某铅锌矿巷道锚网喷支护方案优化研究

某铅锌矿巷道锚网喷支护方案优化研究

0大巷围岩稳定性分析由于地质条件的限制，道路开挖过程中可能难以避免软岩问题。随着采深的增加，在高肥力的作用下，设计软岩已成为制约矿山安全高效生产的重要因素。长期以来，国内外科学家对软岩工程的稳定机制和技术的科学研究进行了大量的应用，但由于赋存条件和影响因素的复杂性和不确定性，破坏机制不同。这条路的返回率很高，返回时间长，严重制约了矿山的安全生产和经济效益。因此，在这项工作中，我们研究了安全控制措施，以确保矿山的长期稳定和安全使用。1巷道围岩结构面现状某铅锌矿矿体赋存条件复杂,褶曲发育,断裂构造分布多.铅锌矿体近南北向产出,矿带长约10km,矿区内圈定大小矿体45个,矿体平均厚度0.8m,属于极薄矿体.795坑600中段北巷为开拓阶段运输巷道,埋深350m,巷道围岩条件复杂,围岩应力分布高,地质构造多.巷道所处岩层主要为层纹灰岩、结晶灰岩等软弱岩层组成,围岩表现为松散、节理裂隙发育,整体性很差,承载能力较低.采用详细测线法对600中段北巷进行了现场岩体结构面调查,结果表明,层纹灰岩节理裂隙密度为15条/m,结晶灰岩为11条/m,可见两种岩性节理裂隙均比较发育和密集.通过现场取样,并将岩样做成标准试件,开展室内岩石力学试验,试验结果见表1.由表1可知,600中段北巷围岩较为软弱、强度低,承载能力较低,巷道开挖后难以自稳,变形破坏较为严重.2测试现场道路围岩的松动圈2.1试仪器及设备巷道围岩松动圈测试采用声波测试法,利用水作耦合介质.声波测试仪器为RSM-SY5智能型分机体声波仪,由中国科学院武汉岩土力学研究所研制,配一发双收换能器20.5kHz径向换能器,水管、水泵、笔记本电脑、电线及特殊材料制成的连接杆.2.2岩脉内灰岩地层细度测试为研究600中段北巷松动圈范围,在该巷道选取两个受爆破影响较小的巷道断面,分别定为1#,2#断面,其中1#断面围岩为层纹灰岩,2#断面围岩为结晶灰岩,每个断面分别布置5个测孔,孔深2.5m.测孔布置见图1所示.现场测试,准备工作完毕,将单孔换能器伸入孔底,记下孔深,将气冲入气囊,固定好探头,输入仪器相关参数,激发发射探头,同时用水泵泵水进入测孔中,当孔中的水淹没两个接收探头时,即可进行数据采集,然后依次测下一点,每隔0.2m测读一次,现场测试示意图如图2.2.3层纹火山岩巷道围岩滑动圈范围各断面测点波速随孔深VP-L曲线见图3,岩体声波波速随孔深的变化基本呈现同一种趋势,孔口位置波速较低,随着测试孔深度的增加,波速呈现上升趋势,达到一定峰值后下降,在一定深度,波速趋于基本稳定.这表明围岩靠近孔口受到开挖的影响较大,而远离孔口的岩体受其影响较小;达到一定深度后,岩体几乎不受影响,声波变化渐趋稳定.1#断面A中波速在1.2m后渐趋稳定,因此A点处的围岩松动圈厚度为1.2m;对其它测点的所得数据作类似处理分析,可得到B点处的围岩松动圈厚度为1.4m;C点处的围岩松动圈厚度为1.2m;D点处的围岩松动圈厚度为1.2m;E点处的围岩松动圈厚度为1.3m.所以综合分析,1#断面层纹灰岩巷道的围岩松动圈范围为1.4m左右.依相同方法,可预测出2#断面结晶灰岩巷道围岩松动圈为1.3m左右.按照巷道支护松动圈分类,当LP=100~150cm时,巷道围岩分类为中松动圈Ⅲ类,因此600中段南部阶段运输巷道围岩分类为中松动圈Ⅲ类,支护方式采用锚网喷支护.2)支护方案在中松动圈围岩中,锚杆在锚喷支护中仍是主体,承受了围岩的碎胀力.为了将松动圈以内的破裂岩体悬吊起来,在支护过程中必须将锚杆的锚头固定在松动圈外围的稳定岩体上,以达到稳定围岩的目的,锚网支护能够保证围岩形成锚固结构,实现与围岩的共同承载,喷射混凝土层使围岩形成一个整体,即防止围岩风化,阻止非锚固区的围岩变形和危石的坠落.锚网喷实现与围岩的共同承载,形成强大的主动支护体系,从而实现对巷道围岩的有效控制,保证巷道围岩和支护结构的稳定.