采動(dòng)影響下多構(gòu)造拉底巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

王少勇　曾慶田　武鵬杰　李爭(zhēng)榮　孫偉　朱霆

摘要：拉底巷道在服務(wù)期內(nèi)的穩(wěn)定控制是自然崩落采礦法金屬礦山生產(chǎn)管理中的重要部分。當(dāng)拉底巷道布置在斷層破碎帶區(qū)域，復(fù)雜的構(gòu)造條件會(huì)加劇采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的破壞。為了明晰高應(yīng)力復(fù)雜構(gòu)造條件下拉底巷道圍巖發(fā)生破壞的本質(zhì)原因，通過構(gòu)建采動(dòng)影響下斷層活化滑移力學(xué)判據(jù)，并模擬不同采動(dòng)作業(yè)條件下拉底巷道弱層圍巖的應(yīng)力轉(zhuǎn)移情況，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造條件下拉底巷道破壞原因可歸納為“斷層活化—弱層失穩(wěn)”復(fù)合型破壞機(jī)制。并針對(duì)性地提出了大面積連續(xù)拉底應(yīng)力遷移調(diào)控技術(shù)和以“高強(qiáng)度機(jī)械化濕噴混凝土”為核心的差異化補(bǔ)強(qiáng)精準(zhǔn)支護(hù)技術(shù)，穩(wěn)定性控制技術(shù)推廣以來，拉底巷道圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象明顯減少，圍巖年變形率降低了50 %，巷道返修率由20 %降低至5 %，為類似金屬礦山開展復(fù)雜構(gòu)造條件下巷道圍巖精準(zhǔn)控制提供了工程借鑒。

關(guān)鍵詞：拉底巷道；斷層破碎帶；斷層活化滑移；應(yīng)力遷移；差異化支護(hù)

中圖分類號(hào)：TD32文章編號(hào)：1001-1277（2023）09-0013-08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230903

引 言

普朗銅礦位于云南省迪慶藏族自治州境內(nèi)，礦區(qū)標(biāo)高3 500～4 300 m，是目前已發(fā)現(xiàn)的亞洲最大的斑巖型銅礦之一。其采用自然崩落采礦法開采，年生產(chǎn)能力1 250萬t，已經(jīng)成為中國(guó)地下開采規(guī)模最大的金屬礦山之一。拉底巷道是自然崩落采礦法金屬礦山礦塊連續(xù)崩落及底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要的部分，在其設(shè)計(jì)壽命內(nèi)必須保障安全和暢通［1］。在礦山巷道布置中，部分拉底巷道不可避免地要布置在斷層破碎帶區(qū)域。受采動(dòng)應(yīng)力高、斷層構(gòu)造復(fù)雜及礦巖破碎的影響，普朗銅礦拉底巷道圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，自然崩落采礦法拉底難度大，是國(guó)內(nèi)外罕見的高應(yīng)力、多構(gòu)造、特大型難采金屬礦床。

斷層破碎帶的物理性質(zhì)、斷層填充物的物化特性都直接影響斷層的活化發(fā)展規(guī)律，最終影響拉底巷道的穩(wěn)定性［2］。此外，斷層泥易吸水膨脹使巖體失穩(wěn)，斷層帶巖體強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致冒落。楊括宇等［3］發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶巷道穩(wěn)定性主要受礦體開采與斷層活化共同控制，礦體開采引發(fā)上盤圍巖發(fā)生傾倒滑移破壞，并提出巷道過斷層時(shí)盡量選擇垂直斷層的布置方式，且在斷層區(qū)域要加強(qiáng)支護(hù)。馮興隆等［4］和李爭(zhēng)榮等［5］分別對(duì)過斷層區(qū)拉底巷道的支護(hù)工藝和爆破參數(shù)開展研究，發(fā)現(xiàn)斷層的存在導(dǎo)致中深孔拉底爆破振動(dòng)效應(yīng)影響范圍變廣、持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)拉底巷道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞加劇。郝長(zhǎng)勝等［6］分析多斷層構(gòu)造應(yīng)力下回采巷道變形破壞特征并提出聯(lián)合支護(hù)方案，有效地控制了圍巖變形。但是，自然崩落采礦法開采中拉底巷道受到持續(xù)的采動(dòng)影響，面臨高應(yīng)力、多構(gòu)造、破碎圍巖的惡劣條件，其破壞機(jī)制復(fù)雜。

