陸榮昊
(江西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,江西 南昌 330095)
在我國(guó)礦產(chǎn)資源持續(xù)開采過(guò)程中,礦井生產(chǎn)面臨著越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)條件,開采期間面臨著越來(lái)越大的巷道圍巖控制難度。為在礦山掘進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程中更有力的維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性,本文重點(diǎn)探討對(duì)圍巖穩(wěn)定情況產(chǎn)生影響的相關(guān)因素,圍繞某礦山巷道,結(jié)合實(shí)際情況分析此巷道圍巖的穩(wěn)定性分析方法,基于分析結(jié)果提出控制圍巖變形﹑提升穩(wěn)定性的支護(hù)措施,為相關(guān)工程提供一定參考。
在巷道掘進(jìn)期間,圍巖如果缺乏足夠穩(wěn)定性,將直接影響作業(yè)安全以及掘進(jìn)效率,而實(shí)踐中會(huì)有諸多因素干擾圍巖穩(wěn)定性,包括內(nèi)部地應(yīng)力,還有圍巖多項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì),乃至具體參數(shù)均會(huì)干擾圍巖穩(wěn)定。其中地應(yīng)力穩(wěn)定與否,和地應(yīng)力其大小息息相關(guān),同時(shí)采礦工藝以及掘進(jìn)施工過(guò)程也都會(huì)產(chǎn)生一定影響,并且巷道和周邊巷道相互關(guān)系及彼此影響作用﹑圍巖斷面的形狀﹑大小等,也都干擾著穩(wěn)定性。除此以外,圍巖兩幫強(qiáng)度高低﹑底板強(qiáng)度高低以及頂板強(qiáng)度高低﹑巖塊結(jié)構(gòu)和相關(guān)斷層的面積大小﹑強(qiáng)度高低也會(huì)干擾圍巖穩(wěn)定情況,巖體若存在變形問題,其變形度﹑變形結(jié)構(gòu)還有充填以及風(fēng)化侵蝕等也會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響,圍巖穩(wěn)定程度還受制其與地下水及斷層﹑時(shí)間等因素之間的相互作用力影響。
對(duì)于一個(gè)巷道來(lái)說(shuō),其圍巖穩(wěn)定性與強(qiáng)度會(huì)很大程度上受到圍巖物理力學(xué)性質(zhì)影響。在對(duì)巷道進(jìn)行類別劃分期間,往往將圍巖強(qiáng)度視作標(biāo)準(zhǔn),選擇單軸抗壓圍巖強(qiáng)度系數(shù)(單位為MPa),其既涉及到頂板強(qiáng)度,還關(guān)系到兩幫強(qiáng)度,同時(shí)頂板包含兩部分,也就是直接頂還有基本頂。巷道圍巖是否有變形問題,或者變形程度高低,或者受破壞度等,都和頂板圍巖其強(qiáng)度高低密切相關(guān),頂板圍巖其強(qiáng)度以及穩(wěn)定性和破壞及變形保持著負(fù)相關(guān)關(guān)系,也就是破壞與變形會(huì)在強(qiáng)度﹑穩(wěn)定性上升過(guò)程中趨于下降,這種情況下的圍巖具有越高穩(wěn)定性;若相反,圍巖保持著非常低的強(qiáng)度,就會(huì)使圍巖整體穩(wěn)定性比較差[1]。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)圍巖強(qiáng)度,還要注意客觀了解巖體所具備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),重點(diǎn)基于圍巖強(qiáng)度,不能只看巖塊強(qiáng)度,這是由于圍巖強(qiáng)度受影響因素更多,包括巖體屬于哪種結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度高低情況等等。
所謂地應(yīng)力也就是巷道原巖地應(yīng)力,在巷道施工過(guò)程中,此因素會(huì)較大程度影響著巷道穩(wěn)定程度。其中,地應(yīng)力既涉及到水平地應(yīng)力,還涵蓋了垂直地應(yīng)力,前者還分為最大以及最小的地應(yīng)力。針對(duì)垂直地應(yīng)力,其主要受制于巷道的埋深還有上方所覆蓋地層保持的容重,而水平地應(yīng)力在受制于這兩項(xiàng)因素基礎(chǔ)上,還受制于地質(zhì)構(gòu)造情況。
