基于多因素分析法的巷道支護分級與支護參數優化

王世博, 王堃, 賈穩宏, 劉杰

(1.金川集團股份有限公司, 金昌 737100; 2.礦冶科技集團有限公司, 北京 102600)

隨著地下工程的建設發展,深部軟破巖體環境下的地質災害問題日益突出[1]。中外學者針對地下工程的支護技術改進、支護設計優化等方面開展了大量研究,并取得了重要進展[2-5]。周發陸等[6]通過現場試驗及成本分析,驗證了“錨噴網”支護是保證破碎軟巖巷道穩定的高效、可靠、低成本支護手段。陳順滿等[7]利用鉆孔窺視等手段開展軟弱圍巖巷道變形機理分析,并提出雙拱協同全斷面支護加固方案,支護效果顯著。張愛卿等[8]針對伽師銅礦復雜軟破巖體巷道提出了以“錨網噴”支護方案,利用巷道分區分級支護體系,可快速實現巷道支護方案選擇。尹會永等[9]通過熵權法改進巖體質量分級傳統模糊綜合評價法,針對沂南金礦開拓巷道提出了先噴漿護壁,然后鋪設金屬網+系統錨桿的支護措施,以保證圍巖完整性及穩定性。文興[10]針對阿舍勒銅礦建立深部巷道分級合理支護體系,對巷道支護主要影響因素進行分類分析,提出基于巷道圍巖條件、斷面尺寸、功能用途和服務年限的支護分級方法,以實現按需合理支護。綜上可知,基于新奧法支護原理,“錨網噴”支護是針對復雜軟破巖體的高效、可靠、低成本的支護方式;通過分析影響巷道支護分級的主要影響因素,制定行之有效的巷道支護分級方法,因地制宜地制定巷道支護方案,既能滿足巷道穩定性需求、提高巷道支護可靠性,同時解決過度支護問題,降低支護成本[11]。金川不良巖層巷道穩定性控制方面已開展了大量研究工作,獲得了在巷道形狀及支護方式方面較為一致的研究結果,建議巷道形狀采用拱形巷道;堅持采用“先柔后剛”兩步驟支護原則[12-15];堅持基于“新奧法”支護原理,采用“錨網噴”支護,剛性支護加強相結合的支護手段[16-19]。

近年來,金川三礦區東部貧礦巷道支護返修率較大,并隨著采深增大而呈增長趨勢。深部礦區由于地壓的增加,巷道整體出現了較大的變形,繼續采用同種支護參數并不能合理有效的解決巷道變形問題,因此在有效進行支護等級劃分的前提下進行支護設計至關重要?；诖?以三礦區支護量較大的東部貧礦1 438 m水平各巷道硐室為研究對象,研究巷道支護破壞變形特征及其機理;采用優化的層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)對巷道支護分級優化研究,并實現巷道支護分級可視化,為巷道迅速提供科學可行、經濟合理的支護方案選擇?；谙锏乐ёo破壞變形機理,提出玻璃鋼錨桿代替螺紋鋼錨桿等支護優化方案,利用FLAC3D構建巷道支護模型,驗證優化方案的支護效果,確保支護方案的有效性,提高工作面的作業效率,保證巷道的穩定性和安全性。通過不同支護方案的驗證和優化,提高礦山支護技術水平,為礦山提供科學、可靠的決策依據。

1 工程背景

金川2#礦體成礦后由于F17斷層錯動,沿水平和垂直方向發生百余米的位移,研究對象位于F17斷層以東,同時品位較低,故名三礦區東部貧礦,研究對象位置及礦體與斷層關系如圖1所示。研究對象所屬礦區地層較簡單,主要以斷裂構造為主、地壓較大,除厚層大理巖穩固性較好外,其余巖體均不穩固或極不穩固。東部貧礦較F17斷層以西富礦礦體更為破碎,貧礦達9條/m2以上,貧礦RQD(rock quality designation)值25～50,屬于差-極差類型,改進BQ(basic quality)法統計評價結果顯示：大理巖為III級,二輝橄欖巖、混合巖及貧礦礦體為IV級,表現為堅硬巖巖體較破碎～破碎的形態。

三礦區以“隔二采一”方式進行后退式回采,進路斷面形狀有矩形和半圓拱形,規格主要為4.5 m(寬)×5 m(高)。非首采層有假頂時只對兩幫進行支護;對于首采層進路無假頂保護時,采用全面錨網噴支護。由于三礦區礦巖破碎、整體穩定性較差,原始應力高,構造應力明顯,東部貧礦巷道破壞變形現象較為普遍,在未進行加強支護條件下,東部貧礦巷道收斂變形量較大,有些巷道在支護破壞后要經過多次返修。因此,有必要針對三礦區東部貧礦巷道破壞變形開展較為整體、全面的分析,研究支護破壞變形特征及機理,提出更為可靠、安全、經濟的支護優化方案。