本文通過構(gòu)建采動(dòng)影響下斷層活化滑移力學(xué)判據(jù)，并模擬不同采動(dòng)作業(yè)條件下拉底巷道弱層圍巖的應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律，明晰斷層區(qū)巷道圍巖的破壞機(jī)制；針對(duì)首采區(qū)采動(dòng)二次應(yīng)力集中顯現(xiàn)和斷層帶圍巖破碎易失穩(wěn)的現(xiàn)狀，提出了大面積連續(xù)拉底應(yīng)力遷移調(diào)控技術(shù)和圍巖差異化精準(zhǔn)支護(hù)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)影響下多構(gòu)造拉底巷道的穩(wěn)定性控制，達(dá)到了安全采礦的目的。

1 開采技術(shù)條件

1.1 高應(yīng)力

普朗銅礦首采區(qū)地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力值為11.60～17.69 MPa。崩落過程中拉底區(qū)域應(yīng)力集中高達(dá)30 MPa，采動(dòng)二次應(yīng)力集中且崩落過程中最大采動(dòng)應(yīng)力是初始構(gòu)造應(yīng)力的2倍以上，高采動(dòng)應(yīng)力不僅導(dǎo)致圍巖弱層失穩(wěn)，同時(shí)也誘使斷層活化滑移。

1.2 多構(gòu)造

普朗銅礦存在5條規(guī)模較大的斷層，將首采區(qū)分割為13塊。斷層附近的巖體非常破碎，特別是斷層交會(huì)區(qū)，巖體愈發(fā)破碎且無自承能力。斷層分布見圖1，主要斷層特性見表1。

1.3 礦巖破碎

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)所使用的礦巖樣品，通常是完整性較好的巖石，不含或極少含軟弱結(jié)構(gòu)面，所得巖石力學(xué)參數(shù)不能完全代表巖體的力學(xué)特性。為此，基于Hoek-Brown準(zhǔn)則得到斷層區(qū)工程巖體力學(xué)參數(shù)，見表2。普朗銅礦斷層區(qū)巖體強(qiáng)度較低、易破碎、抵抗變形能力較差，在采動(dòng)影響下巷道圍巖自承能力較弱，易發(fā)生拉剪變形破壞。

2 采動(dòng)影響下多構(gòu)造拉底巷道破壞機(jī)制

2.1 斷層活化滑移機(jī)理分析

2.1.1 斷層自鎖與活化判別準(zhǔn)則

將普朗銅礦首采區(qū)斷層破碎帶及上下盤圍巖視為一個(gè)系統(tǒng)，斷層活化實(shí)際上是斷層在采動(dòng)影響下，上下盤圍巖沿?cái)鄬用娴南鄬?duì)滑移問題。因此，本文將圍巖對(duì)斷層上盤和下盤的作用等效為滑槽約束［7］，見圖2。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)斷層活化滑移力學(xué)模型開展了大量研究，基于已有斷層滑槽約束力學(xué)模型和直線型莫爾-庫侖準(zhǔn)則，通過斷層應(yīng)力比（側(cè)向應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值）來判別斷層穩(wěn)定性［8］。

當(dāng)斷層面上所受摩擦力小于最大靜摩擦力時(shí)，斷層處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即自鎖狀態(tài)；當(dāng)斷層面上所受摩擦力大于最大靜摩擦力時(shí)，斷層處于相對(duì)滑移狀態(tài)，即活化狀態(tài)；當(dāng)斷層面上所受的摩擦力等于最大靜摩擦力時(shí)，斷層處于極限平衡狀態(tài)，但是極限平衡狀態(tài)極易被打破，故將系統(tǒng)處于極限平衡狀態(tài)認(rèn)定為斷層活化的起點(diǎn)。不同極限平衡狀態(tài)下的斷層應(yīng)力比見式（1）和式（2）。