一方面,圍巖穩(wěn)定情況和地應(yīng)力兩者呈負(fù)相關(guān),也就是圍巖其穩(wěn)定程度會(huì)在地應(yīng)力持續(xù)升高背景下不斷變差,而若圍巖其狀態(tài)具有一定彈性,并且同步圍巖雖有變形,不過(guò)不具有很大變形量,那么巷道埋深﹑變形量這兩項(xiàng)會(huì)建立線性關(guān)系。針對(duì)在均勻地應(yīng)力場(chǎng)中所分布的圓形巷道來(lái)說(shuō),如果圍巖應(yīng)力高出極限值,并有塑性變形問題出現(xiàn),此時(shí)原巖應(yīng)力和圍巖變形量?jī)烧呖赏ㄟ^(guò)一定關(guān)系式來(lái)表示相互關(guān)系,所以如果圍巖受到破壞,原巖應(yīng)力以及圍巖變形量會(huì)保持冪指數(shù)關(guān)系[2]。如果圍巖保持著較低強(qiáng)度,同時(shí)內(nèi)摩擦角也不大,會(huì)出現(xiàn)非常明顯的圍巖變形問題。不過(guò)在實(shí)踐中,巷道圍巖有著非常復(fù)雜的變形以及破壞過(guò)程,利用相關(guān)理論只能對(duì)其定性的進(jìn)行分析和說(shuō)明。水平地應(yīng)力﹑垂直地應(yīng)力兩者比值被稱作側(cè)壓系數(shù),該數(shù)值也會(huì)較大程度影響圍巖穩(wěn)定性,若側(cè)壓系數(shù)和巷道寬高比相接近,此時(shí)巷道圍巖一般保持較好穩(wěn)定性。如果側(cè)壓系數(shù)和寬高比相比無(wú)論是更大還是更小,均反映出圍巖整體穩(wěn)定情況不佳。
另一方面,圍巖所保持的穩(wěn)定情況還受制于水平地應(yīng)力以及掘進(jìn)方向這兩項(xiàng)因素所保持的夾角,通常如果這兩者的夾角是90°,那么圍巖將嚴(yán)重缺乏穩(wěn)定性,破壞幾率非常大,而若兩者夾角接近于0°,那么圍巖將具備非常好的穩(wěn)定性。而如果是水平應(yīng)力其最大值足夠大,可造成圍巖直接受損,那么此時(shí)巷道穩(wěn)定與否會(huì)直接受制于掘進(jìn)方向這一因素。此時(shí)通過(guò)實(shí)地測(cè)量,結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),同步對(duì)巷道破壞情況展開多角度評(píng)價(jià),可更清晰的了解這兩者在有不同夾角情況下,巷道實(shí)際破壞情況,準(zhǔn)確掌握穩(wěn)定情況。
一般巷道有差異化的結(jié)構(gòu)形狀,相應(yīng)狀態(tài)下圍巖也會(huì)有差異化的穩(wěn)定程度。獲得最佳穩(wěn)定性,最好使巷道的造型是拱形,如果把巷道設(shè)計(jì)成梯形,亦或矩形,都將降低整體穩(wěn)定性。對(duì)于巷道周邊的斷面來(lái)說(shuō),圍巖層有著越大的尺寸,同時(shí)頂板圍巖層擁有越大跨度,兩幫擁有越高高度,會(huì)在離層構(gòu)造和重力相互應(yīng)力作用下導(dǎo)致兩幫圍巖容易出現(xiàn)重力或者是離層構(gòu)造斷裂問題,或者發(fā)生彎曲變形破壞,進(jìn)而使兩幫圍巖受到破壞,出現(xiàn)變形。在巷道圍巖層的尺寸逐漸增大,跨度不斷增加過(guò)程中,會(huì)使巷道兩幫的頂板圍巖層進(jìn)一步擴(kuò)大離層以及松動(dòng)圈范圍,并使兩幫頂板出現(xiàn)更大的位移變化,降低兩幫圍巖以及頂板穩(wěn)定性。
在采礦過(guò)程中,會(huì)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生采動(dòng)影響,這種影響是直接的。采礦作業(yè)中,巷道與采動(dòng)巷道圍巖保持著不一樣的間距,采動(dòng)工作對(duì)穩(wěn)定性的影響也是不一樣的。此外,圍巖穩(wěn)定程度還和斷層息息相關(guān),采礦施工中,圍巖的斷層﹑巷道雙方實(shí)際水平間距以及不同巷道相互水平梯距離,均會(huì)決定圍巖穩(wěn)定情況受到斷層影響的程度。
