某金屬礦巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

某金屬礦巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

0礦山巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)研究金屬礦產(chǎn)資源在促進(jìn)中國社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步方面發(fā)揮著重要作用。然而，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采，平坦的資源越來越稀缺，采礦業(yè)的活動(dòng)也越來越深入。目前錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)已在各類礦山巷道支護(hù)中成為主流方式，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就此進(jìn)行了大量研究。任奮華等1巷道圍巖結(jié)構(gòu)以某金屬礦作為研究對象，該礦區(qū)礦體頂?shù)装逯饕墒⒒皫r、高嶺土化碎裂巖、混合花崗巖、糜棱巖、灰?guī)r等構(gòu)成。巷道圍巖結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)面發(fā)育。礦區(qū)目前主要面臨的工程地質(zhì)問題是隨著掘進(jìn)深度持續(xù)加大，巷道圍巖受地應(yīng)力影響出現(xiàn)不同程度的破碎，導(dǎo)致巷道易失穩(wěn)破壞，為了滿足安全生產(chǎn)的要求，急需尋找一種合理的破碎圍巖巷道支護(hù)方法。2數(shù)值模型的構(gòu)建如圖1所示，礦區(qū)采用三心拱巷道，巷道斷面規(guī)格為3900mm×3600mm、半徑R=2.69m，巷道斷面面積為12.96m3巷道圍巖變形礦區(qū)先后采用過木支護(hù)、預(yù)制混凝土、鋼槽支護(hù)等單一支護(hù)方式，而這些支護(hù)方法屬于被動(dòng)支護(hù)，落后的支護(hù)體系導(dǎo)致巷道頂板出現(xiàn)了大幅度變形及嚴(yán)重的底鼓。本文將通過模擬幾種不同支護(hù)方式以便探尋出適合該礦山的支護(hù)體系。目前錨桿、錨噴、錨索支護(hù)等技術(shù)已在金屬礦山中被廣泛運(yùn)用。對數(shù)值模擬軟件而言，F(xiàn)LAC4模擬結(jié)果分析4.1頂?shù)装鍛?yīng)力集中分析如圖4(a）所示，在無支護(hù)條件下，出現(xiàn)巷道頂板下沉、兩幫大幅度內(nèi)擠以及嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象；在兩幫距離巷道3m處出現(xiàn)應(yīng)力集中，而巷道周邊圍巖由于受到拉應(yīng)力作用產(chǎn)生破壞失穩(wěn)。如圖4(b）所示，在采用錨桿支護(hù)后，兩幫淺部的拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，同時(shí)應(yīng)力集中區(qū)逐漸向巷道深部轉(zhuǎn)移。巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力集中范圍有明顯縮減。在圖4(c）中，相較于錨桿支護(hù)，錨噴支護(hù)下對底板應(yīng)力集中區(qū)的影響較小，而頂板的拉應(yīng)力范圍縮小，兩幫仍然有21MPa的應(yīng)力集中區(qū)。如圖4(d），采用錨噴+錨索支護(hù)后，頂?shù)装鍛?yīng)力集中范圍并沒有較大改變。底板由于未采用支護(hù)手段，底板淺部圍巖出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域易破壞失穩(wěn)。整體而言，不同支護(hù)方案下，在距離巷道幫部約為2m～5m處出現(xiàn)了“耳廓型”的壓應(yīng)力集中，大小為21MPa。如圖5(a）所示，巷道開挖之后，水平應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱“蝴蝶型”分布。同時(shí)在巷道水平方向兩側(cè)形成一個(gè)距離巷道2m、大小為3.5MPa的半圓形以及位于巷道頂板距離巷道5m、大小為4.5MPa的條狀應(yīng)力集中區(qū)域。如圖5(b）所示，采用錨桿支護(hù)后，巷道頂板及兩幫應(yīng)力集中范圍明顯縮減，而條狀區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，但大小仍為4.5MPa。如圖5(c）～圖5(d）所示，采用錨噴+錨索支護(hù)后，巷道周圍非對稱“蝴蝶型”應(yīng)力集中范圍明顯縮減。距離巷道頂板6m左右兩側(cè)處出現(xiàn)大小為3MPa的應(yīng)力集中，同時(shí)距離巷道底板3m左右兩側(cè)處出現(xiàn)2個(gè)三角形的應(yīng)力集中區(qū)，大小為2.5MPa。