某銅礦深部軟巖破碎巷道變形機(jī)制研究

翁占斌 吳 鋒 魏海濤 彭劍平

（1.招金礦業(yè)股份有限公司，山東招遠(yuǎn)265400；2新疆伽師銅輝礦業(yè)有限公司，新疆喀什844000）

由于近年來(lái)大規(guī)模的開采，目前國(guó)內(nèi)大多金屬礦的開采深度已超過(guò)600 m，甚至部分礦山超過(guò)900 m［1-3］。隨著開采深度的增加，軟巖破碎巷道處于高地應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖很容易出現(xiàn)變形失穩(wěn)破壞，給支護(hù)帶來(lái)很大的難題［4］。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖巷道支護(hù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用做了大量的科學(xué)研究，并取得了一系列豐碩的成果。張紅軍等［5-6］針對(duì)圍巖變形規(guī)律和破壞機(jī)制，提出了以“錨注”為核心的“高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿”和“錨注”聯(lián)合支護(hù)方法；柏建彪等［7］針對(duì)深部軟巖巷道應(yīng)力大，變形嚴(yán)重的特點(diǎn)，提出了高水速凝材料注漿的方法加固巷道；張宇旭［7］基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，提出了注漿加固+高預(yù)應(yīng)力錨索的聯(lián)合支護(hù)方法；孟慶彬等［9-10］針對(duì)破碎軟巖巷道變形劇烈，支護(hù)難的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了“錨網(wǎng)索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯(lián)合支護(hù)方案。

伽師銅礦位于新疆省喀什市伽師縣，其礦體賦存于柯坪塔格背斜南翼下第三系下部碎屑巖層中，斷續(xù)延伸長(zhǎng)度16.70 km，由3個(gè)礦段組成。含礦層以淺綠色、棕色中細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主。巖層比較松散，巖體十分破碎，膨脹性較弱，遇水易泥化，穩(wěn)定性較差。目前該礦已開采到深600 m以下，進(jìn)入深部開采階段。由于針對(duì)伽師銅礦的軟巖巷道科研成果較少，缺乏正確的支護(hù)指導(dǎo)和支護(hù)對(duì)策，該礦現(xiàn)有的鋼支架+背板木頭支護(hù)方法，隨著開采深度的增加，不足以滿足巷道穩(wěn)定的要求，出現(xiàn)片幫、冒頂甚至塌方，嚴(yán)重影響礦山開采效率及人員安全。本研究在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬及機(jī)理分析的基礎(chǔ)上揭示了軟巖巷道收斂變形規(guī)律，為礦山支護(hù)提供了理論依據(jù)。

1 巷道變形規(guī)律研究

1.1 監(jiān)測(cè)儀器安裝

（1）數(shù)顯收斂計(jì)。數(shù)顯收斂計(jì)通過(guò)測(cè)量?jī)蓭图绊敯宓奈灰苼?lái)監(jiān)測(cè)軟巖巷道表面位移，安裝示意如圖1所示，圖2為現(xiàn)場(chǎng)讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖。

（2）多點(diǎn)位移計(jì)。多點(diǎn)位移計(jì)通過(guò)不同讀數(shù)的差值來(lái)反應(yīng)軟巖巷道內(nèi)部位移，安裝示意如圖3。

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析

1.2.1 軟巖巷道表面位移變化規(guī)律

巷道表面位移變化監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4中顯示1#斷面的3條測(cè)線在數(shù)值上均表現(xiàn)為收斂，且其收斂速率呈現(xiàn)出緩慢—快速—緩慢的趨勢(shì)；測(cè)線BC、AB和AC的收斂速率分別為0.079 cm/d、0.06 cm/d和0.05 cm/d。圖5中可以看出2#斷面的測(cè)線BC、AB和AC的收斂速率為0.06 cm/d、0.015 cm/d、0.051 cm/d。圖6顯示3#斷面的3條測(cè)線收斂速率呈現(xiàn)出的緩慢—快速—緩慢的趨勢(shì)，其中測(cè)線BC、AB和AC的收斂速率分別為0.057 cm/d、0.059 cm/d和0.03 cm/d，測(cè)線BC與測(cè)線AB表現(xiàn)為穩(wěn)步收斂，而測(cè)線AC變化頻繁，收斂不顯著。

