基于多因素分析法的巷道支护分级与支护参数优化

王世博, 王堃, 贾稳宏, 刘杰

(1.金川集团股份有限公司, 金昌 737100; 2.矿冶科技集团有限公司, 北京 102600)

随着地下工程的建设发展,深部软破岩体环境下的地质灾害问题日益突出[1]。中外学者针对地下工程的支护技术改进、支护设计优化等方面开展了大量研究,并取得了重要进展[2-5]。周发陆等[6]通过现场试验及成本分析,验证了“锚喷网”支护是保证破碎软岩巷道稳定的高效、可靠、低成本支护手段。陈顺满等[7]利用钻孔窥视等手段开展软弱围岩巷道变形机理分析,并提出双拱协同全断面支护加固方案,支护效果显著。张爱卿等[8]针对伽师铜矿复杂软破岩体巷道提出了以“锚网喷”支护方案,利用巷道分区分级支护体系,可快速实现巷道支护方案选择。尹会永等[9]通过熵权法改进岩体质量分级传统模糊综合评价法,针对沂南金矿开拓巷道提出了先喷浆护壁,然后铺设金属网+系统锚杆的支护措施,以保证围岩完整性及稳定性。文兴[10]针对阿舍勒铜矿建立深部巷道分级合理支护体系,对巷道支护主要影响因素进行分类分析,提出基于巷道围岩条件、断面尺寸、功能用途和服务年限的支护分级方法,以实现按需合理支护。综上可知,基于新奥法支护原理,“锚网喷”支护是针对复杂软破岩体的高效、可靠、低成本的支护方式;通过分析影响巷道支护分级的主要影响因素,制定行之有效的巷道支护分级方法,因地制宜地制定巷道支护方案,既能满足巷道稳定性需求、提高巷道支护可靠性,同时解决过度支护问题,降低支护成本[11]。金川不良岩层巷道稳定性控制方面已开展了大量研究工作,获得了在巷道形状及支护方式方面较为一致的研究结果,建议巷道形状采用拱形巷道;坚持采用“先柔后刚”两步骤支护原则[12-15];坚持基于“新奥法”支护原理,采用“锚网喷”支护,刚性支护加强相结合的支护手段[16-19]。

近年来,金川三矿区东部贫矿巷道支护返修率较大,并随着采深增大而呈增长趋势。深部矿区由于地压的增加,巷道整体出现了较大的变形,继续采用同种支护参数并不能合理有效的解决巷道变形问题,因此在有效进行支护等级划分的前提下进行支护设计至关重要。基于此,以三矿区支护量较大的东部贫矿1 438 m水平各巷道硐室为研究对象,研究巷道支护破坏变形特征及其机理;采用优化的层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)对巷道支护分级优化研究,并实现巷道支护分级可视化,为巷道迅速提供科学可行、经济合理的支护方案选择。基于巷道支护破坏变形机理,提出玻璃钢锚杆代替螺纹钢锚杆等支护优化方案,利用FLAC3D构建巷道支护模型,验证优化方案的支护效果,确保支护方案的有效性,提高工作面的作业效率,保证巷道的稳定性和安全性。通过不同支护方案的验证和优化,提高矿山支护技术水平,为矿山提供科学、可靠的决策依据。

1 工程背景

金川2#矿体成矿后由于F17断层错动,沿水平和垂直方向发生百余米的位移,研究对象位于F17断层以东,同时品位较低,故名三矿区东部贫矿,研究对象位置及矿体与断层关系如图1所示。研究对象所属矿区地层较简单,主要以断裂构造为主、地压较大,除厚层大理岩稳固性较好外,其余岩体均不稳固或极不稳固。东部贫矿较F17断层以西富矿矿体更为破碎,贫矿达9条/m2以上,贫矿RQD(rock quality designation)值25～50,属于差-极差类型,改进BQ(basic quality)法统计评价结果显示：大理岩为III级,二辉橄榄岩、混合岩及贫矿矿体为IV级,表现为坚硬岩岩体较破碎～破碎的形态。

三矿区以“隔二采一”方式进行后退式回采,进路断面形状有矩形和半圆拱形,规格主要为4.5 m(宽)×5 m(高)。非首采层有假顶时只对两帮进行支护;对于首采层进路无假顶保护时,采用全面锚网喷支护。由于三矿区矿岩破碎、整体稳定性较差,原始应力高,构造应力明显,东部贫矿巷道破坏变形现象较为普遍,在未进行加强支护条件下,东部贫矿巷道收敛变形量较大,有些巷道在支护破坏后要经过多次返修。因此,有必要针对三矿区东部贫矿巷道破坏变形开展较为整体、全面的分析,研究支护破坏变形特征及机理,提出更为可靠、安全、经济的支护优化方案。

