某金矿巷道支护方案的优化

王文彬

摘要：中宝矿业以矿岩工程质量指标RQD值作为巷道分类依据，应用FLAC3D数值模拟软件开展不同类别巷道的数值模拟，并对支护效果进行分析。巷道数值模拟结果表明：（1）围岩级别Ⅱ~Ⅳ级巷道采取喷锚网支护方式，根据不同巷道断面、围岩级别明确了喷射混凝土厚度、锚杆网度等支护参数；（2）对于Ⅴ级围岩，最佳支护方案为喷射混凝土+钢支架，其中C30喷射混凝土厚度100mm作用是封闭裸露岩体，钢支架间距宜为1.5m。

关键字：巷道掘进；支护；喷锚网；钢支架；混凝土；FLAC3D

1  矿体概况

某金矿年设计生产能力14.85万t，日处理量约450t/d，目前采用“平硐+竖井+斜井”联合开拓，浅孔留矿法回采。已探明主要矿体有1-1号矿体、1-2号矿体和6号矿体，矿区经过多年的开采，1-2号矿体、6号矿体已经形成八个中段，其中1872m、1830m、1790m中段基本回采结束，1670m、1630m、1590m中段目前正在开采阶段；1-1号矿体有1780m、1750m两个中段，均处于开采阶段。

2  矿区现有支护方式简介

中宝矿业围岩主要为石英砂岩，夹粉砂质板岩，稳定性一般。目前现有支护方式主要有：（1）喷浆支护（如图1a所示），适用于围岩稳固、节理裂隙不发育区域；（2）锚杆加穿带支护（如图1b所示），主要用于岩体稳固性强、局部蚀变破碎区域，采取锚杆钢带加强支护；（3）锚网支护（如图1c所示），适用于岩石稳固性一般、较为破碎区域；（4）U型钢拱架支护，主要应用于以上三种方式无法起到有效支护效果的极破碎围岩巷道的加固。

(a)喷浆支护            (b)锚杆加穿带支护             (c)锚网支护

图1 支护方式

中宝矿业现有支护方式存在支护参数选择不当的问题，表现为节理裂隙交叉区域出现三角冒落、竖向节理面发育区域出现破坏片落，如图2所示。尤其是在巷道拐角位置和交叉口位置，该类区域顶板暴露面积较大、围岩应力集中，巷道发生变形破坏现象更为明显，变形后的岩体破碎、易风化，常常导致巷道底角受压破碎严重、顶帮大面积冒落等安全隐患。

3  支护方式研究分析

3.1 锚杆支护分析

锚杆支护主要适用于层状顶板围岩，锚杆支护利用锚杆的预应力把若干个分层结合成一个分层，有效避免围岩的离层片落问题。松散围岩受采动影响，巷道的临界阻力一般为0.3MPa左右，而松散破碎围岩内锚杆的工作阻力仅有0.1～0.15MPa，远小于巷道的临界阻力，极易发生锚杆失效导致顶板冒落。

3.2U型钢拱架支护分析

U型钢拱架通常都用于围岩破碎、采动影响强烈的巷道，U型钢拱架实验室整架试验的特性曲线表明，在实际生产过程中U型钢的承载能力较难全部发挥，以29kg/m圆形可缩性支架为例，在均布载荷条件下断面收缩率为19.8%方可以达到最大承载能力1550KN，而巷道掘进暴露初期变形量为17cm时，钢支架的初撑力仅可达到271KN，为实验所得承载能力的17.5%。

4  巷道支护标准化设计

中宝矿业按照《工程岩体分级标准》规定的矿岩工程质量指标[RQD值]，在综合考虑围岩性质、巷道断面、服务年限等影响因素的基础上，把巷道的围岩级别分为5个级别（Ⅰ～Ⅴ级围岩），对应的RQD值如表1所示。巷道支护标准化设计按照围岩级别，利用FLAC3D软件进行相应的建模分析。

表1 围岩分级指标对应表

围岩级别	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
RQD值	>40	40~10	10~4	4~1	<1

4.1 巷道围岩变形的数值模拟

根据中宝矿业该水平巷道的地应力分布状态赋予模型原始地应力参数，记录巷道开挖后的应力和位移数据以及X方向、Z方向最大位移云图表明：挖后巷道两帮应力<17.3MPa、最大位移13.4mm，顶板应力<22.1MPa、最大位移15.2mm。表明顶板受力较大、产生的塑性变形较大，巷道两帮和顶板的受力不平衡。

