复杂矽卡岩巷道锚杆支护参数优化研究

王立杰 耿 帅 尹爱民 张素娜 何 伟

(河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司,河北 邢台 054100)

我国矿山巷道最常用和经济的支护方式为锚网喷支护,其主要以锚杆为主体控制巷道围岩变形与破坏,锚杆在锚网喷支护体系中起着至关重要的作用。其锚杆长度与间排距的选取及预应力的加载是体现支护效果的关键因素,合理的匹配参数方能完全发挥支护作用,既降低成本又提高支护效果。近年来,锚网喷支护在国内煤巷及金属矿山巷道得到较快发展,但锚杆支护参数的设计及优化一直是实际工程中的难题,针对支护优化,学者们做了大量研究工作。董方庭等[1-4]采用巷道围岩松动圈理论对锚杆支护参数进行优化;伍永平等[5]采用有限元ANSYS二维数值模拟研究锚杆支护参数;康红普等[6-13]采用有限差分FLAC3D三维数值模拟确定锚杆支护参数。本文针对某铁矿复杂破碎矽卡岩巷道,现有锚网喷支护参数不合理,支护效果不理想,在松动圈支护理论的基础上,采用FLAC3D三维数值模拟进行锚网喷支护参数优化研究。

1 工程概况

某铁矿井下-260 m水平围岩以矽卡岩为主,巷道埋深483 m,现有支护方式主要为锚网喷支护,常用锚杆为φ20 mm的螺纹钢,长1.8 m,网度 1 m×1 m,采用网度为0.1 m×0.1 m和φ6 mm圆钢为编网,喷浆厚度100 mm。但支护效果不理想,经常出现支护体开裂、顶板冒落、片落等现象,部分巷道需要多次返修支护。对矿山正常生产产生严重影响,同时又增加支护成本,亟需对支护参数进行优化研究。

2 巷道围岩松动圈测试及分类

2.1 巷道围岩松动圈测试

为进一步优化锚网喷支护参数,矿山前期进行了-260 m水平岩石力学试验和工程地质调查,并采用探地雷达进行巷道松动圈测试。根据矿岩力学特征、巷道支护及表面平整情况,在-260 m中段巷道共选取10个具有代表性的测点,-260 m中段巷道宽4.1 m高3.85 m。为提高测试结果的准确性,分析过程主要采用沿巷道走向进行松动圈厚度测量。

根据矿山井下巷道围岩主要为矽卡岩,围岩较为破碎、遇水膨胀等特性,采用比拟法对已知物体进行不同波速下雷达探测,结合常规介质中电磁波的传播速度,设置井下巷道松动圈雷达探测电磁波速度为17 cm/ns。图1为部分测点沿巷道走向松动圈地质雷达测试波形图,波形清晰的区域为巷道围岩松动圈厚度范围。

图1 部分测点松动圈测试结果Fig.1 Loose circle test results of some measuring points

本次沿巷道走向测试巷道围岩松动圈,测试总长度约101.70 m,对测试结果进行分类统计,并绘制-260 m巷道围岩松动圈厚度分布情况图,详见图2。由图2可以看出,松动圈厚度在1.00～2.50 m之间变化,其中松动圈厚度在 0～1.25 m范围的占7.32%;1.25～1.50 m范围的占31.38%;1.50～2.00 m范围的占54.14%;2.00～2.50 m范围的占7.16%。反映了巷道围岩力学性质空间变异很大,其中松动圈厚度在1.25～2.00 m范围占比最大约85.52%。为提高巷道支护效果,需要根据松动圈的厚度和岩体结构特征,对巷道围岩进行工程分类,在巷道围岩分类的基础上,分类设计对应的支护方案。

图2 松动圈厚度分布情况Fig.2 Loose ring thickness distribution

2.2 巷道围岩分类

在前期岩石力学试验、工程地质调查的基础上,结合-260 m巷道围岩松动圈测试结果,根据围岩裂隙发育情况、块体咬合力强弱和结构体大小,结合点荷载实验强度结果及松动圈测试结果,将矽卡岩围岩分为3类,如表1所示。可看出,矽卡岩等蚀变围岩互相嵌入复合,松动圈特征复杂且厚度宽泛,在0～2.50 m范围变化。为提高支护的针对性和有效性,进行分类支护方案优化。