綜上所述，巷道表面位移的收斂速率呈現(xiàn)出緩慢—快速—緩慢的趨勢(shì)，巷道水平方向收斂量大于垂直方向，由于鑿巖爆破的影響，在前期收斂較快，后期趨于穩(wěn)定；鋼支架+背板木支護(hù)方式雖然在一定程度上能夠較好地支護(hù)巷道頂板，但隨著時(shí)間進(jìn)行，巷道兩幫收斂速度會(huì)越來(lái)越快，該方式不能有效保護(hù)兩幫的變形，可能造成嚴(yán)重的安全事故。因此，為達(dá)到最佳的支護(hù)效果，應(yīng)對(duì)兩幫巖體進(jìn)行有效支護(hù)。

1.2.2 巷道內(nèi)部位移變化規(guī)律

每個(gè)鉆孔共布置3個(gè)基點(diǎn)，深基點(diǎn)3.0 m，中部基點(diǎn)2.0 m，淺基點(diǎn)1.0 m，將監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圍巖位移變化規(guī)律如圖7～圖9所示。

由圖7可知，兩幫的位移變化較為明顯，深度為1 m、2 m及3 m處的巖體位移變化平均值分別為1.1 mm、0 mm、-0.2 mm（根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)設(shè)計(jì)原理，測(cè)得的值若為負(fù)值，則說(shuō)明該孔處的巖體向外發(fā)生了移動(dòng)）。圖8顯示不同深度處的巖體位移均較小，深度為1 m、2 m及3 m處的巖體位移變化平均值分別為-0.1 mm、-0.5 mm與0.5 mm，推測(cè)在2～3 m深度之間可能存在斷層結(jié)構(gòu)或該深度范圍為該中段礦巖的松動(dòng)圈范圍。由圖9可以看出，兩幫巖體的位移在深度為1 m、2 m及3 m處的巖體位移變化平均值分別為-0.3 mm、0.3 mm與0.8 mm，表明在1～2 m深度之間可能存在一定的斷層結(jié)構(gòu)或該深度范圍為該中段礦巖的松動(dòng)圈范圍。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯斷層結(jié)構(gòu)，故可以推測(cè)出監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到的位移為松動(dòng)圈導(dǎo)致，綜上所述，可以推測(cè)出礦巖的松動(dòng)圈范圍介于2～3 m之間。

2 軟巖巷道變形規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)圣維南原理，巷道的開挖會(huì)對(duì)周圍3～5倍的圍巖產(chǎn)生一定程度的影響，同時(shí)考慮到模型計(jì)算的速度，因此確定整個(gè)模型的范圍為：垂直巷道走向?yàn)閄方向，沿巷道走向?yàn)閅方向，豎直方向?yàn)閆方向，建立的模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為15.4 m×10 m×28.3 m。采用有限元軟件FLAC3D建立整個(gè)巷道的三維模型。

模型的邊界條件：對(duì)模型的左、右2個(gè)面設(shè)置為X方向的水平位移約束，對(duì)前、后2個(gè)面設(shè)置為Y方向的水平位移約束；計(jì)算中首先進(jìn)行初始化，然后將初始化后的位移和速率清零；由于模型距地表600 m左右，在模型的底部施加水平和豎直方向的約束，同時(shí)對(duì)整個(gè)模型施加自重應(yīng)力場(chǎng)。主要巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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2.2 模擬方案與目標(biāo)

在相同礦井地質(zhì)條件下，模擬地應(yīng)力作用下，拱形與矩形2種斷面巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律、圍巖主應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖最大剪應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖變形規(guī)律等。由于巷道模型對(duì)稱，因此，只分析一半模型即可。模擬方案為軟巖巷道采用矩形設(shè)計(jì)。

2.3 模擬結(jié)果

（1）軟巖巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。圖10顯示了巷道的頂、底板和兩幫均出現(xiàn)了較大的剪切塑性區(qū)。從圖10可以看出巷道塑性區(qū)頂板最大深度為3 m，兩幫的塑性區(qū)深度為3 m，底板塑性區(qū)深度為1.8 m，這與巷道內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果得出的最大松動(dòng)圈3 m相符，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

（2）軟巖巷道圍巖變形規(guī)律。圖11中顯示兩幫向巷道中心移動(dòng)，兩幫的中心處水平位移最大，兩幫的最大移近量為26.07 cm。圖12可以看出巷道的頂板發(fā)生下沉，底板出現(xiàn)局部底鼓，頂板和底板的中心處垂直位移最大，巷道頂板的最大下沉量為23.87 cm，底板上升位移為11.78 cm。計(jì)算結(jié)果相比巷道表面位移變化監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小，表明巷道圍巖實(shí)際情況較為破碎。

