巷道围岩的其他部位变形不大,得到了较好的控制,与现场监测结果相符。巷道围岩塑性区分布范围在两帮和顶拱方向约为5 m,在底部已超过10 m;拉剪破坏发生在底板和直墙转半圆拱的拐点处,说明这些部分是薄弱环节,应加大支护力度。

2.3 支护方案优化

通过对比分析现场监测和数值模拟结果,针对当前支护方案存在的缺陷,提出3个补强措施:

(1)提高锚杆的钢筋强度。使用强度级别更高的钢筋,或选择可施加预紧力的锚杆,实现主动支护[14]

(2)增加锚杆长度。在巷道围岩应力集中区使用更长的锚杆进行锚固支护,如直墙转半圆拱拐点处和巷道左、右底角。曹平等[15]和张鹏强等[16]均对金川矿区围岩进行了松动圈测试,结果认为支护使用的锚杆长度应至少大于2.5 m。

(3)采用合理方式控制底鼓变形。由模拟结果可知,巷道底鼓变形严重,应向巷道底部施加锚杆支护,或使用可以控制底部变形的圆形钢管混凝土支架支护[17]

2.4 优化支护条件下模拟结果分析

综合考虑上述分析结果,结合工程经济效益,对原支护方案参数进行适当优化,以期获得更好的支护效果。具体优化内容包括:在巷道底部增加10 cm厚的混凝土喷层和3根锚杆,将变形较大的几个部位的锚杆增加至3 m,并施加63.7 kN的预应力,改进后的支护方案如图16所示。在此支护方式下,对模型进行数值模拟计算,得到总位移云图和塑性区分布图(图17)。

图16

图16   改进后的支护方案

Fig.16   Improved supporting method


图17

图17   优化后巷道围岩总位移云图(a)和塑性区分布图(b)

Fig.17   Nephogram of total displacement(a) and distribution map of plastic areas(b) in surrounding rock


由图可知,在优化后的支护方案下,巷道围岩的最大位移控制在30 cm以下,变形量缩小为原支护条件下变形量的70%;而且,在使用3 m预应力锚杆的部位,围岩塑性区得到了更好的控制,由原支护方式下的5 m减小至3 m,拉剪破坏带也仅出现在底板,说明经参数优化改进后的支护方案效果较好。

3 结论

针对金川矿区深部巷道支护效果和参数优化问题进行了探讨,对814 m中段试验巷道目前使用的“双层锚网喷+U型钢拱架”联合支护中锚杆锚固工艺和混凝土喷层强度进行了现场检测,并对巷道围岩的收敛变形和受力情况进行了现场监测,综合评价了该支护方式的支护效果。同时,针对方案的缺陷提出了优化和补强措施,最后利用FLAC3D数值软件对优化方案进行了数值计算,预测其支护效果。

(1)当前使用的“双层锚网喷+U型钢拱架”联合支护中,混凝土喷层能够在规定时间内达到养护强度,锚杆的锚固和灌浆工艺也比较成熟,有利于及时发挥支护作用。

(2)在当前支护条件下,巷道围岩得到了较好的控制,但底板无支护,导致底鼓问题严重,最大位移可达110 cm;巷道内直墙转半圆拱拐点处及左、右底角容易产生应力集中,且在不均匀力作用下,巷道左帮变形整体大于右帮。

(3)针对当前支护方案的缺陷,并综合考虑监测、检测结果和工程经济效益,提出的补强措施包括:在巷道底部增加10 cm混凝土喷层和3根锚杆;将变形较大的几个部位的锚杆增加到3 m,并施加63.7 kN的预应力。

(4)对优化方案的支护效果进行了数值模拟分析,结果显示该优化支护方案将巷道最大位移减小到原方案的30%以内,并很好地控制了巷道围岩的塑性区范围,支护效果较好。

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