夜长坪钼矿软岩巷道支护数值模拟研究

孙祥鑫 明士祥 秦 帅 严荣富

(北京科技大学土木与环境工程学院)

中原矿业有限公司夜长坪钼矿是一个具有巨大开发潜力的大型钼金属原料基地，2004年2月重新规划生产，目前正在进行扩产设计和技术改造，一期生产规模将达2万t/d，这将成为国内最大的地下钼矿山，为了实现这一目标，该矿正在井下开展自然崩落采矿法试验。

自然崩落采矿法是一种高强度、大规模、安全、低成本的采矿方法，但也是一种对矿体赋存条件和矿岩性质有较高要求的采矿方法，适用条件是矿体厚大或倾角陡的中厚矿体，同时矿岩具有良好的可崩性。根据前期研究，夜长坪钼矿矿体厚大且可崩性能好，适合使用自然崩落法开采，但根据矿体赋存条件和放矿要求，底部结构工程都需布置在不稳定的矿岩中，其中绝大多数位于氧化矿石中，而氧化矿石又是矿区最不稳定的矿岩之一，所以回采巷道稳定性极差，一旦巷道破坏，将会造成巨大矿量损失。而且自然崩落法受矿巷道存在时间长，受二次爆破影响频繁，工程纵横交错密集程度高，所处环境十分复杂，因此维护难度极大。据此，自然崩落法能否在夜长坪钼矿成功应用的关键，取决于底部结构的稳定程度和支护效果，解决好巷道支护问题对夜长坪钼矿的发展具有极其重要的意义。本研究采用FLAC3D软件，对巷道支护形式及支护参数进行了模拟和计算，对不同的方案进行了甄选，为现场支护方案和参数确定提供重要的依据。［1］。

1 巷道工程围岩环境

1.1 矿岩物理力学特性

夜长坪钼矿根据自然崩落采矿方法的设计需要，前期做过系统的岩石力学研究，并主要围绕矿岩的稳固特性和崩落特性开展过矿岩力学性质测定工作，所得主要数据如表1所示。

表1 夜长坪钼矿岩石物理力学参数室内测试结果

1.2 应力环境

夜长坪钼矿处于沟深山高的构造发育区，构造应力场突出。根据矿区地应力测试结果，地应力场以水平构造应力为主，最大和最小主应力大致呈水平分布，即矿区地压活动被构造应力所控制。另由于矿体上部先期的开采和已形成的地表塌陷，将会造成970 m中段的垂直应力场加大或局部支撑应力集中的存在，使矿区应力环境更加复杂多变。从整体结果看，夜长坪钼矿原岩应力场明显高于国内其他矿区，在有些区段测出的最大和最小应力比值之高在国内也是少见的，由此说明，矿区的应力环境复杂，且原岩应力高，这对矿山开采尤其是对巷道工程的维护带来极为不利影响。

通过线性回归分析，得出了各主应力值(最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3)随埋深H变化的特性方程［2］如下:

式中，H为垂直方向深度，m。

2 巷道稳定性数值模拟实验研究

2.1 分析模型的建立

根据巷道断面设计图纸，选择受矿巷道典型断面进行分析。巷道净宽2.6 m，净高2.9 m，断面为直墙三心拱。选择巷道位置为1 020 m水平，按照实验分析970 m平均埋深计算此位置埋深约为352 m，模拟采用的参数均为岩性最差的氧化矿的数据。模拟过程中对模型底部进行了位移约束，在X方向施加最大水平应力，Y方向施加最小水平应力，Z方向施加垂直应力，巷道走向垂直于最大主应力方向。所建模型如图1所示。

图1 模拟实验模型

2.2 不同混凝土支护结构实验研究

2.2.1 3种混凝土支护结构模拟计算

初次模拟混凝土支护结构分3种形式:第1种形式为300 cm厚度混凝土支护，第2种为400 cm混凝土，第3种为钢纤维混凝土，3种混凝土支护都设有底梁。计算结果如表2。