綜上所述，巷道的頂、底板和兩幫均出現(xiàn)了較大的剪切塑性區(qū)，塑性區(qū)最大深度為3 m，兩幫向巷道中心移動(dòng)，巷道的頂板發(fā)生下沉，底板出現(xiàn)局部底鼓，頂板和底板的中心處垂直位移最大。巷道兩幫相比頂板的圍巖內(nèi)部位移變化明顯，同一斷面中深度在1 m和2 m處的位移變化量均為負(fù)值（向巷道內(nèi)部移動(dòng)），3 m處位移變化量為正值，經(jīng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯斷層結(jié)構(gòu)，確定礦巖的松動(dòng)圈范圍介于2～3 m之間。

3 軟巖巷道破壞機(jī)理

3.1 巷道圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)

（1）變形量大。由于軟巖巷道具有圍巖應(yīng)力較高、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)完整性差、泥化易風(fēng)化等特征，在支護(hù)強(qiáng)度不足夠大的時(shí)候，巷道圍巖巨大的塑性變形能以及破碎巖體碎脹變形量必須釋放出來(lái)。在巷道變形過(guò)程中，就是能量釋放的過(guò)程，釋放能量必須以巷道變形表現(xiàn)出來(lái)，因此巷道開挖后，巷道變形量較大，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍大，破裂區(qū)、塑性區(qū)半徑大。

（2）初期變形速率大。由于原巖應(yīng)力高，開挖卸荷迅猛，來(lái)壓快，故巷道初期變形速率大，巷道開挖后的初期變形量和變形速率均很大。初期巷道頂板變形速率一般為0.158～0.26 cm/d，巷道兩幫變形速率一般為0.25～0.55 cm/d。

（3）變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)巷道變形規(guī)律分析結(jié)果及變形跡象可知，巷道在初期變形速度很大，變形趨向穩(wěn)定后仍以較大速度持續(xù)流變，且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，其變形具有明顯的時(shí)效性。這種變形表現(xiàn)出蠕變的3個(gè)變形階段：減速蠕變、定常蠕變及加速蠕變。巷道開挖完以后，由于開挖卸荷的影響，導(dǎo)致巷道初始變形比較劇烈。巷道支護(hù)以后，其變形進(jìn)入緩慢變形階段，由于支護(hù)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致變形速率無(wú)明顯降低，巷道繼續(xù)變形，達(dá)到穩(wěn)定變形階段。

3.2 巷道圍巖變形的空間效應(yīng)

巷道來(lái)壓方向多表現(xiàn)為四周來(lái)壓。頂板、低板和兩幫發(fā)生顯著變形和破壞，如不對(duì)頂、底板和兩幫采取有效控制措施，則會(huì)加劇頂、底板和兩幫的變形和破壞。巷道變形規(guī)律表明，4個(gè)月的巷道頂板下沉量為9～25 cm，兩幫的移近量為24～52 cm。巷道圍巖頂板和兩幫區(qū)域空間效應(yīng)示意圖如圖13所示。

4 結(jié)論

（1）巷道兩幫相比頂板的圍巖內(nèi)部位移變化明顯，同一斷面中深度在1 m和2 m處的位移變化量均為負(fù)值（向巷道內(nèi)部移動(dòng)），3 m處位移變化量為正值，經(jīng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯斷層結(jié)構(gòu)，可以推測(cè)出礦巖的松動(dòng)圈范圍介于2～3 m之間。

（2）巷道表面位移的收斂速率呈現(xiàn)出緩慢—快速—緩慢的趨勢(shì)，巷道水平方向收斂量大于垂直方向，由于鑿巖爆破的影響，前期變化較快，后期收斂趨于穩(wěn)定。

（3）數(shù)值模擬表明巷道頂、底板和兩幫均出現(xiàn)了較大的剪切塑性區(qū)，兩幫向巷道中心移動(dòng)，巷道的頂板發(fā)生下沉，頂、底板和兩幫的中心處位移最大，與巷道變形規(guī)律一致。

（4）軟巖巷道具有典型的時(shí)空效應(yīng)，具有變形量大，初期變形速率大，變形時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，巷道來(lái)壓方向多表現(xiàn)為四周來(lái)壓，頂板、低板和兩幫發(fā)生顯著變形和破壞，如果工程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，大范圍非線性流變現(xiàn)象趨于明顯，將對(duì)巷道穩(wěn)定性造成大的影響。

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