式中：λ1為第一極限平衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的斷層應(yīng)力比，斷層上盤沿?cái)鄬用鎯A向有向下滑移的趨勢(shì)，而下盤沿?cái)鄬用鎯A向有向上滑移的趨勢(shì)，此時(shí)為斷層系統(tǒng)的第一極限平衡狀態(tài)；λ2為第二極限平衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的斷層應(yīng)力比，斷層上盤沿?cái)鄬用鎯A向有向上滑移的趨勢(shì)，而下盤沿?cái)鄬用鎯A向有向下滑移的趨勢(shì)，此時(shí)為斷層系統(tǒng)的第二極限平衡狀態(tài)；C為斷層內(nèi)聚力（MPa）；σ為斷層在采動(dòng)影響下垂直于單位厚度巖層軸向的應(yīng)力（MPa）；φ為斷層內(nèi)摩擦角（°）；pi為裂隙流體壓力（MPa）。

由此可得：斷層在采動(dòng)應(yīng)力影響下，當(dāng)系統(tǒng)的應(yīng)力比λ∈（λ1，λ2）時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。從而，斷層自鎖的條件為：

當(dāng)系統(tǒng)處于活化狀態(tài)時(shí)，活化條件為：

2.1.2 斷層參數(shù)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

1）斷層傾角。斷層剪切錯(cuò)動(dòng)方位角（α1）是系統(tǒng)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)斷層帶發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)的方位角，其僅與斷層面內(nèi)摩擦角有關(guān)，換算關(guān)系見式（5），二者是斷層的固有屬性。

斷層活化啟動(dòng)后，斷層帶的剪切錯(cuò)動(dòng)行為導(dǎo)致系統(tǒng)的上盤和下盤沿?cái)鄬觾A向發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)。當(dāng)斷層傾角與斷層剪切錯(cuò)動(dòng)方位角相等時(shí)，上盤和下盤相互錯(cuò)動(dòng)的方向與斷層帶剪切錯(cuò)動(dòng)方向是平行的，此時(shí)斷層滑移的可能性最大。

首采區(qū)斷層傾角與斷層剪切錯(cuò)動(dòng)方位角關(guān)系見表3。由表3可知：F2斷層傾角最接近斷層剪切錯(cuò)動(dòng)方位角，斷層活化傾向性較大；F1、F5斷層也存在較大活化傾向性。普朗銅礦5條大斷層傾角均比較接近斷層剪切錯(cuò)動(dòng)方位角，在受到中深孔拉底爆破、聚礦槽爆破等采動(dòng)應(yīng)力時(shí)，斷層易活化滑移，在斷層和拉底巷道交會(huì)區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致巷道圍巖破壞。

2）內(nèi)聚力。將式（1）和式（2）分別對(duì)內(nèi)聚力一階求導(dǎo)可得：

內(nèi)聚力和垂直應(yīng)力均為正值，而內(nèi)摩擦角φ＜2/π，則有λ1C<0，而λ2C>0。隨著斷層面內(nèi)聚力的增加，λ1減小而λ2變大，斷層自鎖條件范圍更廣泛。因此，內(nèi)聚力越大，斷層越穩(wěn)定。而普朗銅礦斷層內(nèi)聚力為3.8 MPa，爆破前后結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力可降低40 %～60 %，爆破后斷層內(nèi)聚力為1.52～2.28 MPa。斷層內(nèi)聚力較小，穩(wěn)定性較差，在采動(dòng)影響下，斷層易活化滑移。

3）裂隙流體壓力。將式（1）和式（2）分別對(duì)裂隙流體壓力一階求導(dǎo)得：

顯然有λ1pi＞0而λ2pi＜0，根據(jù)函數(shù)增減判別準(zhǔn)則，隨著裂隙流體壓力的增加，λ1變大而λ2減小。此時(shí)，斷層自鎖的條件范圍變小，因此，斷層裂隙流體壓力越大，斷層越易活化。普朗銅礦斷層寬0.2～2 m，斷層裂隙主要為碳酸鹽物質(zhì)、圍巖碎塊（屑）及斷層泥充填。同時(shí)地下含水帶分布較廣、降雨頻繁，地表塌陷坑囤積雨水順著裂隙進(jìn)入斷層，斷層泥易吸水膨脹泥化。斷層裂隙流體壓力較大，斷層易活化滑移。

4）地應(yīng)力。將式（1）和式（2）分別對(duì)垂直應(yīng)力一階求導(dǎo)得：

采動(dòng)作用必然導(dǎo)致斷層附加剪應(yīng)力增加或正應(yīng)力減小，這將有可能引起斷層沖擊地壓的發(fā)生。在采動(dòng)影響下，斷層受到的垂直應(yīng)力越大而水平應(yīng)力越小，斷層穩(wěn)定性越差。