2 巷道支護分級可視化

2.1 巖體質量評價法

2.1.1 支護難度分級多因素分析法

通過選取支護難度分級客觀因素作為支護難度評估指標,得到圍巖支護難度等級評估計算公式為

(1)

式(1)中：Z為支護難度的計算結果;G為圍巖強度應力比指數;K為礦巖破碎系數;Y為巖體結構等級;ωi為各評價因素權重,i=1,2,3。

根據對不同類別的圍巖強度應力比指數G、為礦巖破碎系數K和巖體結構等級Y進行賦值,將各指標對應的不同分類結果,按照對支護難度的影響程度分別賦值,對支護難度影響越大,則賦值越高。得到支護難度分級指標體系,如表1所示。

2.1.2 基于AHP評價指標賦權客觀優化

采用層次分析法(AHP),構建多層次客觀賦權模型,對指標賦值進行層次化的客觀賦權優化?；贏HP法原理,對圍巖強度應力比指數G、礦巖破碎系數K和巖體結構等級Y分別兩兩間進行比較,獲得比較矩陣A(最大特征值λmax為3),可表示為

(2)

由式(2)可得圍巖強度應力比指數G、為礦巖破碎系數K和巖體結構等級Y的權重分別為ωG=0.4,ωK=0.2,ωY=0.4。為檢驗權重分配合理性,利用隨機一致性指標RI對判斷矩陣進行一致性檢驗。經計算,判斷矩陣一致性比CR<0.10,即判斷矩陣具有滿意的一致性,權重的選取合理。

2.2 巷道支護難度分級標準

上述圍巖強度應力比指數G、礦巖破碎系數K和巖體結構等級Y,反映了巷道圍巖條件的基本性質和特點。將上述影響因素交叉排列組合,得到24種不同的排列形式,排列結果如圖2所示。

圖2 巷道支護影響因素排列組合結果

綜合巷道支護影響因素排列組合結果,結合圍巖支護難度等級的計算公式及支護難度分級指標體系,獲得在不同組合條件下的支護難度分級計算結果Z,根據計算結果獲得Z值計算結果分布圖,如圖3所示。

圖3 支護難度分級計算結果Z分布圖

對巷道支護難度分級計算結果采用均分原理劃分為4個區間等級,即東部貧礦巷道圍巖支護難度分級劃分為容易、中等、較難、困難4個等級,支護難度等級劃分標準,如表2所示。

表2 巷道支護難度分級Table 2 Grading of roadway support difficulty

結合金川三礦區支護現狀及支護破壞典型特征,對上述4類支護難度分級類型進行具體劃分如下。

(1)I級容易支護類型。主要采用單層錨網噴支護方式,就基本能夠保持圍巖的穩定及巷道的短期使用,常用于采場分層道支護中。

(2)II級中等支護類型。主要采用雙層錨網噴或單層錨網噴+U型鋼拱架的支護方式,利用錨桿、金屬網的協同作用,形成有一定承載能力的加固拱,從而保持圍巖的穩定。

(3)III級較難支護類型。頂板支護難度較大,主要采用雙層錨網噴+鋼拱架支護方式,總體來看能夠有效地抵擋巷道圍巖的大變形。

(4)IV級極難支護類型。頂板支護難度極大,極易引發大面積的冒落、滑移等事故。在Ⅲ級較難支護的基礎上使用錨注支護、鋼筋混凝土支護等加強支護方式。

2.3 巷道支護等級劃分及可視化應用

利用支護難度分級多因素分析法,可根據巷道地質編錄卡信息,快速獲得巷道支護難度分級結果。Ⅰ分層聯絡道0～90 m處以大理巖和混合巖為主,斜長角閃巖頻繁穿插其間。巖石普遍破碎,工程地質條件較差,屬于丙類巖體結構;剩余90～150 m處,礦巖相互穿插頻繁,巖石破碎,工程地質條件較差,屬于丙類巖體結構。I分層聯絡道具有Ⅱ類中度擠壓巖體,B類小松動破碎巷道以及丙類碎裂巖體結構等特點,故該巷道支護等級為Ⅲ級：較難支護。

依照上述巷道支護分級方法,對金川三礦區東部貧礦1 438 m水平巷道、硐室、進路采場分別進行巷道支護分級,并用以不同顏色進行標注,最終獲得1 438 m分段支護難度等級劃分結果平面圖,如圖4所示。