表1 矽卡岩巷道围岩分类Table 1 Skarn roadway surrounding rock classification

3 岩体力学参数确定

岩体力学参数的确定一直是十分棘手的问题,室内力学试验结果往往不具有代表性。故本次在前期点荷载试验结果的基础上,采用FLAC3D软件进行岩体力学参数反演,强度参数的反演依据现场测试围岩松动圈范围,变形参数的反演依据现场地压监测的位移。采用黄金分割迭代法按式(1)进行多次计算,根据已有巷道围岩资料,结合现场地压监测结果,优先确定岩体强度参数,再反演岩体变形参数,最后得到符合-260 m巷道地质条件的岩体力学参数如表2。经验证,与实际围岩较相符。

表2 岩体力学参数反演结果Table 2 Inversion results of rock mechanical parameters

式中,R为目标函数;X0为实测值;Xi为模拟计算值。

4 巷道支护锚杆参数优化

4.1 建立三维数值模型

以-260 m水平巷道为例,采用Rhino和Griddle软件建模,巷道形状为三心拱形,尺寸为4.1 m×3.85 m,模型长70 m、宽 45 m、高 45 m,共划分7 765 666个单元,140 196个节点。

4.2 锚杆长度优化

结合表1中巷道围岩松动圈测试结果,依据松动圈理论,分别确定每类围岩支护锚杆最佳长度[1-4]:

式中,L为锚杆总长度;L1为锚固段长度,依据实践经验取0.3～0.5 m;L2为巷道围岩松动圈厚度值,取最大值;L3为锚杆外露长度,依据实践经验取0.05～0.1 m。最终确定前述Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类巷道支护锚杆的最佳长度分别为2.4、2.8和3.2 m。

4.3 锚杆预应力设定

锚杆施加预应力的作用是使软岩间形成整体应力区。根据工程实践,锚杆型号 HRB400,直径20 mm,其预应力范围为38～63 kN。通过对锚杆预应力场模拟研究表明,当锚杆预紧力为45～55 kN时,支护产生的应力场最大,结合工程实践可判断,锚杆预应力设定50 kN较为合理。

4.4 锚杆间排距优化模拟方法

为确定合理的锚杆间距及排距,在巷道顶部、底板、右帮、左帮等处各设置巷道围岩变形监测点,利用所测得的围岩变形量和前述岩石力学参数,按已确定的锚杆最佳长度和最佳预应力值,以锚杆间、排距互为定量和变量,通过FLAC3D模拟计算不同岩体性质及工况的围岩塑性区面积,根据塑性区面积和巷道变形量确定合理的锚杆间距及排距。

4.4.1 锚杆间距优化

结合实践经验,按前述3类巷道围岩类别分别计算分析 700、800、900、1 000 mm计4个间距的巷道塑性区面积及变形量。其中,锚杆排距依据经验设为较常用的800 mm,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类矽卡岩的锚杆长度分别为2.4、2.8 和3.2 m。以Ⅱ类矽卡岩巷道为例,表3为Ⅱ类矽卡岩巷道不同锚杆间距数值模拟结果,图3为巷道围岩变形云图。

表3 不同锚杆间距数值模拟结果Table 3 Numerical simulation results of different bolt spacing

由表3及图3可判断,巷道围岩塑性区面积和变形量随锚杆间距的增加而增加[9],具体表现:

图3 不同锚杆间距数值模拟云图Fig.3 Numerical simulation cloud diagram of different bolt spacing

(1)锚杆间距为700 mm时,顶板下沉量26.25 mm、底鼓量22.47 mm、左帮移近量35.66 mm、右帮移近量35.18 mm、塑性区面积19.43 m2。

(2)当锚杆间距增加到800 mm时,顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右帮移近量、塑性区面积较锚杆间距700 mm时增加幅度分别为0.83%、0.53%、3.22%、2.72%、1.95%。

(3)当间距增加到900 mm时,顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右帮移近量、塑性区面积较间距700 mm时增加幅度分别为 3.16%、0.97%、8.58%、7.87%和10.39%。

(4)当间距增加到1 000 mm时,顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右帮移近量、塑性区面积较间距700 mm时增加幅度分别为3.20%、1.24%、10.15%、9.74%和12.55%。

