復(fù)雜破碎巷道支護(hù)效果分析與評(píng)價(jià)*

何建元，賈 峰，程繼輝，張明軍

(1.金川集團(tuán)有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100;2.金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū)，甘肅 金昌 737100)

1 引言

金川集團(tuán)有限公司是我國最大的有色采、選、冶聯(lián)合企業(yè)，也是我國最大的鎳鈷生產(chǎn)和鉑族金屬提煉中心。金川龍首礦是我國大型露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，露天坑于1990年7月閉坑后轉(zhuǎn)為地下開采。由于經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，礦區(qū)地應(yīng)力較高，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，流變特性十分顯著，具有巖體復(fù)雜破碎、巖體變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)[1－2];為有效控制巷道變形量，礦山采用了雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)的支護(hù)加固方式。為有效分析評(píng)價(jià)巷道支護(hù)加固效果，礦山在1460m水平回風(fēng)巷道進(jìn)行了錨桿應(yīng)力狀態(tài)和巷道收斂變形規(guī)律監(jiān)測，以探究巷道圍巖流變規(guī)律，判斷圍巖穩(wěn)定性，為礦山巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2 錨固作用機(jī)理及巖體流變特性

2.1 錨固作用機(jī)理

錨固力是指錨桿對(duì)于圍巖的約束力，其是隨著圍巖變形而產(chǎn)生和發(fā)展的。根據(jù)錨桿和圍巖作用力的方向可分為徑向錨固力(包括托錨力和粘錨力)和切向錨固力[3]。其中，托錨力通過托盤對(duì)圍巖施加徑向支護(hù)力，阻止圍巖徑向位移;粘錨力是通過圍巖與錨桿間的粘結(jié)劑的粘結(jié)作用來抑制圍巖變形;切向錨固力為借助于錨桿桿體限制巖體的弱面發(fā)生切向滑移和擴(kuò)展。

巷道圍巖變形分為彈塑性變形和剪脹變形兩個(gè)階段[4]。一般而言，高應(yīng)力構(gòu)造影響下的巖體的碎脹流變現(xiàn)象較為明顯[5]。巷道開挖完成后，錨固圍巖蘊(yùn)含著大量破壞弱面，且已經(jīng)過彈塑性變形階段，產(chǎn)生峰后剪脹變形，呈現(xiàn)低圍壓脆性應(yīng)變軟化現(xiàn)象[6]。峰后圍巖變形主要是由于巖體沿著弱面錯(cuò)動(dòng)剪脹引起的，隨著剪脹變形的逐漸發(fā)展，錨桿產(chǎn)生的徑向力切向力提高了松動(dòng)破碎圍巖的殘余強(qiáng)度，以有效限制圍巖變形，使其處于高應(yīng)力條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。一般而言，圍巖剪脹變形越大，錨桿的徑向和切向的錨固力越高。假設(shè)單元體膨脹率大于0.004時(shí)，進(jìn)入剪脹變形區(qū)。錨桿錨固圍巖的峰后剪脹變形分析如圖1所示。

圖1 錨固圍巖峰后剪脹變形分析

這里以巷道圍巖峰后剪脹變形模型為基礎(chǔ)，將錨桿錨固作用均勻的分布到圍巖中，則在支護(hù)錨固范圍內(nèi)，每一個(gè)微小的單元體都是通過“單位錨桿”來加固;假設(shè)錨桿間排距分別為l、s，錨桿直徑為d，則單元體上的“單位錨桿”為。錨桿錨固力可用式(1)、式(2)表示。

(a)徑向錨固力σbr:

式中，E為錨桿桿體的彈性模量;[σ]為錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度。

式中，G，[τ]為錨桿桿體的抗剪模量和抗剪強(qiáng)度;ε為單元體錯(cuò)動(dòng)程度，對(duì)于某一類巖石ε與α有函數(shù)關(guān)系，ε=f(a)，f反映了巖石本身的屬性。

2.2 巖體流變特性

巖石流變特性是巖石與時(shí)間因素有關(guān)的變形、流動(dòng)和破壞的規(guī)律，即巖石的時(shí)效性，包括巖石的蠕變、松弛和彈性后效等。由于巖石的流變性質(zhì)，在外界載荷的長期作用下，巖石物理力學(xué)參數(shù)將產(chǎn)生一定程度的時(shí)間效應(yīng);其中巖石強(qiáng)度和彈性模量皆為隨著時(shí)間的延長而呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，從而引起巖石強(qiáng)度指標(biāo)如內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等發(fā)生弱化現(xiàn)象，造成巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不斷損傷，工程中宏觀表現(xiàn)為圍巖的變形失穩(wěn)破壞。