圖4 1 438 m分段支護難度等級劃分平面圖

通過分析支護難度劃分平面圖可知,受下向膠結充填采礦法工藝的限制,對于采場內的支護分級主要為分層道的支護(穿、沿脈道),依據頂板是否為充填體巷道支護分為兩個類型：首分層和其他分層。首分層頂板為巖體,受地應力和破碎巖體影響,支護難度較大,屬于Ⅱ級中等難度支護類型甚至Ⅲ級較難支護類型。對于頂板是充填體的其他分層穿、沿脈道支護難度普遍為Ⅰ級容易支護,對巖體結構更發育及充填體下沉量過大區域Ⅱ級中等支護。礦體與圍巖的接觸帶通常位于分層聯絡道與采場穿脈道的交匯處,該處受構造運動影響更為明顯,錯動面發育、巖體結構更為破碎,應力更為集中,則屬于Ⅲ級較難支護類型,甚至Ⅳ級困難支護類型。

至此,便實現了巷道支護分級方法的可視化應用,通過支護難度等級分級平面圖可以迅速掌握巷道支護分級情況,根據支護難度分級,提出相應地支護方案,針對困難支護區域加強支護,容易支護區域簡單支護。

3 巷道支護破壞變形特征及機理分析

據調查,巷道破壞變形的類型主要有尖頂破壞、壓頂破壞、噴層外鼓開裂、V型壓裂、底鼓開裂和塌方冒頂,破壞變形現象如圖5所示。

圖5 巷道破壞變形現象

綜合礦區開采技術條件及巷道破壞變形特點,其變形破壞主要體現在高應力側向強烈擠壓作用下巷道的剪切和張拉破壞,表現為巷道向臨空面的時效性變形。

根據三礦區東部貧礦巷道破壞變形特點可知：巷道圍巖的變形主要是由于兩種不同的變形機制所引起的,分別為不連續的擴容變形和連續的整體變形。這兩種變形機制不協調,導致了圍巖的變形。而錨網噴支護方式主要對前者有效,難以抵御圍巖連續、整體變形。此外,三礦區錨網噴支護采用6.5 mm圓鋼制成的金屬網,網格大小為150 mm×150 mm。該金屬網的焊接部位是薄弱環節,難以承受大量的圍巖壓力,容易發生破壞。其次,金屬網在相互搭接時,網與網之間難以形成一個有效的整體,導致連接處的強度較低,且部分位置金屬網無法緊貼巷道壁面,造成受力不均發生變形破壞?？傊?錨網噴支護在外部水平構造應力為主的高應力環境下,破碎圍巖巷道中支護的錨桿錨固力降低,金屬網無法發揮功效,導致支護體系出現薄弱環節,破壞通過薄弱處逐漸向巖體深部擴展,最終造成巷道不同形式的變形破壞。分析可知,金川三礦區東部貧礦巷道支護變形破壞機理為：①碎裂的圍巖其自身結構不穩定,無法形成有效的承載圈以抵抗地壓的作用;②在高強度應力的作用下,圍巖不斷地向開采空間的面發生逐步的變形,該過程中圍巖碎裂的深度和程度也會不斷加深。

4 巷道支護方式與參數優化研究

4.1 巷道支護方式優化方案

基于巷道支護破壞變形特征機理分析結果,東部貧礦高應力軟破巖體環境下,“錨網噴”支護錨桿錨固力降低及金屬網失效是巷道支護破壞變形的主要原因。受巷道尺寸及鑿巖設備臺效等條件約束,本次巷道支護方案優化核心為：以同尺寸、規格的玻璃鋼錨桿代替螺紋鋼錨桿;增加鋼筋條連接錨桿,提高支護整體性。巷道支護優化方案,如圖6、表3所示。

表3 巷道支護優化方案Table 3 Optimized solution for roadway support

圖6 巷道支護優化方案

4.2 巷道支護數值模型及參數選取

4.2.1 模型建立

以金川三礦區1438分段Ⅴ盤區分層聯絡道為工程背景,巷道形狀為直墻半圓拱,規格為5 m(寬)×4.5 m(高),圍巖主要為大理巖。利用FLAC3D內置建模模塊建立網格化巷道支護優化方案數值模型,如圖7所示。

圖7 巷道支護優化方案數值模型

4.2.2 參數選取

根據現實開采條件,模型邊界約束及初始應力設置為：除上部邊界外,其余邊界設置為法向約束,參考II礦區地應力測量數據,根據工程背景埋深對模型施加垂直、水平應力。模擬所采用的物理力學參數分別如表4～表7所示。

