深井降温硐室支护设计结构模拟与应用

吕 琳

(煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽省合肥市，230041)

井下的热源(围岩散热、机电设备放热、矿岩氧化热、热水放热、人体散热等)及其热量是形成热害的主要原因，基于地质条件的复杂性和独特性，本文以山东招金矿业夏甸金矿降温硐室为例，充分考虑围岩扰动效应，采用一次性动态支护，结合降温设计的思想，并且充分利用了矿用维护材料在高温环境下的力学性能，采用数值模拟以及现场测试的方法，最后给出深井硐室结构的支护方案，采用本文的支护方案可以有效保证硐室的安全性。

1 工程背景

山东招金矿业夏甸金矿位于招远市南约20 km处，黄金产量达4 t/a。由于该矿-652 m水平以上浅部矿脉资源即将枯竭，目前正在向-720 m及以下水平开拓。开拓过程中，受到井下高温干扰，开拓人员的生产环境超过《金属非金属矿山安全规程》(GBl6423-2006)26～28℃的采掘作业地点气象条件规定。经现场实测，-700 m水平掘进风筒出口处温度已达33.8℃，回风竖井掘进头温度已达32.8℃，相对湿度达到100%。因此迫切需要建设井下降温硐室来解决矿井生产过程中产生的热害问题。

2 巷道支护理论

目前我国巷道支护大多采用锚杆及配套支护结构，对围岩起控制变形、防止破坏的作用，巷道开挖后，一次支护、二次支护甚至多次支护都不一定能有效控制围岩变形与破坏。康红普院士提出一次锚杆支护是高效改善围岩不连续应力的有效手段，锚杆工作阻力扩散到围岩中，围岩离层、滑动、裂隙扩大，因而一次支护可以有效在围岩揭露时立即支护，保证围岩稳定。

3 巷道支护设计方法

3.1 地质资料及生产条件

硐室周围岩体组成主要为黑云母花岗岩和胶东群、粉子山群的变质岩、北东向构造破碎带发育一套蚀变岩。岩石力学试验结果显示，矿体顶、底板和围岩均为坚硬或比较坚硬岩石，一般比较稳固，岩石普氏系数f=8～12，其支护结构采用直墙半圆拱断面结构形式，降温制冷硐室主断面尺寸宽度5.3 m，直墙高2.5 m，长度为40 m。

3.2 支护材料

硐室的支护结构中采用管缝锚杆MF40，符合《有色金属矿山井巷工程施工及验收规范》，长度2200 mm，间排距800 mm×800 mm。管缝式锚杆是一种全长锚固，主动加固围岩的新型锚杆，立体部分是1根纵向开缝的高强度钢管，当安装于比管径稍小的钻孔时，可立即在全长范围内对孔壁施加径向压力和阻止围岩下滑的摩擦力，加上锚杆托盘托板的承托力，从而使围岩处于三向受力状态，后期锚固力明显增大。

3.3 支护方案

硐室的支护结构采用锚杆+钢筋网+喷射混凝土结构。支护总厚度为150 mm，锚杆规格为MF40管缝锚杆，长度2200 mm，间排距800 mm×800 mm；钢筋网采用ø6 mm钢筋焊接，网孔100 mm×100 mm；喷射混凝土强度等级为C20，现浇底板及基础钢筋混凝土强度等级为C30，底板受力钢筋为HPB300、HRB400，混凝土保护层厚度50 mm。巷道支护形式如图1所示。

4 支护效果

4.1 现场实测

采用数值模拟进行多方案比较，结合现场地质条件和实际工程经验最后确定巷道采用锚网喷结构+管缝锚杆支护形式，管缝锚杆全长锚固组合支护。在施工期间进行巷道内表面位移、顶板离层及锚杆受力观测。在巷道开挖掘进35 m后，围岩变形达到最大值之后趋于稳定。在实际工程中允许施工单位根据实际情况，如遇硐室变形量较大时，应采取加强支护强度等措施或对硐室处围岩进行注浆加固。如硐室处底板地压较大或岩性破碎时，须在硐室底部增设适量的锚杆、锚索或先对硐室底板处围岩进行注浆加固。

图1 巷道支护形式

图2 巷道位移曲线

在掘进期间，降温硐室巷道表面位移曲线如图2所示。由图2可知，表面位移在距掘进工作面30 m以后趋于稳定。两帮移近量为40 mm。顶底移近量为70 mm，其中顶板下沉量为43 mm，底鼓量30 mm，底鼓量占巷道顶底移近量的64.5%。底部位移大的原因主要是围岩较稳定，而底板没有进行锚杆支护。

4.2 数值模拟

岩体本身构造复杂，存在各种断裂带和节理面影响，考虑其不连续性，在勘察提出的岩土力学参数上进行一定折减，得到适用本工程的土体力学参数如下：围岩密度2500 kg/m3，泊松比0.25，弹性模量26.8 GPa，摩擦角49.4°，粘聚力3.46 MPa，选用摩尔—库伦本构模型。

选用Midas GTS软件，根据实际尺寸进行巷道模拟，建立几何模型，土体采用3 d单元，喷射混凝土采用2 d板单元，管缝锚杆采用植入式桁架模拟，设置自重荷载，采用自动约束约束两侧及顶底的自由度如图3所示，自重和边界条件如图4所示。

图3 巷道网格划分

图4 自重和边界条件

4.3 模拟结果

喷射混凝土应力云图、锚杆应力云图见图5和图6。当岩层开挖时，原始的地应力重新分布，从巷道的应力云图可以看出开挖空区出现次生应力场，模拟开挖以矿山实际开挖顺序，其主压应力在开挖中段从16 MPa增大到33 MPa，主拉应力由小增大，最大达到2.3 MPa，未超过岩体抗拉强度，在安全范围内。

图5 喷射混凝土应力云图

图6 锚杆应力云图

5 结论

在巷道设计时考虑地质条件复杂性以及施工扰动对周围岩体的影响，通过分析工程实例与数值模拟的结果，采用本文的锚杆支护体系，可以达到降低结构顶板、底拱以及施工后期变形的效果，并以此为借鉴为其他类似巷道提供参考。