井下高應力膨脹破碎軟巖巷道穩(wěn)定性措施研究與應用

張 虎，王 成，楊曉東，李 強，許道學

（赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024039）

高應力膨脹破碎軟巖巷道支護一直是巷道支護領(lǐng)域的難題，到目前為止，仍然沒有從根本上解決。赤峰柴胡欄子金礦地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷層分布廣泛且其巖體多具有松軟、破碎、膠結(jié)差，遇水易崩解發(fā)生軟化，屬于典型的高應力膨脹破碎軟巖。遇水易崩解發(fā)生軟化后體積急劇膨脹，產(chǎn)生較大的膨脹壓力，使得巷道產(chǎn)生大變形。

該礦山經(jīng)歷由淺入深的發(fā)展過程，隨著由淺到深地壓也越來越大，在該類圍巖中掘進巷道時，頻繁發(fā)生冒頂和片幫等現(xiàn)象，造成該類巷道支護困難。針對該類巷道的支護，柴胡欄子金礦原采用傳統(tǒng)的澆筑混凝土支護方式，但這種支護方法存在成本高，勞動強度大，作業(yè)流程復雜，作業(yè)周期長，安全隱患大等問題。采礦生產(chǎn)過程中的爆破振動，會使得原本變形的巖體發(fā)生進一步的損傷變形，加劇巷道的變形破壞。赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦高應力軟巖巷道穩(wěn)定性措施研究需要從爆破參數(shù)優(yōu)化及支護方式兩個方面進行。

1 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦目前采用的裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥。爆破時選擇不耦合裝藥的結(jié)構(gòu)，能有效降低爆破的地震效應，也可以有效的降低爆破時炮孔內(nèi)部產(chǎn)生的初始沖擊壓力，實際上就是利用炮孔內(nèi)部的剩余空間作為爆破沖擊波的緩沖層，能削弱沖擊波波峰壓力，進而減少爆破地震效應。赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦進行開采爆破設(shè)計時，全部推廣應用用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)來進一步降低爆破的地震效應。

2 巷道支護優(yōu)化

2.1 軟巖巷道變形機制

在特殊環(huán)境下，高應力軟巖巷道的變形機制相對較復雜，容易發(fā)生明顯的塑性變形，其原因有很多種。經(jīng)過實踐研究與理論分析得到，軟巖的變形機制主要有以下三種：物化膨脹性、應力擴容性、結(jié)構(gòu)變形型。

2.2 軟巖巷道支護原理

因高應力軟巖巷道具有塑性變形的特點，所以在支護過程中，必須要考慮其巨大的塑性能，軟巖巷道在支護過程中需要釋放出塑性能。假設(shè)巷道開挖后圍巖受到的合力：

式中：FT—開挖后促使圍巖受到的合力，N；FD—塑性能轉(zhuǎn)化的工程力，N；FR—圍巖自身承載力，N；FS—支護工程力，N。

一般軟巖自身承載能力較小，即FR較小，導致FT-FD要大于FR，需要對軟巖巷道進行支護，使得FR+FS大于FTFD，此時巷道趨于穩(wěn)定。需要選取合適的支護時間和變形能釋放的時間。軟巖巷道的支護需要做到以下兩點：

（1）最佳的支護時間和時段。最佳支護時間是指同時使圍巖自身承載力和變形能轉(zhuǎn)化的工程力最大的支護時間，支護時段一般是在最佳支護時間的附近時段。

（2）關(guān)鍵部位的耦合支護。對關(guān)鍵部位耦合支護主要是指對影響軟巖巷道支護效果的關(guān)鍵部位進行耦合支護，包括支護體和圍巖的耦合支護。

2.3 赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦井下高應力軟巖巷道支護變形分析

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司高應力軟巖巷道目前多采用工字鋼支護方式進行支護。

隨著開采的進行，因受到采動支撐壓力的影響，部分巷道多出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，工字鋼彎曲變形程度較大，巷道斷面收斂量較大。

在不改變赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司高應力軟巖原有巷道支護設(shè)計上，可以從三個方面提高支護的穩(wěn)定性：

①提高圍巖強度；②改善支架受力情況；③改善支架結(jié)構(gòu)。

2.4 改善的支護方式

針對赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦高應力軟巖巷道的地質(zhì)條件和巷道變形破壞的特征，以及上述對原有支護穩(wěn)定性的分析，可在巷道底部對U型鋼棚壁后充填來增加反拱支護的方式，實現(xiàn)高應力軟巖巷道支護。利用U型鋼支架代替原有的工字鋼，充填加固原有的松散礦巖，完成關(guān)鍵部位的耦合支護。將其與原有的體系進行比較，在巷道底部對U型鋼棚壁后充填來增加反拱支護的方式優(yōu)點如下：

①加大了圍巖的承載能力：充填加固了松散破碎的圍巖，把圍巖變成整體，使圍巖的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角得到了提升，同時又將圍巖中原有的裂隙進行了封閉，巖體強度得到了明顯的提高。②更加合理化的支護結(jié)構(gòu)：U型鋼采用拱形的頂部鋼梁，它的承載能力比工字鋼的水平橫梁要大，發(fā)生彎曲變形的幾率較小，同時利用反拱支護解決高應力區(qū)內(nèi)巷道出現(xiàn)底鼓問題。③耦合支護：U型鋼壁后充填支護方式使得支架與圍巖的接觸更為良好，耦合支護避免了支架局部受力的情況，提高了支護的整體性，因此穩(wěn)定性會更好。

經(jīng)過近1年的成熟應用，開采爆破設(shè)計時裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥來進一步降低爆破的地震效應，采用U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護方式來解決峰柴礦公司井下高應力膨脹破碎軟巖巷道穩(wěn)定性。

3 經(jīng)濟效益分析

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦自2016年3月開始在3#盲豎井八中段、3#盲豎井九中段、3#盲豎井十中段經(jīng)過15月時間的高應力膨脹破碎軟巖巷道裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥、U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護方式成功實施后，赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司每年要穿過高應力膨脹破碎軟巖巷道2.2×2.35m的巷道120m，2.6×2.4m的巷道150m，4.0×3.0m的巷道100m。

（1）采用裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥、U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護方式，使3#盲豎井八中段、3#盲豎井九中段、3#盲豎井十中段縮短建設(shè)工期98天，帶來的間接經(jīng)濟效益也是非常明顯的。

（2）高應力膨脹破碎軟巖巷道裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥、U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護方式已在赤峰當?shù)夭糠值V山推廣應用，得到施工單位的高度評價，社會效益顯著。