通過巖石流變?cè)囼?yàn)可以為建立流變模型、揭示流變機(jī)理提供參考依據(jù)，進(jìn)而為工程圍巖變形失穩(wěn)控制奠定理論基礎(chǔ)。目前巖石蠕變?cè)囼?yàn)是巖石流變特性研究最常用、最廣泛的方法。巖石蠕變特性與圍巖大小存在直接關(guān)系，在低圍壓條件下，表現(xiàn)為衰減蠕變;在高應(yīng)力條件下則為不穩(wěn)定蠕變，最終產(chǎn)生加速蠕變導(dǎo)致巖石的破壞。大量試驗(yàn)研究表明，典型的巖石蠕變曲線可以分為過渡蠕變、等速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段[7]。根據(jù)新奧法現(xiàn)代支護(hù)理論，遵循先柔后剛、先讓后抗的原則，允許圍巖發(fā)生一定程度的變形，因此需要選擇合理的支護(hù)時(shí)機(jī)是取得良好支護(hù)效果的關(guān)鍵之一，而將圍巖控制在穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，而不讓其達(dá)到破壞過程加劇的加速蠕變是較為理想的支護(hù)時(shí)間[8]。

3 現(xiàn)場工程監(jiān)測

3.1 巷道工程監(jiān)測方案

巷道監(jiān)測內(nèi)容為分別采用MGH型錨桿測力計(jì)和JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)進(jìn)行貧礦開采區(qū)域錨桿受力變化規(guī)律和巷道收斂變形規(guī)律監(jiān)測。通過對(duì)錨桿工況的監(jiān)測，及時(shí)掌握錨桿實(shí)際工作狀態(tài)，了解圍巖的穩(wěn)定狀況;同時(shí)結(jié)合位移量測，達(dá)到修正錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)的目的。通過巷道收斂監(jiān)測，了解圍巖和襯砌的變化形態(tài)，可以達(dá)到研究圍巖及支護(hù)的變形發(fā)展規(guī)律、探索支護(hù)效果、評(píng)定工程穩(wěn)定狀態(tài)的目的。

由于受到礦山現(xiàn)場施工條件的限制，選取了1460m水平回風(fēng)巷道作為現(xiàn)場監(jiān)測巷道，在該巷道16行線和28行線處設(shè)置測點(diǎn)，在巷道斷面兩幫和頂板各布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn);該巷道掘進(jìn)過程中采用雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)形式，具有較好的代表性。雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)為:錨桿為Φ18mm螺紋鋼錨桿，長度2.25m，網(wǎng)度 1000mm ×1000mm，梅花形布置;金屬網(wǎng)采用 φ6.5mm鋼筋編制而成，網(wǎng)度 150mm×150mm;噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，雙層總體支護(hù)厚度200mm。測點(diǎn)布置情況和現(xiàn)場監(jiān)測圖如圖2～圖4所示。

圖2 1460m水平測點(diǎn)布置圖

3.2 錨桿應(yīng)力變化規(guī)律分析

各行線錨桿托錨力變化曲線如圖5、圖6所示，其中左幫指靠近礦體一側(cè)的巷道壁。

由圖5、圖6可知，整體而言，各行線錨桿托錨力基本為先降低后逐漸增加趨勢，只有16行和28行線頂板表現(xiàn)為一直下降狀態(tài)。在錨桿應(yīng)力計(jì)安裝初期，通過墊板施加一定的托錨力改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，將圍巖由平面雙向受壓狀態(tài)改變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài)，從而使圍巖環(huán)向抗壓強(qiáng)度得到提高，隨后隨著應(yīng)力的釋放和轉(zhuǎn)移，應(yīng)力值皆出現(xiàn)不同程度的降低現(xiàn)象;然后隨著托錨力的增加，支護(hù)阻力不斷增大，錨桿的支護(hù)作用得到有效發(fā)揮。

由于監(jiān)測區(qū)域距離采場較遠(yuǎn)，受礦體開采影響程度有限，地壓活動(dòng)不太顯著;錨桿當(dāng)前的實(shí)際托錨力整體不足，一般為4～14kN，即錨桿錨固能力的6.67% ～23.33%，只有1460m水平16行左幫來壓更為明顯，最大托錨力34.96kN，達(dá)到錨桿錨固力的58.26%。錨桿基本處于被動(dòng)支護(hù)狀態(tài)，沒有充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力錨桿的主動(dòng)加固支護(hù)作用，因此，改善錨桿安裝工具、提高錨桿預(yù)應(yīng)力以充分發(fā)揮錨桿的阻力作用是改善錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵。這里建議采用錨桿扭矩放大器安裝錨桿，以更好地提高噴錨網(wǎng)支護(hù)的主動(dòng)性和有效性。同時(shí)，為了提高錨桿的預(yù)應(yīng)力，需要配套的錨桿桿體、托盤和螺母等滿足相應(yīng)的剛度要求。當(dāng)前采用的HRB335的Φ18mm螺紋鋼剛度有限，桿體提供的錨固力較低，建議采用剛度較高的HRB400鋼作為錨桿桿體材料，并適當(dāng)提高錨桿直徑。

