金屬礦山深部巷道穩(wěn)定性測試與分析

張鵬強，李 鳳，朱大銘

(1.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100；2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌 737100)

礦山深部原巖所處的各向異性原巖應力場環(huán)境是引起巖體破壞的根本潛在因素，隨著礦山開采深度的增加，地應力值和分布狀態(tài)都會發(fā)生明顯變化，深部巷道及采場的收斂變形機理與淺部區(qū)別較大，這種區(qū)別的根源在于巖石所處的應力環(huán)境以及由此導致的巖體力學性質的變化，淺部表現(xiàn)為彈性變形的巖石在深部會表現(xiàn)為彈塑性或塑性變形特征。因此，深部巷道圍巖松動圈的分布范圍和分布特征較淺部更加復雜，而準確掌握松動圈的范圍和特征對深部巷道支護技術的發(fā)展至關重要。深部高地應力環(huán)境下的巷道支護，除了考慮巖石強度性質和巖體結構外，還應重視巷道所處的應力分布特征和因掘進造成的次生斷裂結構面的影響[1，2]，更加強調圍巖峰后破壞巖體殘余強度的利用。這些支護理論和技術的發(fā)展和應用都要基于準確測定巷道松動圈的范圍和特征。目前，國內外針對松動圈的測試方法主要有滲流法、地震聲學、超聲測井方法、深基點位移計測量方法等，但各種測試方法的特征和適用條件有所不同。本文針對金川二礦區(qū)深部巷道松動圈的測定問題，在現(xiàn)有測試方法的基礎上將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結合，在獲取實測數(shù)據(jù)的同時分析其分布和變化規(guī)律，為深部巷道支護技術的發(fā)展和推廣應用提供科學的預判依據(jù)。

1 金川礦山深部巖體現(xiàn)狀

金川礦山工程地質條件極為復雜，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育并呈現(xiàn)出明顯的高地應力強流變特性。研究結果表明金川礦區(qū)以水平應力為主，轉入深部開采后水平應力隨開采深度增加呈線性增長趨勢，水平最大主應力與最小主應力的差值也隨之增大，即剪切應力增大，巷道失穩(wěn)破壞現(xiàn)象加劇。目前，金川二礦區(qū)開采深度已達1000m以上。據(jù)統(tǒng)計，二礦區(qū)井下巷道返修量由1999年的3200m急增至2017年的15617m，并且還有進一步增加的趨勢，隨之而來的是巷道維護費用的大幅增加，對深部資源的經濟性開采已經產生了比較嚴重的影響。因此，準確測定深部裸露巷道松動圈的范圍和分布特征，對促進巷道支護技術的改進具有深遠的影響。

金川礦山科研成果普遍表明[3-7]，其井下巷道變形規(guī)律表現(xiàn)為：巷道分布位置和橫斷面具有變形特征的差異性；巷道變形的時間效應十分顯著；巷道變形量大；變形破壞的巷道分布范圍廣；深部巷道圍巖變形收斂值與其附近軟弱巖層的厚度有關等。本文根據(jù)金川礦山巷道變形規(guī)律，對二礦區(qū)深部開采工程上盤分斜坡道松動圈范圍和分布特征通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測量相結合的方法進行確定，為深部巷道支護技術改進提供參考。二礦區(qū)深部開采工程上盤分斜坡道巷道凈斷面尺寸為4.0m×4.0m（寬×高）。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 力學模型

數(shù)值模擬采用三維有限元軟件，選擇莫爾庫倫（Mohr-Coulomb）塑性模型[8]，該理論認為巖石的破壞是由剪應力引起，而且?guī)r體所受的正應力與剪應力之間存在下列的函數(shù)關系。

式中，τ為巖體所受到的剪應力；σ為巖體所受到的法向應力，即正應力。

莫爾庫倫（Mohr-Coulomb）準則是一系列極限莫爾圓的包絡線，見圖1。該本構模型表明，在莫爾應力圓到包絡線上及包絡線以外則巖體發(fā)生破壞，在包絡線以內巖體不發(fā)生破壞。

圖1 完整巖石的莫爾庫倫強度曲線

2.2 力學參數(shù)

金川礦區(qū)工程地質與巖石力學研究過程中已經獲得了比較客觀準確的巖石力學參數(shù)[3]，數(shù)值模擬計算所采用的力學參數(shù)見表1。

表1 模擬計算所采用的參數(shù)表

2.3 模型網格劃分

根據(jù)巷道的開挖斷面規(guī)格，并結合實際的巖石力學參數(shù)與選定的破壞理論準則，建立三維有限元模型[4]。巷道斷面為直墻半圓拱，斷面規(guī)格4.0×4.0m。模型網格劃分見圖2。

圖2 模擬巷道開挖形態(tài)圖

根據(jù)實測結果[3,5-7]，金川礦區(qū)地應力以水平應力為主，目前金川二礦區(qū)開采深度1000m的水平應力為45.5MPa，垂直應力為29.4MPa。根據(jù)巖石應力分布特征設置模型邊界條件，對模型四周邊界節(jié)點的x、y、z方向分別設置速度約束，相當于固定支座約束。