4.2 锚杆参数的优化

结合矿山实际情况，本巷道采用管缝式锚杆进行支护，故按照管缝式锚杆分析对比。在实施锚杆支护之前预先进行喷射混凝土封闭岩体，喷层厚度6cm。托盘尺寸、锚杆直径对支护效果的影响与锚杆网度、锚杆长度相比可以忽略不计，但是托盘尺寸、锚杆直径两个参数对钢材用量影响较大，鉴于以上原因锚杆直径统一采用直径40mm型，锚杆托盘统一选用12cm×12cm×6mm型。

（1）锚杆参数试验设计

锚杆支护参数：采用管缝式锚杆（参数如下：屈服力114KN、破断力171KN、延伸率为21.3%、弹性模量214GPa），采用方形布置方式。试验分组包括9组，网度分为1m×1m、1.5m×1.5m、2.0m×2.0m三种方式，锚杆长度分为1.8m、2.0m、2.2m三种方式，FLAC3D软件根据9种不同参数进行模拟，并监测模拟巷道的顶帮位移变形情况，监测结果如表2所示。

表2 不同参数方案试验结果

组号	锚杆参数		变形分析结果		用钢量 kg/m
	网度 （m）	长度 （m）	两帮 （mm）	顶板 （mm）
1	1×1	1.8	0.96	5.58	89.7
2	1×1	2	1.04	5.60	102.8
3	1×1	2.2	1.06	5.62	125.8
4	1.5×1.5	1.8	1.11	5.50	59.8
5	1.5×1.5	2	1.15	5.80	76.5
6	1.5×1.5	2.2	1.23	5.88	118.2
7	2.0×2.0	1.8	1.38	5.54	20.3
8	2.0×2.0	2	1.50	6.06	45.2
9	2.0×2.0	2.2	1.64	6.20	62.4

（2）锚杆参数分析优化

依据监测结果绘制锚杆参数优化方案对比。表明：方案1对应的两帮位移变形最小，方案4对应的顶板位移沉降最小，方案7用钢量最少、最为经济，但是方案7的顶帮变形较大，对顶帮变形的支护效果不足。设计应用过程中，宜选择方案1或者方案4，锚杆直径40mm、长度1.8m、网度为1m×1m或者1.5m×1.5m。

4.3 巷道支护标准化参数选择

通过中宝矿业1780m水平不同围岩性质（围岩级别Ⅱ~Ⅳ级）和不同巷道断面进行的模拟分析对比，得出的最优支护设计方案如表3所示。在实际生产工作中，结合矿山的实际条件以及经济合理优化原则，对不同围岩巷道进行支护优化。

表3 不同围岩级别巷道最优支护设计方案

巷道（m×m）	围岩级别
		喷射混凝土厚度 (mm)	锚杆网度 （m）	锚杆长度 （m）	备注
2.0×2.0	Ⅱ	--	--	--
	Ⅲ	--	--	--
	Ⅳ	50	2.0×2.0	1.8	部分破碎严重加穿带
2.2×2.2	Ⅱ	--	--	--
	Ⅲ	--	2.0×2.0	1.8	部分破碎严重加穿带
	Ⅳ	50	1.5×2.0	1.8	部分破碎严重加穿带
2.5×2.5	Ⅱ	--	2.0×2.0	1.8	部分破碎严重加穿带
	Ⅲ	70	2.0×2.0	1.8	部分破碎严重加穿带
	Ⅳ	70	1.5×1.5	1.8	部分破碎严重加钢网

5  结语

通过对中宝矿业巷道数值模拟分析得出：

（1）明确了中宝矿业不同围岩性质（支护级别Ⅱ~Ⅳ级），须根据不同巷道断面、围岩级别确定喷浆厚度、锚杆网度等支护参数，并分析给出最优支护方案。

（2）针对Ⅴ级围岩（以2.5m×2.5m巷道为例）支护方案宜采用喷射混凝土+钢支架联合支护方式，揭露顶帮预喷C30混凝土100mm实现对裸露岩体的封闭，再选用U型钢支架进行支护，钢支架设计间距1.5m。

参考文献：

[1]郭平;沈大富.深部巷道支护方案优化设计及数值模拟研究[J].矿业安全与环保.2021,48(04):87-91.

[2]杨秀章;李秀明;李元振.基于精细化数值模拟的软岩巷道支护方案优化[J].矿业研究与开发.2020,40(11):96-100.

[3] 王羽扬;刘勇;王沉.基于层次分析法的软岩巷道支护方案优化及应用研究[J].采矿与岩层控制工程学报.2020,2(02):40-48.