表4 大理巖模擬力學參數Table 4 Simulated mechanical parameters of marble

表5 錨桿模擬力學參數Table 5 Simulated mechanical parameters of anchor rods

表6 混凝土噴層模擬力學參數Table 6 Simulated mechanical parameters of spray layers

表7 鋼筋條模擬力學參數Table 7 Simulated mechanical parameters of steel bars

4.3 支護效果及分析

利用單層“錨網噴”+鋼筋條支護數值模型,分別對比有無錨桿預緊力作用下支護效果;利用雙層“錨網噴”支護數值模型,分別對比螺紋鋼錨桿與玻璃鋼錨桿的支護效果。

巷道不支護條件下的變形云圖如圖8所示,可以看出,巷道開挖后未采取支護措施,使得巷道的四周都出現塑性區,并且寬度向深部逐漸減少,頂板和底板的塑性區相比兩幫較大;巷道開挖改變了地層應力分布,塑性區分布類似于一個長軸垂直的橢圓形。在巷道頂、底板和兩側較大范圍內,出現拉應力區域,但分布比較小。而在巷道兩側一定深度內,應力集中現象非常明顯,而且會向巷道兩側逐漸延伸。另外,巷道開挖后整體巖體位移比較明顯,發生頂板下降和一定底鼓,巷道兩幫均發生較明顯的收縮變形。

圖8 不支護巷道模擬結果

并對各支護優化方案分布云圖進行分析可知,巷道開挖后采用“錨網噴”支護,各支護方案的塑性區分布、應力分布、位移分布特征與未支護基本一致。不同主要表現為巷道四周仍然出現一定深度的塑性區分布特征類似于“梨形”。相較于不支護巷道,各支護方案下巷道塑性區分布特征明顯改善,其巖體的塑性區范圍和塑性區體積明顯減小;巷道兩幫一定深度內的大范圍應力集中得到了釋放,只在底幫附近形成了小范圍的應力集中區域,說明巷道圍巖應力場受巖體開挖擾動后及時進行支護是可以有效改善其巖體應力場分布特征,提高巷道的穩定性。

對各支護方案模擬結果匯總,如表8所示。對比各支護方案支護效果可知,對錨桿施加較大預緊力可以使錨桿對圍巖進行主動加固,預應力錨桿支護的主要作用是控制錨固區的圍巖在發生擴容變形時產生的離層、滑動、裂隙張開和新裂紋等現象,使圍巖處于受壓狀態,抑制圍巖的彎曲變形、拉伸和剪切破壞的出現,使圍巖成為承載的主體,從而大幅提高圍巖的穩定性。使用玻璃鋼錨桿支護可減小錨桿本身所受的力,相比使用螺紋鋼錨桿更有利于保證玻璃鋼錨桿的承載能力和可靠性,同時也能有效避免玻璃鋼錨桿在外力作用下過早發生屈服破壞,從而失去支護和承載能力。

表8 不同支護方案下模擬計算結果Table 8 Simulation results of different support schemes

總體而言,在巷道穩定性控制方面,雙層“錨網噴”支護方案較單層“錨網噴”支護方案效果顯著,增加鋼筋條及錨桿施加預緊力可作為巷道局部加強支護措施;玻璃鋼錨桿、螺紋鋼錨桿支護效果相近,但玻璃鋼錨桿的軸力要明顯小于螺紋鋼錨桿,且更好地改善水泥漿應力分布特征,有效避免了水泥漿過早發生破壞,提高了玻璃鋼錨桿的支護效果和可靠性。由此可見,采用玻璃鋼錨桿替代螺紋鋼錨桿支護可以更好地滿足東部貧礦采場巷道支護強度和巷道穩定性的要求。

5 結論

(1)基于優化的層次分析法所得支護分級評價結果準確、科學,可以實現巷道支護分級的可視化應用。

(2)巷道支護變形機理為：破碎巖體在外部水平構造應力為主的高應力環境下,由于錨具錨固力降低、金屬網失效,導致破壞變形從薄弱環節由點及面向巖體深部擴展。

(3)東部貧礦拱形巷道開挖后采用“錨網噴”支護可以有效改善巷道周圍塑性區、應力場和位移的分布特征,增加鋼筋條及錨桿施加預緊力可作為巷道局部加強支護措施。

(4)相比較于螺紋鋼錨桿支護,采用玻璃鋼錨桿支護后錨桿所受軸力明顯降低;玻璃鋼錨桿支護可以有效改善錨固水泥漿的應力狀態;采用玻璃鋼錨桿支護后,錨固水泥漿的屈服破壞長度較小。