深部礦山破碎圍巖巷道控制技術(shù)研究

郭忠平 張貴銀 韓 春 牟文強 王玉成

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590)

近20 年來，隨著現(xiàn)代礦業(yè)的迅速發(fā)展，對金屬礦石的需求量不斷增長，開采的深度不斷增加，淺部礦石資源逐漸減少和枯竭，而地下礦山也要向深部礦床伸展。隨開采深度的加大，地壓和溫度也逐漸增加，開采條件越來越復(fù)雜，應(yīng)科學(xué)有效地避免大規(guī)模地壓活動造成的破壞，預(yù)防沖擊地壓發(fā)生。某礦為了充分預(yù)測和掌握回采巷道的圍巖穩(wěn)定性，科學(xué)合理地進行巷道支護設(shè)計，保證礦井的安全生產(chǎn)，通過實驗室?guī)r石力學(xué)性能實驗，確定圍巖為破碎圍巖。通過研究既定破碎圍巖礦體下巷道錨桿支護技術(shù)的適應(yīng)性，為確定合理的錨桿支護參數(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程概況

某金屬礦山采用無底柱淺孔留礦法和上向水平分層全尾砂膠結(jié)充填采礦法，礦區(qū)有10 個礦體，II 號礦體是目前該礦主要回采礦體。II 號礦體以含金黃鐵礦、石英礦脈為主。礦體賦存標(biāo)高120 ～－807 m，長度140 ～470 m，平均厚度2.5 m，礦脈沿走向和傾向均呈反“S”型賦存。目前回采中段為－635 ～－685 m，已屬于深部開采礦井，動力沖擊現(xiàn)象明顯。

1.1 節(jié)理裂隙發(fā)育情況

通過現(xiàn)場對礦區(qū)構(gòu)造、采場、巷道節(jié)理裂隙分布及其發(fā)育情況進行調(diào)查，進一步了解地壓的顯現(xiàn)情況和礦區(qū)深部開采條件。從現(xiàn)場統(tǒng)計來看，該礦地下開拓巷道及采場附近的節(jié)理和裂隙較為發(fā)育，但發(fā)育程度存在較大差異。在－485 m 中段及以上，開拓巷道及采場附近節(jié)理和裂隙發(fā)育程度較差，即使較為發(fā)育范圍也較為局限。在－485 m 中段以下，特別是已經(jīng)采準或已經(jīng)開采的采場附近，節(jié)理和裂隙則極為發(fā)育，影響了巖體的工程穩(wěn)定性。在－685 m 及以下，開拓工程剛剛完成，多數(shù)采準工程尚未完成，此時巷道中的節(jié)理和裂隙并不發(fā)育。因此，可以說，多數(shù)節(jié)理和裂隙均是由于采礦工程的擾動、地應(yīng)力重新分布和地壓顯現(xiàn)而產(chǎn)生的?？氐V斷裂是在一對剪應(yīng)力作用下形成的(圖1)，隨著應(yīng)力的多次聚集與釋放，斷裂內(nèi)的引張空間也遞進式地多次張開并順時針旋轉(zhuǎn)，形成反S 型容礦相對運動的滑動線。

圖1 控礦斷裂應(yīng)力狀態(tài)解析Fig.1 Stress analysis of ore controlling fracture

1.2 進路的破壞原因

礦體與圍巖之間的礦巖接觸帶與礦體走向相互平行;同時，與此礦巖接觸帶伴生有多條小節(jié)理、裂隙，造成礦體內(nèi)出現(xiàn)扭曲、透鏡體夾石、溶洞等自然現(xiàn)象，使礦體開采變得復(fù)雜;溶洞變成導(dǎo)水通道;水對圍巖蝕變產(chǎn)物具破壞作用。成礦熱液交代圍巖過程中，產(chǎn)生蝕變礦物，諸如絹云母化、高嶺土化等，呈鱗片狀集合體或顯微脈狀沿礦物裂隙分布;此類蝕變產(chǎn)物在無水狀態(tài)下，使礦體與圍巖緊密接觸;一旦遇水后即泥化，具有滑膩感，致使圍巖與礦體之間無任何黏結(jié)力，一經(jīng)采礦擾動即引起其破壞。水對圍巖蝕變產(chǎn)物的弱化作用是致使采礦二次貧化的主要原因。從上述破壞形態(tài)，進路的破壞主要是垂直應(yīng)力作用的結(jié)果。