5）斷層內(nèi)摩擦角。將式（1）和式（2）分別對(duì)斷層內(nèi)摩擦角一階求導(dǎo)得：

斷層內(nèi)摩擦角越大，斷層越穩(wěn)定。而普朗銅礦斷層內(nèi)摩擦角為33.4°，爆破前后結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角可降低10 %～15 %，爆破后斷層巖體內(nèi)摩擦角為28.4°～30.1°。斷層內(nèi)摩擦角較小，斷層內(nèi)穩(wěn)定性較差，在采動(dòng)影響下，斷層易活化滑移。

2.2 圍巖弱層失穩(wěn)破壞行為

自然崩落采礦法開采步驟包括：①出礦穿脈、拉底巷道掘進(jìn)；②出礦進(jìn)路掘進(jìn)；③中深孔拉底爆破；④聚礦槽爆破。本文利用Flac3D軟件對(duì)前進(jìn)式拉底中的4個(gè)核心工藝進(jìn)行模擬，分析開采過程圍巖弱層的應(yīng)力變化。

1）出礦及拉底巷道掘進(jìn)。隨著出礦穿脈及拉底巷道的施工，首采區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)被打破，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力見圖3。

由圖3可知：隨著拉底巷道及出礦穿脈的施工，模型中拉底層、出礦層穿脈及斷層處應(yīng)力集中，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。在斷層與拉底巷道及出礦巷道交會(huì)位置處顯現(xiàn)出最大的拉應(yīng)力，為1.9 MPa。

2）出礦進(jìn)路掘進(jìn)。出礦進(jìn)路施工完成后，模型中拉底層、出礦層穿脈及斷層處應(yīng)力集中，拉應(yīng)力進(jìn)一步增大?？梢园l(fā)現(xiàn)，在F3斷層與拉底巷道及出礦巷道交會(huì)位置處拉應(yīng)力由1.9 MPa增加到4.2 MPa，說明斷層與巷道交會(huì)處，在采動(dòng)應(yīng)力的持續(xù)影響下，斷層阻隔效應(yīng)增大，應(yīng)力在交會(huì)處不斷累積最終導(dǎo)致斷層活化滑移，巷道弱面失穩(wěn)產(chǎn)生拉伸破壞。

3）中深孔拉底爆破。中深孔拉底爆破階段主應(yīng)力分布見圖4。

由圖4可知：拉底爆破后，拉底巷道圍巖最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力發(fā)生明顯變化，應(yīng)力值顯著增大，模型最大壓應(yīng)力約為63.2 MPa，最大拉應(yīng)力約為8.0 MPa。拉應(yīng)力集中分布在拉底巷道兩幫拱腳處，由于斷層影響，拉底巷道兩側(cè)拱角處拉應(yīng)力并不一致，近斷層側(cè)拉應(yīng)力明顯更集中，破壞更為嚴(yán)重。

4）聚礦槽爆破。聚礦槽爆破作業(yè)后，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力發(fā)生明顯變化，模型最大壓應(yīng)力為64.4 MPa，最大拉應(yīng)力為9.0 MPa。

2.3 拉底巷道復(fù)合型破壞機(jī)制

基于理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬研究，將普朗銅礦采動(dòng)影響下多構(gòu)造拉底巷道破壞機(jī)制歸納為“斷層活化—弱層失穩(wěn)”復(fù)合型破壞機(jī)制（見圖5）。

由圖5可知：采動(dòng)作業(yè)導(dǎo)致拉底巷道圍巖應(yīng)力平衡被打破并重新分布，斷層破碎帶附近首先出現(xiàn)輕微的剪切破壞，誘發(fā)斷層發(fā)生活化滑移；同時(shí)隨著斷層剪切滑移不斷加劇，應(yīng)力在斷層和巷道交會(huì)區(qū)不斷積累并逐漸遷移到兩幫圍巖；拉底巷道兩幫尤其拱腳處拉壓力驟然增大，巷道圍巖出現(xiàn)拉伸和剪切塑性區(qū)，導(dǎo)致弱層圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生拉伸破壞。