综上分析,锚杆间距从800 mm增加至900 mm时对巷道变形影响较大;从700 mm增加至800 mm和从900 mm增加至1 000 mm时影响较小。综合考虑确定Ⅱ类矽卡岩巷道支护锚杆间距为800 mm。同理,确定Ⅰ类矽卡岩巷道支护锚杆间距为900 mm,Ⅲ类矽卡岩巷道支护锚杆间距为700 mm。

4.4.2 锚杆排距优化

按已确定的锚杆长度和间距,其中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类矽卡岩的锚杆长度分别为2.4、2.8和3.2 m,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类矽卡岩的锚杆原排距分别为1 000、800、800 mm,结合实践,按3类围岩分别计算分析1 000、900、800、700 mm计4个不同间距的巷道围岩塑性区面积及变形情况。以Ⅱ类矽卡岩为例,对锚杆排距进行数值模拟分析,表4为不同锚杆排距数值模拟结果,图4为巷道围岩变形云图。从表4及图4可看出,巷道变形随锚杆排距的增加而增加,具体表现为:排距从800 mm增加至900 mm时对巷道变形影响较大;排距从700 mm增加至800 mm和从900 mm增加至1 000 mm时影响较小。综合考虑确定Ⅱ类矽卡岩巷道支护时锚杆排距为800 mm。同理,确定Ⅰ类矽卡岩巷道支护锚杆排距为900 mm,Ⅲ类矽卡岩巷道支护锚杆排距为700 mm。

表4 不同锚杆排距数值模拟结果Table 4 Numerical simulation results of different bolt row spacing

图4 不同锚杆排距数值模拟云图Fig.4 Numerical simulation cloud diagram of different bolt row spacing

4.5 锚网喷支护参数确定

根据前述分析并结合工程实践,最终确定3类矽卡岩巷道锚网喷支护优化方案。Ⅰ类矽卡岩巷道优化支护方案为:锚网喷支护,锚杆直径20 mm,长度2.4 m,间排距0.9 m×0.9 m,挂网直径6 mm,网度0.1 m×0.1 m,喷浆厚度100 mm;Ⅱ类矽卡岩巷道优化支护方案为:锚网喷支护,锚杆直径20 mm,长度2.8 m,间排距0.8 m×0.8 m,挂网直径6 mm,网度0.1 m×0.1 m,喷浆厚度均150 mm;Ⅲ类矽卡岩巷道优化支护方案为:锚网喷支护,锚杆直径20 mm,长度3.2 m,间排距0.7 m×0.7 m,挂网直径6 mm,网度0.1m×0.1m,喷浆厚度150mm。按优化方案对巷道进行二次支护并进行表面位移监测,巷道顶板变形量最大为39 mm,且于 40 d后变形趋于稳定,实践表明,优化后支护效果较稳定。

5 结 论

(1)采用探地雷达沿巷道走向进行矽卡岩巷道松动圈测试,对松动圈厚度分布结果进行统计分类,其中松动圈厚度在0～1.25 m范围的占7.32%;1.25～1.50 m范围的占31.38%;1.50～2.00 m范围的占54.14%;2.00～2.50 m范围的占7.16%。根据松动圈测试结果及围岩结构特征将矽卡岩围岩分为3类,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类矽卡岩巷道围岩松动圈范围分别为0～1.25、1.25～2.00、2.00～2.50 m,分3类进行锚杆支护参数优化。

(2)根据松动圈支护理论对锚杆长度进行优化,确定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类矽卡岩支护的最佳锚杆长度分别为2.4、2.8 和 3.2 m。

(3)工程实践及锚杆预应力场模拟研究表明,HRB400型直径20 mm锚杆,锚杆预紧力设定50 kN较为合理。

(4)利用FLAC3D进行巷道支护数值模拟分析,分别获得3类矽卡岩巷道锚网喷的合理支护参数,其中Ⅰ类矽卡岩巷道:HRB400型直径20 mm锚杆,锚杆长2.4 m、间排距0.9 m×0.9 m;Ⅱ类矽卡岩巷道:HRB400型直径20 mm锚杆,锚杆长2.8 m,间排距0.8 m×0.8 m;Ⅲ类矽卡岩巷道:HRB400型直径20 mm锚杆,锚杆长3.2 m,间排距0.7 m×0.7 m。经实践验证,支护效果较稳定可靠。