2.4 計算結果分析

根據(jù)數(shù)值模擬模型以及所選擇的力學參數(shù)，巷道數(shù)值模擬分析云圖見圖3。模擬計算結論顯示，金川礦區(qū)深部上盤分斜坡道最大主應力為50.3MPa，最大位移為2.95m，剪應力為18.8MPa，最大塑性區(qū)分布于巷道左側幫和底板，巷道的松動圈深度為1.5m-2.95m。

圖3 數(shù)值分析云圖

3 現(xiàn)場測試結果分析

3.1 測點布置

為了研究二礦區(qū)深部開采工程主要巷道松動圈范圍和分布特征，選擇其上盤分斜坡道工程為實測對象，并在上盤分斜坡道合理位置布置3個測點，見圖4。

圖4 現(xiàn)場測試點布置圖

3.2 測試方法

現(xiàn)場測試采用武漢中科智創(chuàng)生產的RSM-SY7型超聲波自動循測儀進行單孔測試[9，10]。單孔測試法是利用雙發(fā)探頭在所處鉆孔中測量孔壁滑行波的波速來實現(xiàn)對圍巖破碎情況的判斷。在此過程中利用清水作為耦合劑，沿測試孔徑向每隔0.2m布置一個測點來對整孔進行依次測試。所測得的參數(shù)即為縱波的傳播時間，而后結合兩個接收器之間的距離來求得波速的大小。根據(jù)所選擇的測點位置，每個測點布置8個測試孔，測試孔深3m，測試孔布置方式見圖5。

表2 各測試孔松動圈深度及聲速測試表

3.3 測試結果

根據(jù)每個測試孔中聲速在探頭入孔深度不同位置時接近于水中速率值的原理來確定測試孔松動圈的深度，即證明該處圍巖裂隙較其它部位發(fā)育。現(xiàn)場布置的各測點得出的松動圈深度及聲速見表2，各測試孔松動圈深度變化折線圖見圖6，由表2和圖6可以看出，4、6測試孔松動圈深度最大，達到2.85m，即巷道左側幫和底板的松動圈發(fā)育程度最高，從現(xiàn)場測試的結果分析，目前金川礦山采用的長2.25m的錨桿已無法滿足深部巷道支護的需要。因此，必須針對深部巷道圍巖松動圈的實際特征進一步改進支護技術、優(yōu)化支護參數(shù)，以滿足深部巷道支護的需要。

松動圈測試結果表明，巷道底板松動圈發(fā)展程度較大，其深度均超過了1.5m。由此說明，巷道兩幫和底板圍巖中的塑性區(qū)已基本貫通，在高地應力作用下巷道兩幫圍巖會向臨空面產生較大移動，進而擴大該區(qū)域的松動圈范圍，在遠場應力的持續(xù)作用下最終發(fā)生塑性滑移而導致巷道整體破壞。

從現(xiàn)場測試結果研究表明，在各測點布置的4和6號測試孔松動圈深度較大，最大達到2.85m；從數(shù)值模擬分析結果表明，巷道松動圈范圍主要位于巷道左側幫和底板，松動圈深度為1.5m-2.95m。因此，本次數(shù)值模擬研究結果與現(xiàn)場測試基本吻合，同時也驗證了數(shù)值模擬研究結果在金川礦區(qū)深部巷道研究中的可行性。

5 結論

金川二礦區(qū)深部開采工程上盤分斜坡道為主要的運輸巷道，承擔著深部開采基建施工廢石和礦石運輸任務，人員、車輛通行量大，運輸任務繁重，設計采用雙層噴錨網支護，錨桿為Φ22mm滾壓直螺紋錨桿，長2.25m。通過巷道松動圈深度和分布特征數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試分析研究，得出以下結論。

（1）數(shù)值模擬分析結果表明，金川礦區(qū)深部巷道松動圈范圍較大的部位集中在巷道的左側幫和底板，深度達到1.5m-2.95m。

（2）現(xiàn)場測試結果表明，金川礦區(qū)深部巷道松動圈范圍主要位于巷道兩幫和底板，深度為1.1m-2.85m。

（3）通過研究表明，驗證了數(shù)值模擬在金川礦區(qū)深部巷道松動圈確定中的可行性。

（4）從數(shù)值模擬研究結果可以看出，金川礦區(qū)深部巷道底臌現(xiàn)象明顯，今后在深部巷道的支護研究中還應該重點探究經濟、合理的巷道底板封底加固措施。

（5）數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試結果表明，金川深部巷道圍巖松動圈深度以兩幫及底板為最大且超過了2.95m，頂板次之，這表明目前所采用的2.25m錨桿長度已無法滿足深部巷道支護的需要，應在后續(xù)的研究中根據(jù)支護需要，進一步優(yōu)化支護參數(shù)，確定合理的錨桿長度。

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