3 拉底巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)

3.1 大面積連續(xù)拉底應(yīng)力遷移調(diào)控技術(shù)

3.1.1 大面積連續(xù)拉底應(yīng)力演化機(jī)制

針對(duì)普朗銅礦大面積拉底面臨的應(yīng)力集中問題，為了揭示拉底過程應(yīng)力演化機(jī)制，本文采用Flac3D軟件模擬研究不同拉底方式、拉底推進(jìn)線距離、地應(yīng)力等因素對(duì)拉底應(yīng)力遷移的影響規(guī)律。計(jì)算模型見圖6，模型共計(jì)130 452個(gè)單元和135 808個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1）拉底方式。拉底方式分為前進(jìn)式和后退式2種：前進(jìn)式，拉底先于聚礦槽施工，即進(jìn)行拉底作業(yè)后再完成聚礦槽的作業(yè)；后退式，聚礦槽先于拉底，即先進(jìn)行聚礦槽作業(yè)再進(jìn)行拉底作業(yè)。通過模擬結(jié)果，比較前進(jìn)式和后退式2種拉底方式應(yīng)力遷移規(guī)律，結(jié)果見表4。

由表4可知：二者在進(jìn)行各自的第一步作業(yè)時(shí)，前進(jìn)式拉底最大主應(yīng)力明顯低于后退式拉底，前進(jìn)式拉底更有利于巷道的穩(wěn)定。當(dāng)二者全部完成拉底作業(yè)和聚礦槽開挖后，最大主應(yīng)力值和應(yīng)力集中區(qū)域相差不多；但是當(dāng)拉底推進(jìn)線距離增大到30 m時(shí)，前進(jìn)式拉底方式桃形礦柱上的拉應(yīng)力值及拉應(yīng)力區(qū)域面積明顯低于后退式拉底，應(yīng)力值相差約1倍，區(qū)域面積相差3倍以上。綜合分析，認(rèn)為采用前進(jìn)式拉底方式比較合理。

2）拉底推進(jìn)線距離。前進(jìn)式拉底拉應(yīng)力分布見圖7。由圖7可知：進(jìn)行拉底作業(yè)后，拉底區(qū)域頂、底4個(gè)角的位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)拉底推進(jìn)線距離小于20 m時(shí)，應(yīng)力得不到充分釋放，底部結(jié)構(gòu)整體處于一個(gè)較高的應(yīng)力區(qū)，這時(shí)如果開挖聚礦槽，不利于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。當(dāng)推進(jìn)線距離大于30 m時(shí)，拉底底部在距離推進(jìn)線一定范圍外應(yīng)力得到釋放，此時(shí)進(jìn)行聚礦槽的施工是相對(duì)有利的。因此，聚礦槽開挖應(yīng)該滯后于拉底推進(jìn)線距離30 m左右。

3）地應(yīng)力條件。不同水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)拉底區(qū)域最小主應(yīng)力綜合分析見圖8。由圖8可知：應(yīng)力釋放區(qū)域及頂板拉應(yīng)力區(qū)域，隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大而減小。僅考慮自重應(yīng)力時(shí)，有利于礦石的崩落。拉底空間形成后，拉底頂板將會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉底底部則出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)域。隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大，拉底頂板拉應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，拉底底部應(yīng)力釋放區(qū)域也逐漸減小，有利于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.1.2 多環(huán)節(jié)協(xié)同控制拉底速率模型

自然崩落采礦法的拉底、崩落、出礦是相互協(xié)同、相互影響的，合理的拉底最終是保障礦石品位與礦石量的穩(wěn)定供給。本文以凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)，在考慮礦量目標(biāo)、品位目標(biāo)的基礎(chǔ)上，以拉底速度、穿脈生產(chǎn)能力、出礦生產(chǎn)能力、崩落速度、設(shè)備能力為約束，構(gòu)建了如式（14）所示的基于崩落-放礦-品位控制的拉底速率協(xié)同控制模型，實(shí)現(xiàn)各工藝環(huán)節(jié)的協(xié)同。

3.1.3 連續(xù)拉底應(yīng)力遷移調(diào)控方法

為實(shí)現(xiàn)拉底巷道穩(wěn)定性控制，有效控制動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)拉底、崩落效率及井下巷道的破壞，合理利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)初始崩落和持續(xù)崩落，從拉底順序及方向、拉底推進(jìn)線距離、拉底速度等方面進(jìn)行拉底過程中應(yīng)力的動(dòng)態(tài)調(diào)控。