按悬吊理论设计,锚杆长度为:L=LP+0.3+0.1=1.8m,因此选取巷道支护锚杆长度为1.8m,锚杆间排距计算式为,式中:LP—松动圈厚度,m;D—锚杆间排距,m;Q—锚杆设计锚固力,kN;γ—围岩的重力密度,kN/m3,经计算锚杆间排距.三心拱巷道设计净断面为2400mm×2600mm.锚杆采用矿区常用的管缝式锚杆,规格Ф43mm×L1800mm.金属网由Ф6mm钢筋制成,网格100mm×100mm,网片1000mm×2000mm,网片之间采用勾接方式连接,勾接长度为100mm.喷射混凝土等级C20,初喷混凝土与复喷混凝土喷层厚度各50mm,混凝土体积比为水泥∶砂∶石子=1∶2∶2,水灰比0.48,水泥标号为PO42.5普通硅酸盐水泥,锚网喷结束后,用混凝土回填形成巷道底板上的平整的混凝土回填层,回填层厚度为100mm.3数值模拟分析3.1数值模型及模拟方案为验证锚网喷支护形式的合理性和有效性,根据600中段北巷实际情况,采用三维有线差分法程序FLAC3D,建立了计算模型.计算范围长(x方向)×宽(y方向)×高(z方向)=50m×60m×50m,模型共划分92400个单元体,95770个节点.模型侧面限制水平移动,底部固定移动,模型上表面为应力边界,施加的荷载为9.60MPa,模拟350m埋深上覆岩体的自重边界.材料符合MohrCoulomb强度准则.岩体力学参数根据实测岩块的力学参数和巷道节理裂隙发育情况,根据相关公式换算见表2.计算模拟方案:(1)无支护;(2)锚网喷支护(锚杆间排距1000mm×1000mm);(3)锚网喷支护(锚杆间排距900mm×900mm);(4)锚网喷支护(锚杆间排距800mm×800mm);(5)锚网喷支护(锚杆间排距700mm×700mm).3.2巷道围岩位移分布在5种不同的支护方案下,巷道的表面位移和塑性区范围计算结果分别见表3、表4.由计算结果可知,各支护方案下,巷道附近的位移矢量随距巷道周边距离的增大而减小,位移矢量的方向在巷道周围指向巷道内部.水平应力在巷道顶底板处发生应力集中,而垂直应力则在巷道两帮产生应力集中,随着支护强度的增加,应力集中系数逐渐增大,应力集中的位置逐渐向巷道方向移近.巷道在5种不同的支护方案下,随着支护强度的增加,对应的表面位移量和塑性区范围逐渐减小.巷道在方案1开挖不支护的情况下,顶底板及两帮位移较大,塑性区较深,巷道发生变形破坏,不能自稳,与现场实际情况相符,当巷道采用方案2和方案3支护后,巷道表面位移及塑性区范围有所减少,但巷道整体位移及塑性区仍然较大,不能满足支护要求.采用方案4和方案5,巷道表面位移与塑性区明显减小,而方案5比方案4增加支护强度和成本,但巷道的变形和周边塑性区范围无较大变化.综合比较5种支护方案,以方案4最佳.图7为支护方案4巷道围岩位移分布图,图8为支护方案5巷道围岩塑性区分布图.4巷道围岩变形规律2013年3~5月采用所提出的锚网喷支护技术方案,在795坑600中段南部阶段运输大巷开展了现场工业试验,掘进与支护试验段巷道30m,并对试验段巷道进行了3个月的表面位移监测,图9为巷道围岩表明位移-时间监测曲线.由监测结果可知:巷道顶底板和两帮收敛变形量均较小,顶底板收敛变形量为93.2mm,巷道两帮收敛量为68.0mm,平均变形速率分别为0.78mm/d,0.57mm/d,并且变形速率逐渐下降,表明巷道围岩变形已经趋于稳定;巷道没有发生明显的顶沉、底鼓、混凝土喷层开裂等现象.所提出的锚网喷支护方案有效地控制了巷道围岩变形,确保巷道稳定与安全使用.5巷道围岩滑动圈范围及变形速率控制1)现场岩体结构调查和室内岩石力学实验表明,600中段北巷层纹灰岩,结晶灰岩节理裂隙比较发育,围岩较为松软、强度低,承载能力较低,巷道开挖后,变形破坏严重.2)600中段北巷松动圈测试结果表明,层纹灰岩巷道围岩松动圈范围为1.4m,而结晶灰岩巷道松动圈为1.2m,根据松动圈范围测试结果,提出了锚网喷支护方案,确定锚杆长度为1.8m.3)数值模拟结果表明,巷道在5种不同的支护方案下,巷道的表面位移量和塑性区范围随着支护强度的增加而逐渐减小,综合比较5种支护方案,以方案4-