表2 不同混凝土支护结构模拟计算数据

通过模拟计算结果可以看出，加大混凝土的厚度和采用钢纤维混凝土，较素混凝土的承载能力有所增强，控制围岩变形能力也相应加强。

通过位移矢量模拟发现，巷道两帮向中间移动，底板向上方移动，顶板向下方移动，说明在实际工程中，容易出现片帮底鼓和冒顶的现象;从位移趋势可以看出，加大混凝土厚度和采用钢纤维混凝土优于素混凝土支护效果;另从应力模拟可以看出，3种支护的最大水平应力位置位于混凝土内拱顶正中位置和底梁位置，正中心部分应力值高达40 MPa，所以混凝土很容易在这2个位置发生破坏，从而引起顶底板中间位置失效产生错动或破裂，导致两帮向内运动，底板鼓起的破坏发生;从塑性区模拟也可以看出，400 mm厚度混凝土和钢纤维混凝土塑性区面积基本相同，与300 mm厚度混凝土相差也不大，说明施工一定厚度的混凝土支护后，基本上起到了限制塑性区发展的作用，因此在实际工程中，混凝土的厚度不能无限加大，要综合考虑其经济成本和施工难易程度，在不同的围岩条件下采用不同的混凝土支护结构。

2.2.2 增设底梁支护及壁后充填接顶模拟计算

为了比较混凝土支护添加底梁和壁后充填接顶的效果，进行了不同工况条件下的稳定状况的模拟，分为有底梁全封闭混凝土支护、无底梁混凝土支护和无底梁不接顶混凝土支护3种形式，3种计算结果如表3。

表3 有无底梁和不接顶混凝土支护结构模拟计算数据

通过模拟计算结果可以看出，全封闭混凝土支护结构要优于其他2种支护结构。通过位移模拟可以看出，无底梁的混凝土支护结构变形量要大于有底梁的情况，而不接顶的支护情况水平方向和垂直方向位移更大，混凝土发生了严重破坏，基本失效。再观察应力模拟，无底梁支护的水平应力最大位置在顶板正中，底板位置应力较小，这点不同于有底梁支护，而不接顶支护的应力最大区域位于支护结构外部的围岩中，说明混凝土已经无法发挥支护作用，而由围岩起到支撑作用;再观察塑性区，有底梁形式的塑性区面积明显小于无底梁支护方式，而不接顶的情况下，在近7 m的范围内都产生了破坏，说明这样的支护明显是失效的，因此，在实际施工中，必须施工全封闭混凝土，保证混凝土壁后充填接顶，只有这样混凝土才能起到支护作用。

2.2.3 混凝土和锚杆联合支护巷道稳定性模拟

巷道采用300 mm厚素混凝土有底梁的支护形式后，再采用不同长度锚杆加固，其稳定计算结果如表4所示。

表4 浇灌混凝土和锚杆联合支护结构模拟计算数据

通过模拟计算结果可以看出，采用锚杆进行加固后，巷道的水平位移量明显减小，塑性区面积也大大减小，说明施工锚杆会对限制位移和塑性区发展起到很大的作用，甚至优于增加混凝土的厚度。

通过位移和应力模拟可以看出，混凝土和锚杆联合支护的结构能够进一步限制位移，降低混凝土承载的应力，无论对于围岩和混凝土结构都是有利的;通过塑性区模拟，可以发现施工锚杆后，塑性区面积减小，破坏区域变小，而且随着锚杆长度的增加，起到的作用愈加明显，所以在实际施工中，应该选择混凝土和锚杆联合支护的方式，根据塑性区模拟可以看出围岩塑性圈在1～3 m，所以应当增加锚杆的长度，使锚固端楔入到塑性区外围岩中，从而起到锚固作用［3-6］。

3 结论

(1)巷道的破坏主要集中在拱顶正中和底板位置，主要变形方式是拱顶下移，底板上鼓，两帮向内移动，相比较来说两帮内移量大于顶底板移动量。

(2)对于混凝土厚度的选取，以及是否采用钢纤维混凝土，要根据具体的岩石条件确定。对于极为破碎，而且巷道方向垂直于最大主应力方向，那么应该优选钢纤维混凝土;对于岩石条件较好，或巷道方向平行于最大主应力，可以选取经济合理的支护方式。

(3)混凝土施工有底梁且接顶的支护效果，要远远优于无底梁和不接顶的情况，所以在生产中应当施工全封闭混凝土结构，而且要保证施工质量，确保底梁的连接和壁后拱顶充填接顶。

(4)施工混凝土且增加锚杆后可以起到很好的支护效果，所以优选全封闭混凝土和锚杆联合支护的结构，而且在实际施工中必须保证锚杆安装质量，来确保锚杆发挥作用。

［1］ 周贯中.夜长坪钼矿开采优化研究报告［R］.长沙:长沙矿山研究院，2008.

［2］ 周贯中.夜长坪钼矿区原岩应力测试研究［R］.长沙:长沙矿山研究院，2010.

［3］ 明世祥.夜长坪钼矿采场巷道支护技术研究纲要［R］.北京:北京科技大学，2011.

［4］ 刘 波，韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社.2005.

［5］ 彭文斌.FLAC3D实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［6］ 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.