巷道掘進(jìn)過(guò)程中往往會(huì)采取破巖工藝,這會(huì)直接影響著圍巖穩(wěn)定性,并且掘進(jìn)中采取差異化的破巖方式,會(huì)產(chǎn)生差異化的影響程度。一般掘進(jìn)中,在破巖環(huán)節(jié)選擇掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè),能更有力的控制圍巖破壞,使其更具穩(wěn)定性,并且選擇光面掘進(jìn)爆破方法,也可保護(hù)圍巖受到擾動(dòng),增加穩(wěn)定性,在爆破方法選擇中,和深孔多藥量相比,淺孔少藥量更有助于促進(jìn)圍巖穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)期間,還會(huì)落實(shí)支護(hù)措施,支護(hù)參數(shù)與具體方案也會(huì)干擾巷道穩(wěn)定,通常支護(hù)密度設(shè)計(jì)值越高,支護(hù)強(qiáng)度比較大,此時(shí)能使圍巖保持更好的穩(wěn)定狀態(tài),并會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生越小的影響。
相比于淺部圍巖,深部巷道圍巖有著更復(fù)雜的地質(zhì)條件,同時(shí)在地應(yīng)力因素影響下,很多圍巖其在淺層部位都屬于穩(wěn)定巖層,而到了深部巷道,就會(huì)發(fā)展成穩(wěn)定性差的軟弱巖層,所以相比之下,深部巷道的圍巖有更高幾率出現(xiàn)弱結(jié)構(gòu)﹑弱面以及弱夾層等。
某礦山主要對(duì)1#礦層的1101工作面進(jìn)行回采,該工作面的走向長(zhǎng)度是1195m,傾向長(zhǎng)度是275 m,工作面的東面緊挨著1103采空區(qū),西面是1098工作面,正在回采中,南面是1101材料斜巷,北面是1101采區(qū)軌道大巷和1101回風(fēng)大巷。受到1103采空區(qū)﹑1098工作面雙向采動(dòng)壓力影響,使得1101材料斜巷的圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形,在回采過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)前方掘進(jìn)施工﹑后方同步維修的狀況,需要對(duì)1101材料斜巷采取加強(qiáng)支護(hù)措施,促使掘進(jìn)以及回采工作能夠安全﹑順利的推進(jìn)。
1101材料斜巷之前已經(jīng)落實(shí)支護(hù)措施,在原支護(hù)方案當(dāng)中,頂板錨桿的長(zhǎng)度是2200 mm,直徑是20 mm,間距和排距都是900mm,分布方向都和頂板保持垂直關(guān)系,在此基礎(chǔ)上配合使用長(zhǎng)度為8200 mm﹑直徑是21.3mm的單體錨索進(jìn)行支護(hù)。對(duì)于巷道兩幫,在落實(shí)支護(hù)措施中,主要選擇左旋螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度是1750 mm,直徑是20 mm,無(wú)論間距還是排距均定為800mm,與頂板錨桿相接近的施工角度是19°,和巷道底板錨桿相接近的施工角度是10°。
1101材料斜巷在掘進(jìn)施工過(guò)程中,由于圍巖綜合強(qiáng)度不高,采動(dòng)過(guò)程中受到多方擾動(dòng)力影響,使得巷道圍巖發(fā)生變形問題,且相對(duì)嚴(yán)重,要對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。因?yàn)橄锏浪邳c(diǎn)位地質(zhì)條件非常復(fù)雜,很難對(duì)圍巖實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè),為分析此巷道圍巖穩(wěn)定性以及受力特征,本文主要通過(guò)數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)模擬分析。此巷道經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察,結(jié)合相關(guān)地址資料,在軟件中先搭建一個(gè)長(zhǎng)方體模型,該長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度是500m,高度是280m,寬度是400m,材料巷道的長(zhǎng)度是500m,高度是3m,寬度是4.1m。在數(shù)值模擬過(guò)程中,巖層的物理力學(xué)參數(shù)可見表1。
表1 數(shù)值模擬中的巖層物理力學(xué)參數(shù)
數(shù)值模擬的主要目的是對(duì)1101材料斜巷其具體的受力特征加以了解,并展開分析,主要記錄和1103采空區(qū)保持不同間距情況下,巷道中間點(diǎn)位其水平應(yīng)力以及垂直應(yīng)力發(fā)生改變的情況,明確變化規(guī)律,具體如圖1。
