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大断面巷道穿断层破碎带区域支护参数优化数值模拟

2024-05-21 30 上传者：管理员

摘要：目的：合理的支护参数是确保巷道围岩稳定和控制支护成本的关键。本研究以巨龙铜矿大断面排水巷道为研究对象进行支护参数优化。方法：设计了三种支护参数，利用有限元软件进行了数值模拟研究。通过分析不同支护参数下位移、应力及塑性区结果进行支护参数优化。结果：结果表明，锚杆支护能够有效改善围岩应力分布，避免出现应力集中。随着锚杆间距和排距的增大，巷道围岩最大位移增大，当锚杆间距和排距为1 000 mm时，巷道围岩位移最大。围岩塑性变形主要发生于巷道肩部和两帮位置。当锚杆间距和排距为1 000 mm时，塑性区深度大于锚杆长度。综合数值模拟结果和支护成本，巨龙铜矿大断面排水巷道最优锚杆支护参数为800 mm×800 mm(间距×排距)。意义：研究结果为穿断层破碎带巷道支护设计提供了理论参考。

关键词：
参数优化
巷道支护
数值模拟
锚杆支护
长距离排水巷
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近年来，国际矿产资源供给局势严峻，我国作为全球第一大矿产资源消费国，资源保供关系着国计民生[1,2,3,4,5]。在资源开采过程中，巷道作为地下作业人员初次接触矿体的活动空间，该空间是否稳定决定着作业人员能否将矿产资源安全高效回收，故在保证资源高效回收的前提下，作业人员势必需要保证巷道空间的稳定性[6,7,8,9]。理论分析方面：秦绍龙等[10]基于工程地质、室内岩石力学试验和有限元数值模拟软件Phase2,采用RMR岩体地质力学分级和Q系统分级对纱岭金矿深部巷道顶板围岩进行了岩体质量评价，对不同用途的巷道进行分级支护设计，有效保证了巷道顶板围岩的稳定，降低了矿山的支护成本。李德贤等[11]基于灾变耦合原理得到巷道变形破坏耦合路径，采用改进的LEC分级评价方法建立了巷道支护难度分级方法，工程应用表明，该方法能够快速实现复杂破碎巷道支护级别的分类，且具有较高可靠性，为实现巷道安全、经济的支护目标提供了技术支撑。数值模拟方面：孟庆彬等[12]基于收敛-约束法的基本原理，总结给出了支护特征与支护结构变形方程，分析了3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性，验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。刘超等[13]采用数值模拟方法分析了双层喷锚网和单层喷锚网+钢筋条支护方式在金川三矿区深部破碎围岩巷道支护工程中的应用状态，不同支护方案比较发现，单层喷锚网+钢筋条支护方式相较于原双层喷锚网支护方式满足现场正常生产的要求。李桐等[14]为提高锦丰金矿某水平巷道支护效率，采用中空注浆锚杆进行支护，运用FLAC3D数值模拟方法进行参数研究，通过现场监测发现新支护方案支护效果良好，在更短时间内使巷道围岩体达到稳定状态。张富兴等[15]针对某矿业海底千米金矿巷道，采用数值模拟的方法研究了不同围岩下巷道应力及位移变化规律，结合巷道埋藏深度及围岩物理化学特性，提出“分区分级”支护，有效控制了巷道的变形破坏。

综上所述，数值模拟能够直观地体现出不同支护参数下的巷道支护效果。本研究针对巨龙铜矿大断面巷道支护施工，采用数值模拟的方法对三种支护方案进行了模拟研究，并依据模拟结论对大断面巷道支护参数方案进行优选。研究结果可为相关大断面巷道支护参数优化设计研究提供一定的理论基础。

1、工程背景

巨龙铜矿位于墨竹工卡县甲玛乡甲玛沟。公司旗下的驱龙铜多金属矿为斑岩型铜矿，铜资源量达1 000万t。目前，该铜矿开采方式为露天开采。为解决露天采场排水问题，拟掘进两条巷道用于露天采场排水，两条巷道总长度约7 000 m, 拟采用一台盾构机进行施工。为加快施工进度，改为采用盾构机和爆破掘进的方式同时施工两条巷道。

