某鉛鋅礦巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)方案優(yōu)化研究

某鉛鋅礦巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)方案優(yōu)化研究

0大巷圍巖穩(wěn)定性分析由于地質(zhì)條件的限制，道路開(kāi)挖過(guò)程中可能難以避免軟巖問(wèn)題。隨著采深的增加，在高肥力的作用下，設(shè)計(jì)軟巖已成為制約礦山安全高效生產(chǎn)的重要因素。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)軟巖工程的穩(wěn)定機(jī)制和技術(shù)的科學(xué)研究進(jìn)行了大量的應(yīng)用，但由于賦存條件和影響因素的復(fù)雜性和不確定性，破壞機(jī)制不同。這條路的返回率很高，返回時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，在這項(xiàng)工作中，我們研究了安全控制措施，以確保礦山的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全使用。1巷道圍巖結(jié)構(gòu)面現(xiàn)狀某鉛鋅礦礦體賦存條件復(fù)雜,褶曲發(fā)育,斷裂構(gòu)造分布多.鉛鋅礦體近南北向產(chǎn)出,礦帶長(zhǎng)約10km,礦區(qū)內(nèi)圈定大小礦體45個(gè),礦體平均厚度0.8m,屬于極薄礦體.795坑600中段北巷為開(kāi)拓階段運(yùn)輸巷道,埋深350m,巷道圍巖條件復(fù)雜,圍巖應(yīng)力分布高,地質(zhì)構(gòu)造多.巷道所處巖層主要為層紋灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r等軟弱巖層組成,圍巖表現(xiàn)為松散、節(jié)理裂隙發(fā)育,整體性很差,承載能力較低.采用詳細(xì)測(cè)線法對(duì)600中段北巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查,結(jié)果表明,層紋灰?guī)r節(jié)理裂隙密度為15條/m,結(jié)晶灰?guī)r為11條/m,可見(jiàn)兩種巖性節(jié)理裂隙均比較發(fā)育和密集.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣,并將巖樣做成標(biāo)準(zhǔn)試件,開(kāi)展室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可知,600中段北巷圍巖較為軟弱、強(qiáng)度低,承載能力較低,巷道開(kāi)挖后難以自穩(wěn),變形破壞較為嚴(yán)重.2測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)道路圍巖的松動(dòng)圈2.1試儀器及設(shè)備巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試采用聲波測(cè)試法,利用水作耦合介質(zhì).聲波測(cè)試儀器為RSM-SY5智能型分機(jī)體聲波儀,由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制,配一發(fā)雙收換能器20.5kHz徑向換能器,水管、水泵、筆記本電腦、電線及特殊材料制成的連接桿.2.2巖脈內(nèi)灰?guī)r地層細(xì)度測(cè)試為研究600中段北巷松動(dòng)圈范圍,在該巷道選取兩個(gè)受爆破影響較小的巷道斷面,分別定為1#,2#斷面,其中1#斷面圍巖為層紋灰?guī)r,2#斷面圍巖為結(jié)晶灰?guī)r,每個(gè)斷面分別布置5個(gè)測(cè)孔,孔深2.5m.測(cè)孔布置見(jiàn)圖1所示.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,準(zhǔn)備工作完畢,將單孔換能器伸入孔底,記下孔深,將氣沖入氣囊,固定好探頭,輸入儀器相關(guān)參數(shù),激發(fā)發(fā)射探頭,同時(shí)用水泵泵水進(jìn)入測(cè)孔中,當(dāng)孔中的水淹沒(méi)兩個(gè)接收探頭時(shí),即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后依次測(cè)下一點(diǎn),每隔0.2m測(cè)讀一次,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖如圖2.2.3層紋火山巖巷道圍巖滑動(dòng)圈范圍各斷面測(cè)點(diǎn)波速隨孔深VP-L曲線見(jiàn)圖3,巖體聲波波速隨孔深的變化基本呈現(xiàn)同一種趨勢(shì),孔口位置波速較低,隨著測(cè)試孔深度的增加,波速呈現(xiàn)上升趨勢(shì),達(dá)到一定峰值后下降,在一定深度,波速趨于基本穩(wěn)定.