整體來看，通過錨噴+錨索支護(hù)后，巷道水平應(yīng)力非對稱“蝴蝶型”分布范圍呈現(xiàn)明顯減小，但距離頂板6m及距離底板3m處仍然有小范圍的應(yīng)力集中。4.2錨桿支護(hù)時(shí)頂?shù)装宓奈灰魄闆r如圖6所示，在無支護(hù)工況下，左右兩幫的位移量分別為265mm和254mm。采用錨桿支護(hù)后，左右兩幫位移減小到105mm和119mm，較無支護(hù)工況分別減小了60%和53%。在經(jīng)過錨噴+錨索的共同加固作用下，左右兩幫位移量較無支護(hù)下有明顯的減小，最終下降到21mm。如圖7所示，在無支護(hù)工況下，出現(xiàn)巷道頂?shù)装宕罅课灰片F(xiàn)象，其中頂板下沉量為217mm、底板底鼓量為157mm。豎直方向上受到較大掘巷擾動(dòng)影響的范圍為巷道高度的2倍左右。采用錨桿支護(hù)后，頂?shù)装宓奈灰泼黠@減小，分別為115mm和128mm，分別減小了47%和29%，表明錨桿對頂板位移的控制效果較為明顯。由表3可知，在掘進(jìn)過程中巷道周邊位移情況符合以下規(guī)律：兩幫>頂板>底板。錨桿支護(hù)能夠很好地控制頂板下沉和幫部位移，使得位移量較無支護(hù)情況下減小約50%。錨噴不僅能夠很好地控制圍巖變形，還能夠有效控制破碎巖石的垮落。使用錨噴支護(hù)后，巷道幫部和頂板位移分別減小了67%和58%，底板位移減小了25%。采用錨噴+錨索支護(hù)后，巷道幫部和頂板位移減小了80%，底板位移減小了50%。雖然錨噴+錨索支護(hù)能夠有效控制巷道變形，但是由于沒有對底板采取有效支護(hù)措施，導(dǎo)致巷道底鼓依然存在。若礦山巷道開采年限較長，應(yīng)該考慮對底板進(jìn)行加固，建議對巷道底板進(jìn)行混凝土硬化處理。4.3巷道圍巖塑性區(qū)分析在巷道掘進(jìn)過程中，巷道周邊高應(yīng)力區(qū)集中且受到掘進(jìn)擾動(dòng)，導(dǎo)致巷道圍巖破碎，巷道變形量大。如圖8所示，通過模擬結(jié)果可以看出，以受剪為主的破壞形式在巷道開挖后變得十分明顯。破壞位置主要集中在兩幫，其次是頂?shù)装濉２捎缅^桿支護(hù)后，塑性區(qū)的范圍有一定的減小，但由于支護(hù)體系單一，導(dǎo)致支護(hù)效果并不是特別明顯。而通過錨噴支護(hù)后，巷道周圍塑性區(qū)范圍有明顯的減小，呈現(xiàn)“X”型分布，底板出現(xiàn)了少量的拉伸破壞。采用錨噴+錨索支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)的“X”型進(jìn)一步減小，但底板仍有少量拉伸破壞。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)巷道幫角處剪切破壞嚴(yán)重。錨噴+錨索支護(hù)與錨噴支護(hù)相比，塑性區(qū)范圍變化較小。綜上所述，在巷道掘進(jìn)過程中，由于高應(yīng)力集中明顯且受掘采擾動(dòng)影響，巷道出現(xiàn)變形失穩(wěn)，巷道兩幫內(nèi)擠、頂板下沉及底鼓等問題相繼而出。雖然錨桿支護(hù)可以很好地控制巷道位移，但從垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布、巷道位移情況和塑性區(qū)破壞來看，其支護(hù)效果并不十分明顯。而通過對兩幫和頂板采取錨噴+錨索聯(lián)合支護(hù)后，巷道變形得到明顯改善，頂板、兩幫位移量減小，底板底鼓現(xiàn)象得到一定控制。兩幫內(nèi)擠、頂板下沉的有效控制保證了巷道的穩(wěn)定性。因此，巷道頂?shù)装寮皟蓭椭ёo(hù)是解決破碎圍巖支護(hù)難題的關(guān)鍵。而通過對錨桿、錨索施加高預(yù)緊力，在錨噴+錨索支護(hù)作用下，巷道圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)得到了明顯改善。通過最后模擬效果可知，采用錨噴+錨索支護(hù)后，巷道變形得到較好控制，因此建議該礦山采用錨噴+錨索支護(hù)方案。然而不管是何種類型的支護(hù)方案，巷道底鼓現(xiàn)象仍然嚴(yán)重，建議礦山對巷道底板采用混凝土硬化處理。5錨噴+錨索聯(lián)合支護(hù)巷道圍巖(1）破碎圍巖巷道表現(xiàn)為頂板大幅下沉、兩幫內(nèi)擠和嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象。無支護(hù)和支護(hù)條件下的巷道垂直應(yīng)力在位于巷道寬度2倍處的巷道兩側(cè)形成“耳廓型”壓應(yīng)力集中。巷道開挖之后，水平應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱“蝴蝶型”分布。同時(shí)在巷道水平方向兩側(cè)形成一個(gè)距離巷道2m、大小為3.5MPa的半圓形以及位于巷道頂板處距離巷道5m、大小為4.5MPa的條狀應(yīng)力集中區(qū)域。(2）采用錨噴+錨索聯(lián)合支護(hù)后，破碎圍巖巷道失穩(wěn)得到了較好的控制，巷道圍巖變形減小。錨桿、錨噴、錨噴+錨索支護(hù)使頂?shù)装?/p>