分析圖1,發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力曲線受到1103采空區(qū)﹑1101工作面以及1098工作面相應(yīng)開采工作影響,曲線先保持降低趨勢(shì),之后開始升高,隨后再次降低。在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持6m間距情況下,相應(yīng)點(diǎn)位的垂直應(yīng)力值驟然下降,從原本的17.6MPa直接降到8.76MPa;在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持18m間距的點(diǎn)位,此時(shí)出現(xiàn)了垂直應(yīng)力最大值,是29.8MPa;在和1103采空區(qū)其礦柱相距36m的點(diǎn)位,此時(shí)垂直應(yīng)力值開始趨于穩(wěn)定,保持在19.0MPa。再看水平應(yīng)力曲線,它雖然和垂直應(yīng)力曲線一樣都保持先降低隨后升高進(jìn)而再降低的變化趨勢(shì),不過(guò)卻和垂直應(yīng)力曲線有著不同的變化規(guī)律,主要表現(xiàn)是其保持著更低的水平應(yīng)力值。在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持6m間距的點(diǎn)位,此時(shí)水平應(yīng)力值出現(xiàn)驟然下降情況,從原來(lái)的13.6MPa下降到8.1MPa;而在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持18m間距情況下,相應(yīng)點(diǎn)位出現(xiàn)最高水平應(yīng)力值,峰值達(dá)到25.1MPa;在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持36m間距的點(diǎn)位,此時(shí)水平應(yīng)力值開始趨于穩(wěn)定,保持在13.2MPa。
圖1 1101材料斜巷的應(yīng)力變化曲線
經(jīng)上述分析,發(fā)現(xiàn)在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持9m至36m間距情況下,1101材料斜巷相應(yīng)區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力區(qū)域,而在和采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持18m間距情況下,相應(yīng)點(diǎn)位的垂直應(yīng)力值還有水平應(yīng)力值都達(dá)到了峰值。綜合來(lái)看,導(dǎo)致1101材料斜巷的圍巖發(fā)生變形問題,主要原因就是高應(yīng)力,所以要著重針對(duì)高應(yīng)力區(qū)域采取支護(hù)優(yōu)化措施,促使圍巖進(jìn)一步增強(qiáng)變形抵抗能力,使圍巖具有更高穩(wěn)定性。
結(jié)合上述數(shù)值模擬分析,并考慮實(shí)際情況,主要面向1101材料斜巷采取以下支護(hù)改進(jìn)措施。
(1)在巷道頂部支護(hù)中,主要選擇左旋螺紋鋼錨桿,長(zhǎng)度是2450mm,直徑是22mm,錨桿排距以及間距都是800mm,每一排分布的錨桿數(shù)量是4根。在和巷道幫部相接近的部位所分布錨桿和巷道的垂直線保持15°角。配合使用單體錨索(長(zhǎng)度是8250 mm,直徑是21.5mm),使錨索間距保持在1.5m,在錨索施工過(guò)程中配合使用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力以及樹脂藥卷,在聯(lián)合作用下使錨索預(yù)應(yīng)力超過(guò)200kN。
(2)在巷道兩幫支護(hù)過(guò)程中,在選擇錨桿基礎(chǔ)上配合使用槽鋼錨索,具體是選用左旋螺紋鋼錨桿(長(zhǎng)度是1600mm,直徑是20mm),所有錨桿在錨固施工過(guò)程中均配合使用樹脂藥卷,每根配三個(gè),錨桿排距以及間距都是800mm,在多向作用下使錨桿所提供預(yù)緊力超過(guò)200kN。支護(hù)施工期間,和巷道頂板相接近的錨桿其施工角度保持在20°,而在和巷道底板相接近的部位錨桿施工角度保持在10°。