這表明圍巖靠近孔口受到開(kāi)挖的影響較大,而遠(yuǎn)離孔口的巖體受其影響較小;達(dá)到一定深度后,巖體幾乎不受影響,聲波變化漸趨穩(wěn)定.1#斷面A中波速在1.2m后漸趨穩(wěn)定,因此A點(diǎn)處的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.2m;對(duì)其它測(cè)點(diǎn)的所得數(shù)據(jù)作類(lèi)似處理分析,可得到B點(diǎn)處的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.4m;C點(diǎn)處的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.2m;D點(diǎn)處的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.2m;E點(diǎn)處的圍巖松動(dòng)圈厚度為1.3m.所以綜合分析,1#斷面層紋灰?guī)r巷道的圍巖松動(dòng)圈范圍為1.4m左右.依相同方法,可預(yù)測(cè)出2#斷面結(jié)晶灰?guī)r巷道圍巖松動(dòng)圈為1.3m左右.按照巷道支護(hù)松動(dòng)圈分類(lèi),當(dāng)LP=100~150cm時(shí),巷道圍巖分類(lèi)為中松動(dòng)圈Ⅲ類(lèi),因此600中段南部階段運(yùn)輸巷道圍巖分類(lèi)為中松動(dòng)圈Ⅲ類(lèi),支護(hù)方式采用錨網(wǎng)噴支護(hù).2)支護(hù)方案在中松動(dòng)圈圍巖中,錨桿在錨噴支護(hù)中仍是主體,承受了圍巖的碎脹力.為了將松動(dòng)圈以?xún)?nèi)的破裂巖體懸吊起來(lái),在支護(hù)過(guò)程中必須將錨桿的錨頭固定在松動(dòng)圈外圍的穩(wěn)定巖體上,以達(dá)到穩(wěn)定圍巖的目的,錨網(wǎng)支護(hù)能夠保證圍巖形成錨固結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)與圍巖的共同承載,噴射混凝土層使圍巖形成一個(gè)整體,即防止圍巖風(fēng)化,阻止非錨固區(qū)的圍巖變形和危石的墜落.錨網(wǎng)噴實(shí)現(xiàn)與圍巖的共同承載,形成強(qiáng)大的主動(dòng)支護(hù)體系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制,保證巷道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.按懸吊理論設(shè)計(jì),錨桿長(zhǎng)度為:L=LP+0.3+0.1=1.8m,因此選取巷道支護(hù)錨桿長(zhǎng)度為1.8m,錨桿間排距計(jì)算式為,式中:LP—松動(dòng)圈厚度,m;D—錨桿間排距,m;Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力,kN;γ—圍巖的重力密度,kN/m3,經(jīng)計(jì)算錨桿間排距.三心拱巷道設(shè)計(jì)凈斷面為2400mm×2600mm.錨桿采用礦區(qū)常用的管縫式錨桿,規(guī)格Ф43mm×L1800mm.金屬網(wǎng)由Ф6mm鋼筋制成,網(wǎng)格100mm×100mm,網(wǎng)片1000mm×2000mm,網(wǎng)片之間采用勾接方式連接,勾接長(zhǎng)度為100mm.噴射混凝土等級(jí)C20,初噴混凝土與復(fù)噴混凝土噴層厚度各50mm,混凝土體積比為水泥∶砂∶石子=1∶2∶2,水灰比0.48,水泥標(biāo)號(hào)為PO42.5普通硅酸鹽水泥,錨網(wǎng)噴結(jié)束后,用混凝土回填形成巷道底板上的平整的混凝土回填層,回填層厚度為100mm.3數(shù)值模擬分析3.1數(shù)值模型及模擬方案為驗(yàn)證錨網(wǎng)噴支護(hù)形式的合理性和有效性,根據(jù)600中段北巷實(shí)際情況,采用三維有線差分法程序FLAC3D,建立了計(jì)算模型.計(jì)算范圍長(zhǎng)(x方向)×寬(y方向)×高(z方向)=50m×60m×50m,模型共劃分92400個(gè)單元體,95770個(gè)節(jié)點(diǎn).模型側(cè)面限制水平移動(dòng),底部固定移動(dòng),模型上表面為應(yīng)力邊界,施加的荷載為9.60MPa,模擬350m埋深上覆巖體的自重邊界.材料符合MohrCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則.巖體力學(xué)參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)巖塊的力學(xué)參數(shù)和巷道節(jié)理裂隙發(fā)育情況,根據(jù)相關(guān)公式換算見(jiàn)表2.