1）拉底順序與方向調(diào)控。采用雙側(cè)鯡魚形連續(xù)推進(jìn)（見圖9），首采礦塊位于礦體中部礦石品位較高、礦巖破碎的區(qū)域，以雙側(cè)鯡魚形向著最大主應(yīng)力方向從開采區(qū)域中間朝東西兩側(cè)邊界后退式推進(jìn)，提高崩落效率。

2）拉底推進(jìn)線距離調(diào)控。拉底應(yīng)力調(diào)控關(guān)鍵參數(shù)見圖10。為了確保出礦穿脈、聚礦槽等工程的施工始終是在拉底以后的應(yīng)力釋放區(qū)進(jìn)行，減少采動(dòng)應(yīng)力的破壞和誘因作用，確保聚礦槽掘進(jìn)應(yīng)滯后拉底推進(jìn)線至少30 m，生產(chǎn)作業(yè)面應(yīng)滯后拉底推進(jìn)線40～50 m，在確保底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大面積的連續(xù)崩落。

3）拉底速度調(diào)控。適當(dāng)降低開采前期的拉底速度，縮小拉底面積；后期增加拉底速度，避免底部結(jié)構(gòu)上堆積體過大而導(dǎo)致底部結(jié)構(gòu)破壞。

4）拉底巷道布置。將拉底巷道布置為東西向，與最大主應(yīng)力方向平行布置，減小地應(yīng)力對(duì)拉底巷道的破壞。

3.2 圍巖差異化補(bǔ)強(qiáng)精準(zhǔn)支護(hù)技術(shù)

3.2.1 高強(qiáng)度濕噴混凝土+樹脂錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

針對(duì)普朗銅礦高應(yīng)力、斷層活化及礦巖破碎的特點(diǎn)，提出了高強(qiáng)度濕噴混凝土+樹脂錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)［9］。為了實(shí)現(xiàn)以高強(qiáng)度機(jī)械化濕噴混凝土為核心的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，引進(jìn)SPM4210濕噴臺(tái)車。相比于傳統(tǒng)干噴混凝土工藝，機(jī)械濕噴混凝土力學(xué)性能優(yōu)越，28 d強(qiáng)度提升50 %，噴射混凝土回彈率低，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)，支護(hù)作業(yè)效率提升（見表5）。

為了避免補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)利用鐵質(zhì)支護(hù)材料導(dǎo)致出礦口堵塞，運(yùn)礦皮帶破損等問題，研發(fā)了玻璃鋼樹脂錨桿一體化支護(hù)技術(shù)。樹脂錨桿與砂漿錨桿主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表6。由表6可知，相較于原有水泥砂漿錨桿，樹脂錨桿強(qiáng)度大、錨固力提升61.4 %，且樹脂錨桿安裝簡(jiǎn)單方便，極大地提高了支護(hù)效率。

3.2.2 分區(qū)分級(jí)差異化精準(zhǔn)支護(hù)技術(shù)

1）斷層破碎帶巖體質(zhì)量分區(qū)。在傳統(tǒng)巖體質(zhì)量分級(jí)的基礎(chǔ)上，將巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與多構(gòu)造斷層分布相結(jié)合，將普朗銅礦拉底層巖體質(zhì)量分成3個(gè)區(qū)（見圖11），不同分級(jí)區(qū)域的巖體質(zhì)量等級(jí)和斷層分布情況見表7。

2）拉底巷道差異化支護(hù)技術(shù)。根據(jù)拉底層巖體質(zhì)量分區(qū)情況，以機(jī)械化濕噴混凝土+樹脂錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式為核心設(shè)計(jì)差異化精準(zhǔn)支護(hù)方案，不同分級(jí)支護(hù)方案的支護(hù)形式及參數(shù)見表7，巷道斷面支護(hù)見圖12～14。

