喷浆厚度对巷道支护效果数值模拟研究

沈含波，常利峰

（陕西震奥鼎盛矿业有限公司，陕西 西安 721000）

巷道支护一直是地下矿山生产经营活动中的重要内容，支护效果决定了巷道使用过程中的长期稳定，支护成本是巷道支护方式中考量的重要因素，国内诸多学者对锚喷支护进行了科学研究，郭军杰[1]在郭庄矿三水平回采巷道中进行了锚喷支护提升围岩承载能力试验，通过数值模拟软件计算分析与现场实测收敛变形相互印证，解决了矿山巷道大变形问题；郭海涛[2]针对弓长岭矿山支护方式与围岩变形不相符问题，改进断面形状，给出了不同断面的喷锚网支护方式，实现了矿山安全生产；张小刚[3]采用锚喷支护方式解决拜什塔木铜矿破碎软岩巷道钢拱架支护效果差及成本高等难题，选择3种理论方法对喷射混凝土合理厚度进行了计算，降低矿山成本的基础上达到了更好的支护效果；黄丽[4]对四种喷浆厚度进行了数值模拟研究，并结合锚固方式得到了巷道的位移、塑性区和孔隙水压的变化规律。锚喷支护中喷浆厚度是决定支护效果与控制成本的重要因素之一，本文基于云南某铅锌矿山巷道的锚喷支护，对喷浆厚度进行数值模拟研究，结合现场成本控制，给出了最优喷浆厚度，为矿山巷道支护提供了理论依据。

1 数值模型建立

在巷道围岩变形数值模拟计算方面，采用有限元数值模拟软件FLAC3D进行三维模型的模拟计算分析，选用摩尔-库伦模型，进行动态分段开挖与支护。

1.1 数值模型

根据岩体力学相关理论，地下工程开挖所引起的受扰动的范围为开挖空间的3倍～5倍左右，超过该范围的岩体所受影响可以忽略不计，建立模型长×宽×高为20m×20m×10m，在FLAC3D中，位移边界是通过约束网格节点的速度实现的。为满足计算精度要求，将巷道周边的网格适当加密。

模型的初始应力场主要考虑自重应力和构造应力，模型前后左右及顶部施加应力边界，在模型的左右竖向边界施加水平位移约束，前后竖向边界施加水平位移约束，在模型的底部施加竖向位移约束，断面规格为3.2m×3.067m（h=2.0m），模型节点共32769个，单元数共29600个，见图1。假设模型岩层与巷道所在的实际岩层一致，不考虑岩层的结构面、裂隙等的影响（这些影响因素均已在岩体参数折减过程中考虑），矿山巷道开挖支护完成后，岩体力学性质的时间效应对巷道围岩的力学影响不作考虑。

1.2 数值模拟各项参数

数值模拟各项岩石力学参数均取自矿山生产实际测量所得，支护参数见表1，围岩各项物理力学参数见表2。

根据矿山实测，地应力采用水压致裂法进行测量，为最大主应力29.2MPa，最小主应力11.8Mpa，垂直主应力17.2MPa，最大水平主应力方向为N45.8°W。

1.3 数值模拟方案

根据矿山现有支护参数，锚网为1.2m×2.0m，网格间距10cm，锚杆长度1.8m，锚杆直径38mm，锚杆类型为管缝式锚杆，锚杆间排距1.0m×1.0m，数值模拟喷浆厚度分别为60mm、70mm、80mm、90mm、100mm的五种支护方案。

2 喷浆厚度数值模拟结果

选取每个模型的巷道移近量和塑性区大小作为评价依据，巷道移近量取巷道顶、底板移近量及两帮移近量之和，塑性区体积采用剪切屈服和拉伸屈服的体积之和，模拟结果见表3。

表3 试验结果统计

根据数值模拟试验结果，喷层厚度从60mm增加到90mm时巷道移近量、塑性区体积呈单调递减趋势，当喷层厚度90mm增加到100mm时，巷道移近量、塑性区体积反而增加，表明喷层厚度并不是越大越好，喷层作为巷道围

岩支护的一种方式，其主要作用为维持巷道表层碎石稳定性，防止碎石崩落影响安全。

3 成本效益计算分析

喷浆支护中采用C20强度的喷射混凝土，混凝土砂石主要为现场掘进废石，影响喷浆成本的主要为32.5的水泥成本，当地水泥价格为380元/t，巷道净断面3.2m×3.067m，按每米喷浆量从60mm～100mm分别为0.51m3、0.60m3、0.68m3、0.77m3、0.86m3，以巷道移近量评价支护效果，喷浆量与支护效果对比分析，见图2。

图2 支护效果与成本综合分析图

由图2可知，喷浆厚度逐渐增加的过程中，支护成本逐渐增加，巷道移近量降低，在喷浆厚度80mm时交叉，为成本最低、支护效果最好的喷浆厚度。喷浆厚度为90mm时，支护效果最好，但喷浆厚度增加10mm，支护成本增加13.2%，巷道移近量却只降低9.4%，因此，推荐喷浆厚度为80mm为最佳喷浆厚度。如特殊地段需要加强支护，推荐喷浆厚度为90mm。

4 结论

（1）通过FLAC3D数值模拟软件建模，对五种支护方案进行数值模拟研究，表明喷浆厚度从60mm增加到90mm时巷道移近量、塑性区面积呈递减趋势，当喷层厚度90mm增加到100mm时，巷道移近量、塑性区面积反而增加，喷浆厚度并不是越大越好。

（2）通过喷浆量对成本影响的计算，与移近量支护效果综合分析，推荐喷浆厚度为80mm为最佳喷浆厚度，节约成本的基础上，达到支护效果，为矿山今后此类巷道施工过程中提供理论依据。