2 巷道支护分级可视化

2.1 岩体质量评价法

2.1.1 支护难度分级多因素分析法

通过选取支护难度分级客观因素作为支护难度评估指标,得到围岩支护难度等级评估计算公式为

(1)

式(1)中：Z为支护难度的计算结果;G为围岩强度应力比指数;K为矿岩破碎系数;Y为岩体结构等级;ωi为各评价因素权重,i=1,2,3。

根据对不同类别的围岩强度应力比指数G、为矿岩破碎系数K和岩体结构等级Y进行赋值,将各指标对应的不同分类结果,按照对支护难度的影响程度分别赋值,对支护难度影响越大,则赋值越高。得到支护难度分级指标体系,如表1所示。

2.1.2 基于AHP评价指标赋权客观优化

采用层次分析法(AHP),构建多层次客观赋权模型,对指标赋值进行层次化的客观赋权优化。基于AHP法原理,对围岩强度应力比指数G、矿岩破碎系数K和岩体结构等级Y分别两两间进行比较,获得比较矩阵A(最大特征值λmax为3),可表示为

(2)

由式(2)可得围岩强度应力比指数G、为矿岩破碎系数K和岩体结构等级Y的权重分别为ωG=0.4,ωK=0.2,ωY=0.4。为检验权重分配合理性,利用随机一致性指标RI对判断矩阵进行一致性检验。经计算,判断矩阵一致性比CR<0.10,即判断矩阵具有满意的一致性,权重的选取合理。

2.2 巷道支护难度分级标准

上述围岩强度应力比指数G、矿岩破碎系数K和岩体结构等级Y,反映了巷道围岩条件的基本性质和特点。将上述影响因素交叉排列组合,得到24种不同的排列形式,排列结果如图2所示。

图2 巷道支护影响因素排列组合结果

综合巷道支护影响因素排列组合结果,结合围岩支护难度等级的计算公式及支护难度分级指标体系,获得在不同组合条件下的支护难度分级计算结果Z,根据计算结果获得Z值计算结果分布图,如图3所示。

图3 支护难度分级计算结果Z分布图

对巷道支护难度分级计算结果采用均分原理划分为4个区间等级,即东部贫矿巷道围岩支护难度分级划分为容易、中等、较难、困难4个等级,支护难度等级划分标准,如表2所示。

表2 巷道支护难度分级Table 2 Grading of roadway support difficulty

结合金川三矿区支护现状及支护破坏典型特征,对上述4类支护难度分级类型进行具体划分如下。

(1)I级容易支护类型。主要采用单层锚网喷支护方式,就基本能够保持围岩的稳定及巷道的短期使用,常用于采场分层道支护中。

(2)II级中等支护类型。主要采用双层锚网喷或单层锚网喷+U型钢拱架的支护方式,利用锚杆、金属网的协同作用,形成有一定承载能力的加固拱,从而保持围岩的稳定。

(3)III级较难支护类型。顶板支护难度较大,主要采用双层锚网喷+钢拱架支护方式,总体来看能够有效地抵挡巷道围岩的大变形。

(4)IV级极难支护类型。顶板支护难度极大,极易引发大面积的冒落、滑移等事故。在Ⅲ级较难支护的基础上使用锚注支护、钢筋混凝土支护等加强支护方式。

2.3 巷道支护等级划分及可视化应用

利用支护难度分级多因素分析法,可根据巷道地质编录卡信息,快速获得巷道支护难度分级结果。Ⅰ分层联络道0～90 m处以大理岩和混合岩为主,斜长角闪岩频繁穿插其间。岩石普遍破碎,工程地质条件较差,属于丙类岩体结构;剩余90～150 m处,矿岩相互穿插频繁,岩石破碎,工程地质条件较差,属于丙类岩体结构。I分层联络道具有Ⅱ类中度挤压岩体,B类小松动破碎巷道以及丙类碎裂岩体结构等特点,故该巷道支护等级为Ⅲ级：较难支护。

依照上述巷道支护分级方法,对金川三矿区东部贫矿1 438 m水平巷道、硐室、进路采场分别进行巷道支护分级,并用以不同颜色进行标注,最终获得1 438 m分段支护难度等级划分结果平面图,如图4所示。