3.2.3 圍巖補(bǔ)強(qiáng)差異化精準(zhǔn)支護(hù)效果

差異化補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)巷道收斂情況見圖15。通過在首采區(qū)推廣差異化補(bǔ)強(qiáng)精準(zhǔn)支護(hù)技術(shù)，拉底巷道收斂變形速率明顯降低，支護(hù)初期頂板收斂變形由83 mm/月降低為42 mm/月，相比原支護(hù)方法變形量降低了50 %。同時(shí)由于巷道圍巖變形顯著降低，巷道返修率由20 %降低至5 %；由于以往巷道垮冒而無法拉底回采的礦石得到回收，采礦損失率從原來的6.74 %下降至4.65 %，降低了2.09百分點(diǎn)。

4 結(jié) 論

1）揭示了高應(yīng)力復(fù)雜構(gòu)造條件下拉底巷道“斷層活化—弱層失穩(wěn)”復(fù)合型破壞機(jī)制：隨著拉底爆破、聚礦槽爆破等采動(dòng)作業(yè)，采動(dòng)二次應(yīng)力集中顯現(xiàn)觸發(fā)斷層發(fā)生活化滑移，釋放大量的能量，而斷層的活化加劇斷層周邊巷道弱層失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致自身破碎且強(qiáng)度低的斷層區(qū)圍巖在采動(dòng)應(yīng)力和斷層活化的共同作用下失穩(wěn)破壞。

2）開發(fā)了大面積連續(xù)拉底應(yīng)力遷移調(diào)控技術(shù)：采用以雙側(cè)鯡魚形向最大主應(yīng)力方向從首采區(qū)中間朝東西兩側(cè)邊界后退式拉底方向；聚礦槽開挖應(yīng)滯后拉底推進(jìn)線至少30 m；拉底巷道與最大主應(yīng)力方向平行布置，減小采動(dòng)應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力對(duì)拉底巷道的破壞。

3）研發(fā)了以高強(qiáng)度機(jī)械化濕噴混凝土+樹脂錨桿的差異化補(bǔ)強(qiáng)精準(zhǔn)支護(hù)技術(shù)，已在拉底層多條巷道試驗(yàn)和推廣，相比原支護(hù)方法巷道年變形率降低了50 %，巷道返修率由20 %降低至5 %。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］劉華武，馮興隆，吳明，等.普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化模擬分析研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2016，36（5）：28-31.

［2］姜耀東，王濤，趙毅鑫，等.采動(dòng)影響下斷層活化規(guī)律的數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42（1）：1-5.

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Research on the stability control technology of multi-structure undercutting roadway under mining disturbances

Wang Shaoyong1，Zeng Qingtian2，Wu Pengjie1，Li Zhengrong2，Sun Wei3，Zhu Ting4

（1.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing;

2.Yunnan Diqing Nonferrous Metals Industry Co.，Ltd.;

3.Faculty of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology;

4.JCHX Mining Management Co.，Ltd.）

Abstract：The stable control of the undercutting roadway during the service period is an important part of the production management of natural caving metal mines.When the undercutting roadway is arranged in the fault fracture zone，the complex structural conditions will intensify the damage of mining stress to the surrounding rock of the roadway.To clarify the essential reason for the failure of the surrounding rock of the undercutting roadway under the condition of high stress and complex structure，this paper constructs the fault activated slip mechanics criterion under mining disturbances and simulates the stress transfer of the weak layer surrounding rock of the undercutting roadway under different mining operating conditions.It is found that the failure caused by the bottom roadway under complex structural conditions can be summarized as a composite failure mechanism of "fault activation—weak layer instability".The paper correspondingly proposes a large-area continuous undercutting stress migration control technology and a differentiated reinforcement precision support technology centered on "high-strength mechanized wet shotcrete".Since the promotion of stability control technology，the surrounding rock of the undercutting roadway has become unstable phenomenon has been significantly reduced，the annual deformation rate of surrounding rock has been reduced by 50 %，and the roadway repair rate has been lowered from 20 % to 5 %，which provides engineering reference for the precise control of roadway surrounding rock under complex structural conditions in similar metal mines.

Keywords：undercutting roadway;fault fracture zone;fault activated slip;stress migration;differentiated support

收稿日期：2023-05-30; 修回日期：2023-06-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（52130404）;中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2021M691359）

作者簡(jiǎn)介：王少勇（1983—），男，高級(jí)工程師，博士，從事膏體充填理論與技術(shù)研究方面的工作；E-mail：wshy0226@163.com