侯俊，張小瑞，易觀勝

摘要：在深部黃金資源開發(fā)過程中，復(fù)雜破碎圍巖巷道支護(hù)是礦山亟須解決的問題之一。目前礦山多使用鋼拱架背木聯(lián)合支護(hù)形式，但木材可燃易腐蝕的特點，不適用于井下永久支護(hù)?；跀?shù)值模擬研究，提出采用具有輕質(zhì)吸能特點的新型支護(hù)材料作為襯砌，在巷道支護(hù)中取代背木的作用。理論分析結(jié)果表明，新型輕質(zhì)吸能類材料具有明顯的吸能、讓壓效果，較為適用于復(fù)雜破碎巷道讓壓支護(hù)體系。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)吸能材料；初砌；讓壓支護(hù)；巷道支護(hù)；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD353文章編號：1001-1277（2023）05-0008-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230503

引言

隨著中國對礦產(chǎn)資源需求的日益增加，地表等淺部資源已日趨短缺，向地球深部尋求所必需的礦產(chǎn)資源將是黃金等金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要形式。在此期間，復(fù)雜破碎圍巖巷道支護(hù)也將成為地下礦山，尤其是黃金礦山采掘過程中面臨的常態(tài)化問題［1-2］。隨著采掘深度增加，地下巷道和硐室周圍巖體應(yīng)力也會相應(yīng)提高，原本質(zhì)地堅硬的巖石在地下高應(yīng)力環(huán)境中則可能變得破碎，并在高地應(yīng)力的驅(qū)使下發(fā)生顯著變形，這就使得深部巖體工程施工過程中的隱患日益趨多，特別是冒頂、片幫、底鼓等一系列地壓顯現(xiàn)問題，不僅影響礦山生產(chǎn)，嚴(yán)重時還會威脅礦山設(shè)備及主要作業(yè)人員的安全［3-5］。

針對上述巷道支護(hù)問題，結(jié)合木材良好的彈性和強度特征，目前礦山多使用鋼拱架+木質(zhì)背木的支護(hù)方式，起到了較好的支護(hù)效果。受井下復(fù)雜的環(huán)境影響，這種支護(hù)方式也存在以下問題：

1）井下環(huán)境潮濕，木材易腐蝕變形，影響支護(hù)強度，需要定期更換，增加支護(hù)成本，且在更換過程中施工安全隱患較大。

2）木材作為易燃材料，在井下生產(chǎn)過程中極易造成火災(zāi)、毒氣等安全隱患，影響企業(yè)的安全生產(chǎn)。GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中明確規(guī)定：不應(yīng)采用木材或者其他可燃材料作永久支護(hù)［6］。

因此，針對復(fù)雜破碎圍巖巷道支護(hù)中木質(zhì)背木易腐蝕、易燃、安全性差、支護(hù)成本高等問題，本文提出了一種基于水泥基的新型輕質(zhì)吸能支護(hù)材料，取代井下支護(hù)背木，提升復(fù)雜破碎圍巖巷道支護(hù)安全性與經(jīng)濟效益，保障礦山安全經(jīng)濟高效生產(chǎn)。

1讓壓支護(hù)體系

復(fù)雜破碎圍巖巷道支護(hù)主要是為了控制圍巖的收斂變形，使之避免出現(xiàn)過度變形而引起松動圈的進(jìn)一步擴展，從而導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)較高的松散壓力［7-9］。依據(jù)能量守恒定律和地壓顯現(xiàn)規(guī)律，區(qū)別于其他支護(hù)結(jié)構(gòu)，讓壓支護(hù)結(jié)構(gòu)通常允許圍巖產(chǎn)生一定變形，從而對地壓進(jìn)行釋放，并提供恒定的支護(hù)作用，及時協(xié)調(diào)圍巖松散壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)反力，即通過緩沖材料的吸能特點，釋放一定的松散圍巖巖移，吸收圍巖深部傳遞而來的地壓，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)尤其是鋼拱架所承擔(dān)的地壓及松散圍巖荷載，從而避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)服務(wù)壽命，增加巷道穩(wěn)定性。本文所用的輕質(zhì)吸能材料是一種由輕質(zhì)添加劑和水泥充分混合形成的多孔材料，由于材料體內(nèi)的胞孔特征，導(dǎo)致其能夠通過壓縮胞孔承受較大變形，并同時提供一定的約束反力，進(jìn)而達(dá)到讓壓支護(hù)的效果。

