厉彦高
(浙江拓海建设有限公司，浙江 温州 325000)
沟门金矿巷道原先采用的支护方式存在支护参数选择不当的问题，造成巷道大面积暴露区域出现较为严重的三角冒落、局部片帮等问题，严重威胁安全生产。针对该类问题，沟门金矿分析研究确定了对应的最佳支护方案。
沟门金矿分布于79～87线间，呈不规则透镜状、囊状，矿体走向50°左右，倾向北西，倾角70°～85°，控制走向长度6 600 m，平均厚度16.94 m。矿体在空间上受F1断裂控制，上盘围岩为粉砂质板岩，夹杂绢云母绿泥石板岩，下盘为石英砂岩和粉砂质板岩，巷道布置在上盘围岩。[1]
沟门金矿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(见图1a)，适用于围岩稳固、节理裂隙不发育区域；
②锚杆加穿带支护(见图1b)，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(见图1c)，适用于岩石稳固性一般、较为破碎区域；
④U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
沟门金矿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，见图2。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。
图2 部分巷道发生破坏
3.1 喷浆支护作用原理探究
喷浆支护的作用包括封闭开挖围岩表面、防止围岩吸水风化变形、围岩表面与喷射混凝土的粘结加固、改善巷道围岩整体强度等。喷射混凝土的抗压强度和粘结强度是关系到支护强度的关键因素，依据国内混凝土评定指标和实测结果表明，水泥：砂：石配合比为1：2：2，速凝剂掺量3%左右，喷射混凝土的抗压强度值可达到23.2～26.7 MPa，粘结强度可达16 MPa。喷层厚度是影响抗压强度和粘结强度的关键指标，一般最佳喷层厚度h=(0.025～0.033)B，B巷道跨度，h取值介于10～25 cm之间[2-4]。另外，喷层厚度的选定需考虑喷层的最大收敛变形值，其中素喷层、钢筋网喷层、钢纤维喷层的最大允许变形量分别为20、50、80 mm，素喷层厚度宜适当减小，钢纤维喷层厚度可适当加大。
3.2 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0.3 MPa左右，而松散破碎围岩内锚杆的工作阻力仅有0.1～0.15 MPa，远小于巷道的临界阻力，极易发生锚杆失效导致顶板冒落。
3.3 U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见图3。在实际生产过程中U型钢的承载能力较难全部发挥，以29 kg/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%方可达到最大承载能力1 550 kN，而巷道掘进暴露初期变形量为17 cm时，钢支架的初撑力仅可达到271 kN，为实验所得承载能力的17.5%。
1-拱形支架受集中载荷；
2-拱形支架受均布载荷；
3-圆形支架受均布载荷；
4-拱形支架壁后充填均布载荷图3 U型钢拱架实验室整架试验的特性曲线
沟门金矿按照《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)[5]，对应的RQD值见表1。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
4.1 巷道围岩变形的数值模拟
1)数值模拟软件简介。FLAC3D软件将工程岩块划分成塑性离散的受力单元体，并建立八节点六面体的围岩岩块模型；
再根据岩块的实际受力情况设定受力参数、边界参数等技术数据，然后参考巷道岩块的实际受力状态进行加载应力；
通过监测分析岩体的弹塑性变形、材料屈服变形等围岩变形过程得出岩块的围岩变性特征[6-8]。
2)围岩岩块模型的建立。设计选取巷道位于1 780 m水平，巷道断面为2.5 m×2.5 m，围岩等级为Ⅲ级。围岩岩块模型的建立如下：设定岩块埋设深度300 m，巷道模型计算长度范围为80 m，巷道断面方向监测分为30 m×30 m，监测网格精度为10 mm×10 mm，共划分为14.28万个网格。
3)物理模型设定及初始计算。根据沟门金矿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见表2，X方向和Z方向最大位移云图见图4。开挖后巷道两帮应力<17.3 MPa、最大位移13.4 mm，顶板应力<22.1 MPa、最大位移15.2 mm。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。
表2 巷道开挖无支护状态计算数据表
图4 X方向和Z方向最大位移云图
4.2 锚杆参数的优化
结合矿山实际情况，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6 cm。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40 mm型，锚杆托盘统一选用12 cm×12 cm×6 mm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114 kN、破断力171 kN、延伸率为21.3%、弹性模量214 GPa)，采用方形布置方式。试验分组包括9组，网度分为1 m×1 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m三种方式，锚杆长度分为1.8、2.0、2.2 m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，监测结果见表3和图5。
表3 不同参数方案试验结果
续表
图5 锚杆参数优化方案对比
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图见图5。分析表明：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40 mm、长度1.8 m、网度为1 m×1 m或者1.5 m×1.5 m。
4.3 巷道支护标准化参数选择
通过沟门金矿1 780 m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见表4。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4 不同围岩级别巷道最优支护设计方案
对于围岩级别为V级的岩体，岩体较为破碎且强度低，采取喷锚网支护难于控制顶帮变形破坏，须采用钢支架进行支护。为了保证施工安全并形成整体的稳定性，需进行喷浆预支护，喷浆厚度不小于100 mm。
本模型选取巷道断面积2.5 m×2.5 m，采用U型钢支架进行支护，U型钢支架抗压强度215 MPa，选用间距为0.5、1.0、1.5、2、2.5m进行模拟分析对比，钢支架支护模拟变形统计见表5。数据分析表明：①U型钢支架的支护效果明显，有效控制了围岩的变形量，并且随着U型钢支架的间距的缩小，其支护效果作用更加显著；
②U型钢支架对顶板位移的控制效果明显优于两帮；
③U型钢支架间距为1.5 m时，X方向位移和Z方向位移均小于10 mm，起到了较为理想的支护效果。由此得出沟门金矿Ⅴ级围岩(巷道断面2.5 m×2.5 m)的最佳支护方案：喷射C30混凝土100 mm封闭裸露岩体+间距为1.5 m的U型钢支架支护方式。
表5 钢支架支护模拟变形统计表
1)明确了沟门金矿不同围岩性质(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2.5 m×2.5 m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100 mm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1.5 m。
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