本研究仅针对采用爆破掘进区段巷道。巷道断面为三心拱型，断面尺寸为4.4 m×4.4 m。该巷道距离较长，穿越地层较多，本研究中仅针对围岩为英安岩、岩体稳定性为Ⅱ～Ⅲ级的巷道进行支护参数优化。根据现场实际情况，支护方式确定为树脂锚杆+金属网+喷浆支护，其中，喷浆厚度为100 mm, 喷射混凝土等级为C25。金属网网度为100 mm×100 mm, 钢筋直径6 mm。锚杆选用树脂锚杆，长度为2 m, 锚杆直径22 mm。初步确定了三种锚杆支护参数：1) 间距×排距：600 mm×600 mm; 2) 间距×排距：800 mm×800 mm; 3) 间距×排距：1 000 mm×1 000 mm。支护设计图见图1。

图1 排水巷锚杆支护设计

2、数值模拟

2.1 模型建立

根据排水巷道初步支护设计三种方案建立数值计算模型，同时将无支护情况作为对照组进行了模拟分析。图2展示了锚杆支护参数为800 mm×800 mm(间距×排距)的数值模拟计算模型。模型长度和高度均为22 m, 宽度5 m。网格模型共27 930个网格点，147 594个网格和13 609个网格面。

图2 数值模拟计算模型

2.2 力学参数确定

本研究中支护设计仅针对围岩稳定性为Ⅱ～Ⅲ级的巷道。采用的爆破掘进区域岩石力学参数根据岩石力学实验和查阅文献获取，如表1所示。

由于巨龙铜矿未进行地应力测试，参考甲玛铜矿地应力研究结果进行数值模拟计算[16]。地应力计算公式如下：

表1 岩石力学参数

3、数值模拟结果

3.1 位移结果分析

以无支护状态小巷道掘进作为对照，见图3。图4至图6显示了垂直巷道掘进方向不同锚杆间排距数值模拟结果剖面图。其中总位移表示各方向位移之和。可以发现，无支护状态下，巷道掘进后水平方向位移主要发生在巷道两帮位置，水平最大位移约为1.6 cm。垂直方向位移发生在巷道顶板和底板位置，其中顶板区域垂直变形较大，为3.0 cm, 方向向下；底板变形较小，约为1.3 cm, 方向向上。从图3(c)中可以发现，巷道围岩主要变形区域以顶板为主，顶板下沉区域由顶板揭露位置向上逐层下沉。

图3 巷道掘进数值模拟位移结果(无支护)

图4 巷道掘进数值模拟位移结果(锚杆间距×排距：600 mm×600 mm)

图5 巷道掘进数值模拟位移结果(锚杆间距×排距：800 mm×800 mm)

图6 巷道掘进数值模拟位移结果(锚杆间距×排距：1 000 mm×1 000 mm)

在巷道掘进过程中，采用锚杆和喷射混凝土支护能够有效控制围岩变形。由图4至图6可知，支护后巷道围岩变形明显减小，当锚杆间距为600 mm和800 mm时，两帮及顶板变形均小于1 cm, 为毫米级变形。此外，锚杆间距越小，巷道围岩变形越小。锚杆间距为600 mm时，巷道顶板最大位移为5.8 mm; 而锚杆间距为800 mm时，巷道顶板最大位移为8.3 mm。当锚杆间距为1 000 mm时，巷道顶板最大位移为12 mm, 变形较大。此外，锚杆支护改变了巷道顶板发生位移区域的形状，这是因为锚杆将巷道顶板锚固成一个整体，避免了巷道顶板由揭露位置逐层向上冒落。

图7显示了沿巷道掘进方向数值模拟结果剖面图。可以发现，在顶板揭露位置，顶板变形最大。而锚杆将顶板一定厚度的围岩锚固为一个整体。锚杆支护排距为600 mm和800 mm时，巷道顶板沿锚杆方向变化量较小，锚杆支护区域变形量不超过1 mm。然而，锚杆锚固长度有限，可发现，在锚杆顶端围岩位移值增大。随着锚杆排距增大，锚杆顶端围岩变形区域与低部变形区域贯通，即锚杆支护排距过大时支护效果减小。如图7(c)所示，锚杆顶底部围岩变形均超过1 cm, 锚固效果较差。