2模型參數(shù)設(shè)置

2.1模擬假設(shè)與簡化

數(shù)值模擬分析采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件。為方便計算，對模型進(jìn)行一定的簡化與假設(shè)：①材料各向同性且均質(zhì)。②圍巖為完整的連續(xù)實體。③不考慮鋼拱架與襯砌之間的縫隙，認(rèn)為鋼拱架與襯砌之間接觸良好。

2.2材料本構(gòu)模型與基本參數(shù)

本文主要就輕質(zhì)吸能材料、背木及混凝土3種不同材料的支護(hù)效果進(jìn)行對比。考慮到輕質(zhì)吸能材料體積壓縮率較高，能夠產(chǎn)生較大塑性變形，因此模擬過程中選用ABAQUS材料庫中能夠較好的表現(xiàn)該種材料特性的可壓縮泡沫-體積硬化模型［10］，而其他材料則簡化為彈性本構(gòu)模型或摩爾-庫侖模型。各種材料的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.3模型總體概況

1）力學(xué)單位制。采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位制，長度為米（m），壓強為帕（Pa）。

2）單元設(shè)置。襯砌、圍巖采用實體單元（solid），鋼拱架采用梁單元（beam）。

3）模型尺寸。結(jié)合現(xiàn)有研究成果和工程案例實際，巷道開挖后，距離巷道中線3倍洞徑范圍內(nèi)，圍巖應(yīng)力場分布變化一般小于5 %，5倍時則僅有不到1 %。因此，一般根據(jù)巷道開挖斷面尺寸，取3～5倍巷道斷面尺寸進(jìn)行模擬。

參考TB 10003—2016 《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中較差圍巖條件下襯砌結(jié)構(gòu)建議值及國內(nèi)外典型復(fù)雜破碎圍巖巷道襯砌結(jié)構(gòu)組成及厚度，襯砌厚度（即取代背木的輕質(zhì)吸能材料）可取0.3 m。

本次模擬過程中取巷道形狀為直墻半圓拱形巷道，拱高1.5 m，墻高1.5 m，巷道寬度為3 m，巷道規(guī)格為3 m×3 m，考慮巷道開挖引起周圍巖體擾動影響，取圍巖邊界尺寸為100 m×100 m，如圖1所示。

4）邊界條件。在數(shù)值計算時需要考慮地層構(gòu)造應(yīng)力的影響，其中側(cè)向均布構(gòu)造應(yīng)力可表示為：

σ=kqv（1）

式中：σ為側(cè)向均布構(gòu)造應(yīng)力（MPa）；k為側(cè)壓力系數(shù)，對應(yīng)擠壓等級，取值范圍如表2所示；qv為垂直應(yīng)力（MPa）。

某金礦巷道采深約為500 m，因此模型上表面巖層高度約為500 m，垂直方向取巖層自重壓力，同時根據(jù)國內(nèi)地應(yīng)力調(diào)查情況，一般深度達(dá)到500 m左右，側(cè)壓力系數(shù)多為1.0～1.5，因此設(shè)置最大側(cè)壓力系數(shù)取1.0。計算時，約束圍巖模型底部、前后及兩側(cè)的位移邊界。其中，模型底面全約束，兩側(cè)及前后面僅約束相應(yīng)方向的位移矢量。

5）監(jiān)測點。在數(shù)值模擬過程中主要監(jiān)測巷道拱底、拱肩、拱頂、底板的應(yīng)力位移變化（如圖2所示）。

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1巷道圍巖應(yīng)力與位移對比

不同材質(zhì)襯砌圍巖應(yīng)力與位移隨應(yīng)力釋放關(guān)系如圖3所示（其中，尾標(biāo)1，2，3分別代表輕質(zhì)吸能材料、C25混凝土和木材）。由圖3可知，采用3種材料進(jìn)行支護(hù)，圍巖應(yīng)力分布情況差異較小，對圍巖位移的限制影響也較小。

但總體來說，采用C25混凝土對圍巖的巖移控制效果要優(yōu)于木材和輕質(zhì)吸能材料。這是因為C25混凝土在模擬過程中設(shè)置為理想彈性材料，且其彈性模量遠(yuǎn)大于其他2種材料，可認(rèn)為是類剛性支護(hù)，因此對巖移的限制效果要稍好于其他2種材料。此外，由圖3也可以初步說明，圍巖應(yīng)力釋放過程中的巖移力量較大，無論采取何種支護(hù)措施，巷道巖移都是不可避免的［11］。

3.2襯砌應(yīng)力與位移對比

不同材質(zhì)襯砌應(yīng)力與位移隨圍巖應(yīng)力釋放關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，隨圍巖應(yīng)力逐步釋放，襯砌上的應(yīng)力逐步增加，不同材料的彈性模量不同，因此吸收巖移能量后的體現(xiàn)也不同。