計(jì)算模擬方案:(1)無(wú)支護(hù);(2)錨網(wǎng)噴支護(hù)(錨桿間排距1000mm×1000mm);(3)錨網(wǎng)噴支護(hù)(錨桿間排距900mm×900mm);(4)錨網(wǎng)噴支護(hù)(錨桿間排距800mm×800mm);(5)錨網(wǎng)噴支護(hù)(錨桿間排距700mm×700mm).3.2巷道圍巖位移分布在5種不同的支護(hù)方案下,巷道的表面位移和塑性區(qū)范圍計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4.由計(jì)算結(jié)果可知,各支護(hù)方案下,巷道附近的位移矢量隨距巷道周邊距離的增大而減小,位移矢量的方向在巷道周?chē)赶蛳锏纼?nèi)部.水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装逄幇l(fā)生應(yīng)力集中,而垂直應(yīng)力則在巷道兩幫產(chǎn)生應(yīng)力集中,隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加,應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大,應(yīng)力集中的位置逐漸向巷道方向移近.巷道在5種不同的支護(hù)方案下,隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加,對(duì)應(yīng)的表面位移量和塑性區(qū)范圍逐漸減小.巷道在方案1開(kāi)挖不支護(hù)的情況下,頂?shù)装寮皟蓭臀灰戚^大,塑性區(qū)較深,巷道發(fā)生變形破壞,不能自穩(wěn),與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符,當(dāng)巷道采用方案2和方案3支護(hù)后,巷道表面位移及塑性區(qū)范圍有所減少,但巷道整體位移及塑性區(qū)仍然較大,不能滿(mǎn)足支護(hù)要求.采用方案4和方案5,巷道表面位移與塑性區(qū)明顯減小,而方案5比方案4增加支護(hù)強(qiáng)度和成本,但巷道的變形和周邊塑性區(qū)范圍無(wú)較大變化.綜合比較5種支護(hù)方案,以方案4最佳.圖7為支護(hù)方案4巷道圍巖位移分布圖,圖8為支護(hù)方案5巷道圍巖塑性區(qū)分布圖.4巷道圍巖變形規(guī)律2013年3~5月采用所提出的錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)方案,在795坑600中段南部階段運(yùn)輸大巷開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn),掘進(jìn)與支護(hù)試驗(yàn)段巷道30m,并對(duì)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行了3個(gè)月的表面位移監(jiān)測(cè),圖9為巷道圍巖表明位移-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線.由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知:巷道頂?shù)装搴蛢蓭褪諗孔冃瘟烤^小,頂?shù)装迨諗孔冃瘟繛?3.2mm,巷道兩幫收斂量為68.0mm,平均變形速率分別為0.78mm/d,0.57mm/d,并且變形速率逐漸下降,表明巷道圍巖變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定;巷道沒(méi)有發(fā)生明顯的頂沉、底鼓、混凝土噴層開(kāi)裂等現(xiàn)象.所提出的錨網(wǎng)噴支護(hù)方案有效地控制了巷道圍巖變形,確保巷道穩(wěn)定與安全使用.5巷道圍巖滑動(dòng)圈范圍及變形速率控制1)現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,600中段北巷層紋灰?guī)r,結(jié)晶灰?guī)r節(jié)理裂隙比較發(fā)育,圍巖較為松軟、強(qiáng)度低,承載能力較低,巷道開(kāi)挖后,變形破壞嚴(yán)重.2)600中段北巷松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果表明,層紋灰?guī)r巷道圍巖松動(dòng)圈范圍為1.4m,而結(jié)晶灰?guī)r巷道松動(dòng)圈為1.2m,根據(jù)松動(dòng)圈范圍測(cè)試結(jié)果,提出了錨網(wǎng)噴支護(hù)方案,確定錨桿長(zhǎng)度為1.8m.3)數(shù)值模擬結(jié)果表明,巷道在5種不同的支護(hù)方案下,巷道的表面位移量和塑性區(qū)范圍隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加而逐漸減小,綜合比較5種支護(hù)方案,以方案4-