图4 1 438 m分段支护难度等级划分平面图

通过分析支护难度划分平面图可知,受下向胶结充填采矿法工艺的限制,对于采场内的支护分级主要为分层道的支护(穿、沿脉道),依据顶板是否为充填体巷道支护分为两个类型：首分层和其他分层。首分层顶板为岩体,受地应力和破碎岩体影响,支护难度较大,属于Ⅱ级中等难度支护类型甚至Ⅲ级较难支护类型。对于顶板是充填体的其他分层穿、沿脉道支护难度普遍为Ⅰ级容易支护,对岩体结构更发育及充填体下沉量过大区域Ⅱ级中等支护。矿体与围岩的接触带通常位于分层联络道与采场穿脉道的交汇处,该处受构造运动影响更为明显,错动面发育、岩体结构更为破碎,应力更为集中,则属于Ⅲ级较难支护类型,甚至Ⅳ级困难支护类型。

至此,便实现了巷道支护分级方法的可视化应用,通过支护难度等级分级平面图可以迅速掌握巷道支护分级情况,根据支护难度分级,提出相应地支护方案,针对困难支护区域加强支护,容易支护区域简单支护。

3 巷道支护破坏变形特征及机理分析

据调查,巷道破坏变形的类型主要有尖顶破坏、压顶破坏、喷层外鼓开裂、V型压裂、底鼓开裂和塌方冒顶,破坏变形现象如图5所示。

图5 巷道破坏变形现象

综合矿区开采技术条件及巷道破坏变形特点,其变形破坏主要体现在高应力侧向强烈挤压作用下巷道的剪切和张拉破坏,表现为巷道向临空面的时效性变形。

根据三矿区东部贫矿巷道破坏变形特点可知：巷道围岩的变形主要是由于两种不同的变形机制所引起的,分别为不连续的扩容变形和连续的整体变形。这两种变形机制不协调,导致了围岩的变形。而锚网喷支护方式主要对前者有效,难以抵御围岩连续、整体变形。此外,三矿区锚网喷支护采用6.5 mm圆钢制成的金属网,网格大小为150 mm×150 mm。该金属网的焊接部位是薄弱环节,难以承受大量的围岩压力,容易发生破坏。其次,金属网在相互搭接时,网与网之间难以形成一个有效的整体,导致连接处的强度较低,且部分位置金属网无法紧贴巷道壁面,造成受力不均发生变形破坏。总之,锚网喷支护在外部水平构造应力为主的高应力环境下,破碎围岩巷道中支护的锚杆锚固力降低,金属网无法发挥功效,导致支护体系出现薄弱环节,破坏通过薄弱处逐渐向岩体深部扩展,最终造成巷道不同形式的变形破坏。分析可知,金川三矿区东部贫矿巷道支护变形破坏机理为：①碎裂的围岩其自身结构不稳定,无法形成有效的承载圈以抵抗地压的作用;②在高强度应力的作用下,围岩不断地向开采空间的面发生逐步的变形,该过程中围岩碎裂的深度和程度也会不断加深。

4 巷道支护方式与参数优化研究

4.1 巷道支护方式优化方案

基于巷道支护破坏变形特征机理分析结果,东部贫矿高应力软破岩体环境下,“锚网喷”支护锚杆锚固力降低及金属网失效是巷道支护破坏变形的主要原因。受巷道尺寸及凿岩设备台效等条件约束,本次巷道支护方案优化核心为：以同尺寸、规格的玻璃钢锚杆代替螺纹钢锚杆;增加钢筋条连接锚杆,提高支护整体性。巷道支护优化方案,如图6、表3所示。

表3 巷道支护优化方案Table 3 Optimized solution for roadway support

图6 巷道支护优化方案

4.2 巷道支护数值模型及参数选取

4.2.1 模型建立

以金川三矿区1438分段Ⅴ盘区分层联络道为工程背景,巷道形状为直墙半圆拱,规格为5 m(宽)×4.5 m(高),围岩主要为大理岩。利用FLAC3D内置建模模块建立网格化巷道支护优化方案数值模型,如图7所示。

图7 巷道支护优化方案数值模型

4.2.2 参数选取

根据现实开采条件,模型边界约束及初始应力设置为：除上部边界外,其余边界设置为法向约束,参考II矿区地应力测量数据,根据工程背景埋深对模型施加垂直、水平应力。模拟所采用的物理力学参数分别如表4～表7所示。