彈性模量大的材料，如C25混凝土，剛度較大，吸收巖移能量后，變形較小，但內(nèi)部殘存應(yīng)力較大，由于其強度和剛度較大，在鋼拱架的約束下，拱頂內(nèi)部呈現(xiàn)最大壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于其強度，可認(rèn)為支護(hù)體系是安全的；彈性模量小的材料，如輕質(zhì)吸能材料，剛度較小，吸收巖移能量后，變形較大，通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中孔隙的坍塌、閉合導(dǎo)致的大變形來吸收巖移能量，因此其內(nèi)部殘余應(yīng)力水平較低，一般不超過2 MPa。而在模擬過程中將木材視作C25混凝土剛性體和輕質(zhì)吸能材料柔性體中間的一種剛?cè)岵牟牧希鋺?yīng)力和位移分布的情況也滿足上述規(guī)律。

因此，輕質(zhì)吸能材料作襯砌結(jié)構(gòu)時，除拱頂外，拱腳、拱肩外的圍巖位移最小，因此可表明輕質(zhì)吸能材料支護(hù)效果優(yōu)于C25混凝土。

3.3鋼拱架應(yīng)力與位移對比

不同材料襯砌圍巖應(yīng)力釋放終了時的鋼拱架應(yīng)力與位移分布情況如圖5所示。鋼拱架作為支護(hù)體系內(nèi)的主要承載構(gòu)件，應(yīng)力分布由拱頂向拱腳逐漸傳遞。但是受其形狀和結(jié)構(gòu)特點，變形量最大處體現(xiàn)在拱肩部分。不同襯砌材料導(dǎo)致襯砌率先吸收巖移能量的多少不同，從而傳遞至鋼拱架上的能量多少也不同。剛度大的材料吸收的能量少，傳遞至鋼拱架上的能量就多，導(dǎo)致鋼拱架應(yīng)力較大，位移較大，更容易導(dǎo)致支護(hù)體系失穩(wěn)和失效；而剛度小的材料由于緩沖和讓壓的天生優(yōu)勢，吸收的巖移能量更多，從而導(dǎo)致傳遞至鋼拱架上的能量減少，鋼拱架受力情況良好，更容易確保支護(hù)體系的穩(wěn)定。

因此，輕質(zhì)吸能材料讓壓緩沖支護(hù)材料對于巖移的能量吸收較好，變形較大，內(nèi)部應(yīng)力水平較低，采用輕質(zhì)吸能材料讓壓緩沖支護(hù)材料后，傳導(dǎo)到鋼拱架上的應(yīng)力明顯得到改善，位移也顯著降低。

4結(jié)論

通過對輕質(zhì)吸能材料作為襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)對不同材質(zhì)襯砌支護(hù)后的巷道圍巖、襯砌及鋼拱架等支護(hù)體系的應(yīng)力與位移分析，得到如下結(jié)論：

1）輕質(zhì)吸能材料作襯砌結(jié)構(gòu)時，除拱頂外，拱腳、拱肩外的圍巖位移最小，因此可表明輕質(zhì)吸能材料支護(hù)效果優(yōu)于C25混凝土。

2）輕質(zhì)吸能材料讓壓緩沖支護(hù)材料對于巖移的能量吸收較好，變形較大，內(nèi)部應(yīng)力水平較低。

3）采用輕質(zhì)吸能材料讓壓緩沖支護(hù)材料后，傳導(dǎo)到鋼拱架上的應(yīng)力明顯得到改善，位移也顯著降低。

綜上，對比C25混凝土剛性材料，采用輕質(zhì)吸能材料作為襯砌材料具有明顯的吸能、讓壓效果，較為適用于復(fù)雜破碎巷道讓壓支護(hù)體系。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Numerical simulation study on lightweight energy-absorbing materials used

in pressure relief support of underground mine tunnelsHou Jun1，Zhang Xiaorui1，Yi Guansheng2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：The support of complex and fractured surrounding rock tunnels is one of the challenges that should be dealt with urgently during the development process of deep gold resources.At present，mines often use joint support methods with steel arch frames and wood.However，due to the inflammable and? easily corrosible properties of wood，it is not applicable for permanent underground mine support.Therefore，based on the numerical simulation study，this paper proposes to use new type of support materials with lightweight energy-absorbing characteristics as the lining to replace the wood in the support of tunnels.The theoretical analysis shows that the new type of support materials has obvious energy absorption and pressure relief effects and is more suitable for the pressure relief support system for complex and fractured tunnels.

Keywords：lightweight energy-absorbing materials;lining;pressure relief support;tunnel support;numerical simulation