2 巖體穩(wěn)定性分級

2.1 巖石力學(xué)性能實驗

礦山開采的Ⅱ號礦體礦石自然類型為含金石英脈型原生礦石，工業(yè)類型隨著深度的變化而變化。為測定礦體圍巖力學(xué)性質(zhì)，分別在－585 m、－635 m、－685 m以及－735 m 水平取樣，每個水平取巖樣5塊，共計取巖樣20 塊，通過在實驗室進行加工，每種巖石加工5 塊巖樣，進行力學(xué)性質(zhì)測試，礦巖物理力學(xué)實驗結(jié)果見表1。

表1 礦區(qū)Ⅱ號礦體巖石力學(xué)實驗參數(shù)Table 1 Rock-mechanics test parameters of ore-bodyⅡin mining area

從礦巖物理力學(xué)實驗結(jié)果可以看出，在正常狀態(tài)下，石英巖脈的強度最高，而圍巖的強度大體趨勢相同，巖石在飽和狀態(tài)下的強度均低于常溫條件下礦巖的強度，可見水對礦巖強度的影響比較大。從此實驗結(jié)果可以看出，在現(xiàn)場圍巖破壞并非煌斑巖的強度低而造成圍巖破壞，而是巖體內(nèi)充填的蝕變物在水作用下的影響。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)確定

巖體的強度介于巖塊強度和結(jié)構(gòu)面強度之間，根據(jù)巖塊力學(xué)實驗室試驗、現(xiàn)場節(jié)理裂隙統(tǒng)計、極限平衡反分析和費先科、霍克－布朗公式，確定的巖體參數(shù)指標(biāo)見表2。

表2 Ⅱ號礦體巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock-mechanics properties of ore-bodyⅡ

對于石英巖(礦)，采用霍克－布朗公式計算:

τ = aσc(σ/σc－ t)b，

式中，σc為完整巖塊的單軸抗壓強度;a、b、t 為經(jīng)驗常數(shù)，根據(jù)巖體質(zhì)量(節(jié)理密度、風(fēng)化程度、質(zhì)量系數(shù))綜合確定。

石英巖的σc= 10 ～13 MPa，根據(jù)巖體質(zhì)量得到的a = 0.346，b = 0.7，t = －0.000 2。相應(yīng)得到τ －σc關(guān)系曲線，最終確定巖體的內(nèi)聚力C =2.20 MPa，內(nèi)摩擦角φ=38°。散體回填物的內(nèi)聚力C =0，為了計算方便，取值0.001 MPa，內(nèi)摩擦角φ=32°。

巖體地質(zhì)力學(xué)(CSIR)分類指標(biāo)值RMR(Rock Mass Rating)由巖塊強度、RQD 值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5 種指標(biāo)組成。用修正的總分對照《CSIR 巖體質(zhì)量分級標(biāo)準》求得所研究巖體的類別及相應(yīng)的無支護地下工程的自穩(wěn)時間和巖體強度指標(biāo)(C，φ)值。RMR 系統(tǒng)主要由下面5 個指標(biāo)組成，滿分為100 分，其值分別為單軸抗壓強度(圍巖)15、RQD 為20、節(jié)理間距20、節(jié)理條件30、地下水15。

依據(jù)RMR 巖體穩(wěn)定性評分，Ⅱ號礦體－685 ～－865 m段礦體總分為52，根據(jù)巖體質(zhì)量分級標(biāo)準的劃分，屬于Ⅲ類巖體，即較破碎，質(zhì)量為差到一般。