表4 大理岩模拟力学参数Table 4 Simulated mechanical parameters of marble

表5 锚杆模拟力学参数Table 5 Simulated mechanical parameters of anchor rods

表6 混凝土喷层模拟力学参数Table 6 Simulated mechanical parameters of spray layers

表7 钢筋条模拟力学参数Table 7 Simulated mechanical parameters of steel bars

4.3 支护效果及分析

利用单层“锚网喷”+钢筋条支护数值模型,分别对比有无锚杆预紧力作用下支护效果;利用双层“锚网喷”支护数值模型,分别对比螺纹钢锚杆与玻璃钢锚杆的支护效果。

巷道不支护条件下的变形云图如图8所示,可以看出,巷道开挖后未采取支护措施,使得巷道的四周都出现塑性区,并且宽度向深部逐渐减少,顶板和底板的塑性区相比两帮较大;巷道开挖改变了地层应力分布,塑性区分布类似于一个长轴垂直的椭圆形。在巷道顶、底板和两侧较大范围内,出现拉应力区域,但分布比较小。而在巷道两侧一定深度内,应力集中现象非常明显,而且会向巷道两侧逐渐延伸。另外,巷道开挖后整体岩体位移比较明显,发生顶板下降和一定底鼓,巷道两帮均发生较明显的收缩变形。

图8 不支护巷道模拟结果

并对各支护优化方案分布云图进行分析可知,巷道开挖后采用“锚网喷”支护,各支护方案的塑性区分布、应力分布、位移分布特征与未支护基本一致。不同主要表现为巷道四周仍然出现一定深度的塑性区分布特征类似于“梨形”。相较于不支护巷道,各支护方案下巷道塑性区分布特征明显改善,其岩体的塑性区范围和塑性区体积明显减小;巷道两帮一定深度内的大范围应力集中得到了释放,只在底帮附近形成了小范围的应力集中区域,说明巷道围岩应力场受岩体开挖扰动后及时进行支护是可以有效改善其岩体应力场分布特征,提高巷道的稳定性。

对各支护方案模拟结果汇总,如表8所示。对比各支护方案支护效果可知,对锚杆施加较大预紧力可以使锚杆对围岩进行主动加固,预应力锚杆支护的主要作用是控制锚固区的围岩在发生扩容变形时产生的离层、滑动、裂隙张开和新裂纹等现象,使围岩处于受压状态,抑制围岩的弯曲变形、拉伸和剪切破坏的出现,使围岩成为承载的主体,从而大幅提高围岩的稳定性。使用玻璃钢锚杆支护可减小锚杆本身所受的力,相比使用螺纹钢锚杆更有利于保证玻璃钢锚杆的承载能力和可靠性,同时也能有效避免玻璃钢锚杆在外力作用下过早发生屈服破坏,从而失去支护和承载能力。

表8 不同支护方案下模拟计算结果Table 8 Simulation results of different support schemes

总体而言,在巷道稳定性控制方面,双层“锚网喷”支护方案较单层“锚网喷”支护方案效果显著,增加钢筋条及锚杆施加预紧力可作为巷道局部加强支护措施;玻璃钢锚杆、螺纹钢锚杆支护效果相近,但玻璃钢锚杆的轴力要明显小于螺纹钢锚杆,且更好地改善水泥浆应力分布特征,有效避免了水泥浆过早发生破坏,提高了玻璃钢锚杆的支护效果和可靠性。由此可见,采用玻璃钢锚杆替代螺纹钢锚杆支护可以更好地满足东部贫矿采场巷道支护强度和巷道稳定性的要求。

5 结论

(1)基于优化的层次分析法所得支护分级评价结果准确、科学,可以实现巷道支护分级的可视化应用。

(2)巷道支护变形机理为：破碎岩体在外部水平构造应力为主的高应力环境下,由于锚具锚固力降低、金属网失效,导致破坏变形从薄弱环节由点及面向岩体深部扩展。

(3)东部贫矿拱形巷道开挖后采用“锚网喷”支护可以有效改善巷道周围塑性区、应力场和位移的分布特征,增加钢筋条及锚杆施加预紧力可作为巷道局部加强支护措施。

(4)相比较于螺纹钢锚杆支护,采用玻璃钢锚杆支护后锚杆所受轴力明显降低;玻璃钢锚杆支护可以有效改善锚固水泥浆的应力状态;采用玻璃钢锚杆支护后,锚固水泥浆的屈服破坏长度较小。