3.3 巷道圍巖流變規(guī)律分析

各行線的巷道收斂曲線如圖7、圖8所示，其中測線1為巷道兩幫的相對(duì)收斂變形量，測線2為巷道左幫與頂板之間收斂量，測線3為巷道右?guī)团c頂板之間收斂量。

圖7 16行巷道收斂曲線

圖8 28行巷道收斂曲線

根據(jù)圖7、圖8巷道收斂曲線可知，雖然各行線各時(shí)段的收斂速率表現(xiàn)出一定的差異，但整體變化規(guī)律基本一致，即巷道收斂量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，變形速率(曲線的斜率)有減緩的趨勢，這也反映出了金川礦區(qū)巖體的明顯流變特性，同時(shí)也說明了當(dāng)前的支護(hù)方式對(duì)于改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而控制圍巖變形起到了較好的支護(hù)效果。各行線巷道收斂變形情況如表1所示。

表1 各行線巷道收斂變形情況

根據(jù)現(xiàn)場加測得到的位移－時(shí)間曲線，即可以看出各個(gè)時(shí)間段的巷道總收斂變形量、收斂速度及其加速度趨勢等。然而衡量巷道圍巖的穩(wěn)定性情況，除了監(jiān)測變形量外，還需要采用變形速率或變形加速度等判別準(zhǔn)則表示，并參考巖體工程地質(zhì)條件等因素[9]。不穩(wěn)定圍巖的位移速率，其變化規(guī)律基本與典型的蠕變曲線一致，先緩慢減速，然后等速變化，最后加速發(fā)展而致破壞。因此，在圍巖未穩(wěn)定前出現(xiàn)等速過程，則預(yù)示圍巖存在發(fā)生不穩(wěn)定變形的風(fēng)險(xiǎn)，而出現(xiàn)顯著的加速過程則表示圍巖已出現(xiàn)明顯的破壞，需要及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)錨固工作。

我國錨噴支護(hù)規(guī)范中以收斂速率為0.1～0.2 mm/d，拱頂下沉速率為0.07～0.15mm/d作為圍巖穩(wěn)定的標(biāo)志之一。依據(jù)金川礦山巷道前期收斂變形監(jiān)測的實(shí)踐，并參照國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，收斂速率－時(shí)間曲線可以分為3個(gè)階段:(1)急劇變形，收斂速率＞0.25mm/d;(2)減速變形，收斂速率≤0.25mm/d;(3)趨于穩(wěn)定，收斂速率＜0.1mm/d，并最終低于0.02mm/d。見圖 9。

圖9 典型收斂速率－時(shí)間曲線

根據(jù)表1及圖9可以看出，巷道各行線表現(xiàn)為全斷面收斂，且以水平收斂為主，水平方向收斂大于垂直方向收斂，巷道累計(jì)變形量為3.95～8.80mm，平均收斂速率為0.09～0.19mm/d，并且巷道變形已經(jīng)過劇烈變形階段尚處于減速變形階段，部分地段為趨于穩(wěn)定階段，巷道穩(wěn)定狀態(tài)良好，說明礦山采用的雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)的圍巖變形控制效果明顯。

4 結(jié)論

(1)通過錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測表明，錨桿的實(shí)際托錨力整體不足，一般為4～14kN，即錨桿錨固能力的6.67% ～23.33%，只有1460m水平16行左幫最大托錨力34.96kN，到達(dá)錨桿錨固力的58.26%，預(yù)應(yīng)力錨桿的主動(dòng)加固支護(hù)作用沒有得到充分發(fā)揮。

(2)改善錨桿安裝工具、提高錨桿預(yù)應(yīng)力以充分發(fā)揮錨桿的阻力作用是改善錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵;建議采用錨桿扭矩放大器安裝錨桿，同時(shí)，為了提高錨桿的預(yù)應(yīng)力，需要配套的錨桿桿體、托盤和螺母等滿足相應(yīng)的剛度要求。建議采用剛度較高的HRB400鋼作為錨桿桿體材料，并適當(dāng)提高錨桿直徑。

(3)巷道流變特性明顯，且以水平收斂為主，水平方向收斂大于垂直方向收斂;巷道平均收斂速率0.09 ～0.19mm/d，處于減速變形階段，累計(jì)收斂量仍然呈現(xiàn)緩慢上升狀態(tài)，但變形速率有減緩趨勢。綜合而言，巷道整體穩(wěn)定狀態(tài)良好，礦山采用的雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)取得了較好的支護(hù)加固效果。

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