(3)經(jīng)上文分析,發(fā)現(xiàn)此巷道面臨著較大的水平受力,在原支護(hù)基礎(chǔ)上,巷道兩幫曾發(fā)生過(guò)較大位移問題,所以,此次加強(qiáng)支護(hù)施工中選擇槽鋼錨索,具體是在利用錨索基礎(chǔ)上固定槽鋼,所用錨索的長(zhǎng)度是5250mm,直徑是21.5mm,相鄰錨索保持1550mm的間距。對(duì)于上位錨索,其和巷道水平線保持20°角,和頂板間距1m;對(duì)于下位錨索,其和巷道水平線保持10°角,并和底板保持0.6m的間距。
為對(duì)上述支護(hù)方案實(shí)施有效性進(jìn)行驗(yàn)證,特在支護(hù)施工之后,針對(duì)一定支護(hù)段監(jiān)測(cè)巷道的圍巖變形情況,監(jiān)測(cè)時(shí)間是60天。經(jīng)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)頂板有著最大的變形量,變形情況最嚴(yán)重,之后是兩幫的收斂量,底板鼓起量有著最小的變形量。
在對(duì)巷道頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)頂板變形量在前20天之內(nèi)保持著線性增長(zhǎng)狀態(tài),頂板變形速率在21天至40天區(qū)間處于不斷增加趨勢(shì),并從23mm上升到100mm,頂板變形量在40天之后保持緩慢增長(zhǎng)狀態(tài),最后趨于穩(wěn)定,保持在110mm??梢?,頂板變形經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段,第一階段有著比較快的變形速率,而在第二階段其變形速率進(jìn)一步加快,到了第三階段變形速率開始逐漸減小,最后保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
在對(duì)巷道兩幫進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中,主要可劃分成兩個(gè)監(jiān)測(cè)階段:第一個(gè)監(jiān)測(cè)階段是在0至41天的時(shí)間范圍內(nèi),此階段兩幫收斂量保持著穩(wěn)步上升趨勢(shì);而在第二個(gè)監(jiān)測(cè)階段,也就是41天至60天時(shí)間范圍內(nèi),這一階段兩幫的收斂量其增長(zhǎng)速度開始放緩,最后保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),穩(wěn)定值是62mm。
在對(duì)巷道底板進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中,也主要有兩個(gè)監(jiān)測(cè)階段:第一個(gè)監(jiān)測(cè)階段是在0至44天時(shí)間范圍內(nèi),此階段兩幫收斂量保持著穩(wěn)步增加趨勢(shì);而在第二個(gè)監(jiān)測(cè)階段,也就是44天至60天時(shí)間范圍內(nèi),此階段兩幫收斂量增長(zhǎng)速度開始放緩,最后保持在穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定值是43mm。
本文結(jié)合某礦山1101材料斜巷進(jìn)行數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)該巷道和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持9~36m間距情況下,相應(yīng)范圍屬于高應(yīng)力區(qū)域,并且間距在18m的點(diǎn)位有著最大的水平應(yīng)力值以及垂直應(yīng)力值,所以高應(yīng)力是影響該巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素。結(jié)合數(shù)值分析和實(shí)際情況,對(duì)該巷道的頂板落實(shí)錨桿錨索支護(hù)措施,對(duì)于巷道兩幫聯(lián)合使用錨桿和槽鋼錨索進(jìn)行支護(hù),在施工中嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,使得錨桿錨索能夠提供較大預(yù)緊力。通過(guò)60天的監(jiān)測(cè),證明落實(shí)上述支護(hù)方案使得圍巖變形得到有效控制,圍巖穩(wěn)定性明顯提升。