图7 不同锚杆支护参数下巷道顶板位移结果

3.2 应力结果分析

图8显示了不同支护参数下巷道围岩应力分布。模拟结果表明，无支护状态下巷道掘进后顶底板及两帮围岩应力最小，这是因为巷道掘进后围岩产生变形，应力释放。应力集中区域分布于巷道两侧，分析认为，这是由于青藏高原地区水平方向应力较大所导致的。支护后，锚杆将围岩锚固成整体共同承压，巷道围岩变形较小，围岩内应力未能完全释放，因此应力集中于巷道两侧，沿锚杆支护区域弧形分布。

3.3 塑性区结果分析

图9显示了不同支护参数下巷道掘进围岩塑性变形结果。无支护状态下巷道掘进后围岩塑性变形主要分布于巷道两肩和两帮位置。以剪切变形为主，底板区域存在少量拉伸变形。锚杆支护后，巷道塑性区明显减小。对于巷道两肩位置，锚杆间距越小，塑性区越小。锚杆间距为800 mm和600 mm时，塑性区深度与锚杆长度近似相同，当锚杆间距为1 000 mm时，塑性区深度明显大于锚杆长度。对于巷道两帮位置，塑性变形发生在靠近巷道两帮和锚杆末端两个区域。当锚杆间距为1 000 mm时，两区域塑性区贯通。

图8 不同锚杆支护参数下巷道围岩最大主应力模拟结果

图9 不同锚杆支护参数下巷道围岩塑性区模拟结果

3.4 支护方案优选

根据前文研究结果，基于数值模拟结果中位移、应力、塑性区分布对不同锚杆支护参数进行优选。应力分布结果表明，三种锚杆支护参数均能改善巷道围岩应力分布，减少巷道围岩应力集中。位移结果表明，锚杆间排距为600 mm和800 mm时，巷道最大位移较小，支护效果较好；锚杆间排距为1000 mm时，巷道最大位移较大(12 mm),支护效果较差。塑性变形结果表明，锚杆间排距为600 mm和800 mm时巷道围岩塑性变形深度与锚杆长度相似或小于锚杆长度，锚杆间排距为1 000 mm时巷道塑性变形深度大于锚杆支护长度。综合考虑数值模拟结果和支护成本，最优锚杆支护参数为800 mm×800 mm(间距×排距)。

4、结论

通过数值模拟分析了不同参数下锚杆对巷道围岩的支护效果，并与无支护状态下巷道掘进数值模拟进行了对照。通过对比位移、应力以及塑性区变化进行了锚杆支护参数优选，主要结论如下：

锚杆支护能够有效改善围岩应力分布，避免围岩出现应力集中。锚杆支护后围岩内应力沿锚杆支护区域呈弧形分布。

随着锚杆间距和排距减小，巷道顶板位移减小，当锚杆间距和排距均小于1 000 mm时，巷道围岩最大位移小于10 mm, 支护效果较好。

巷道掘进过程中围岩塑性变形主要分布于巷道两帮和两肩区域，以剪切变形为主。当锚杆间距和排距均小于1 000 mm时，巷道围岩塑性变形深度与锚杆长度相似或小于锚杆长度，该支护参数下锚杆能有效减少围岩塑性变形。

通过对比数值模拟结果，同时考虑支护成本，巨龙铜矿排水巷道最优锚杆支护参数为800 mm×800 mm(间距×排距)。

合理的支护参数能够在确保支护强度的前提下降低支护成本。对于不同稳定性的岩体制定合理的支护形式以及支护参数，是下一步工作的主要研究方向。

参考文献:

[1] 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[J].有色金属工程,2022,12(4):116-123.

[2]葛伟杰,刘艳章,秦绍兵,等.考虑采动影响的ACI-RMR法矿山巷道围岩质量分级研究[J].有色金属工程,2023,13(9):121-129.

[3]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[J].矿冶,2023,32(2):1-9.

[4]王志修,原野,于世波.逆断层影响区域破碎巷道稳定性控制对策分析[J].矿冶,2022,31(4):1-6.