3 破碎圍巖礦體巷道支護參數(shù)優(yōu)化

巖體的力學(xué)性能和巖體所處的地應(yīng)力場決定了巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。垂直地應(yīng)力一般大于水平應(yīng)力，兩者隨巷道埋深的增加而增加，其中垂直應(yīng)力σv=γH 和埋深H 是線性關(guān)系，埋深超過800 m 時，水平應(yīng)力增加較快，有時超過垂直應(yīng)力而對圍巖破壞起決定性作用。圍巖裂隙發(fā)育而強度較小時，巷道圍巖變形受埋深影響較大，如圖2 所示。

3.1 巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布

Ⅱ號礦體平均埋深標(biāo)高－775 m，地應(yīng)力大，巷道圍巖穩(wěn)定性差，選擇合理的支護參數(shù)，可以預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立物理彈性模型，模擬巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布。

模型的建立根據(jù)摩爾－庫倫破壞準則，其左右邊界為巷道圍巖位移約束，下邊界采用固定約束，上邊界采用σv= 6.2 MPa 垂直應(yīng)力代替上覆巖層重力施加在模型上。

圖2 不同圍巖頂?shù)装逡平逝c巷道埋深的關(guān)系Fig.2 Relationship of roof and floor rates in different surrounding rock with the depth of roadway

巷道未開挖時受原巖應(yīng)力作用，巷道開挖后導(dǎo)致圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移變化，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，得出某礦開拓巷道開挖后的應(yīng)力分布范圍，如圖3(a)所示?？梢钥闯?巷道掘進后，巷道兩幫垂直應(yīng)力較大，容易發(fā)生片幫;巷道頂?shù)装鍨閼?yīng)力減小區(qū)。圖3(b)表明，巷道圍巖位移指向巷道的開挖區(qū)域，且巷道表面位移矢量達到峰值，巷道圍巖松動圈至彈性區(qū)范圍內(nèi)，礦體位移變化較小直至穩(wěn)定;巷道頂板中位移隨高度發(fā)展逐漸減小，巷道頂角與底腳位置位移矢量較大，為控制巷道圍巖變形，應(yīng)加強頂角與底腳錨桿支護。從圖3(c)中可以看出，巷道頂?shù)装寮皟蓭驮谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)都產(chǎn)生了塑性破壞。

圖3 巷道開挖后圍巖應(yīng)力、位移與塑性區(qū)分布Fig.3 Surrounding rock stress，displacement and plastic zone distribution after roadway excavation

3.2 破碎圍巖巷道支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果和彈塑性力學(xué)分析，確定某礦開拓巷道破碎圍巖支護參數(shù)。在開拓巷道采用高強度錨桿、錨索配合壓燕型托梁聯(lián)合支護。巷道支護斷面參數(shù)配置如下:頂板布置2 根φ20 mm×2 000 mm 高強錨桿壓燕型托梁和金屬網(wǎng)，其間排距為600 mm×1 000 mm，巷道頂板與豎直方向成30°角布置2根錨索，其間排距為1 200 mm ×3 600 mm。;巷道兩幫布置3 根 φ18 mm ×2 000 mm 高強度讓壓錨桿壓燕型托梁，間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫底腳錨索與豎直方向成60°夾角布置。支護方案如圖4 所示。

圖4 巷道支護斷面Fig.4 Cross-section of roadway support

4 結(jié) 論

(1)采用巴頓巖體質(zhì)量分類評價方法對某深埋礦山回采巷道圍巖進行合理分類，依據(jù)RMR 巖體穩(wěn)定性評分，Ⅱ號礦體屬于Ⅲ類巖體，即較破碎，質(zhì)量為差到一般。

(2)根據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性分類結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬分析巷道塑性區(qū)分布范圍，高強錨桿、錨索配合燕型托梁壓金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方式。頂板布置2 根φ20 mm×2 000 mm 高強錨桿壓燕型托梁和金屬網(wǎng)，其間排距為600 mm×1 000 mm，巷道頂板與豎直方向成30°角布置2 根錨索，其間排距為1 200 mm ×3 600 mm;巷道兩幫布置3 根 φ18 mm ×2 000 mm 高強度讓壓錨桿壓燕型托梁，間排距為800 mm×1 000 mm，兩幫底腳錨索與豎直方向成60°夾角布置。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可知深埋礦體出礦進路的破壞主要是垂直應(yīng)力作用的結(jié)果。

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