非洲某銅礦大斷面深井硐室圍巖穩(wěn)定性分析

鮑偉偉 王貽明 吳愛祥 陳順滿 楊 鵬 王朝壘

（1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；3.中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦,北京，100082；4.中礦資源勘探股份有限公司，北京，100089）

隨著礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，礦山的開采規(guī)模逐漸增大，礦山機(jī)械化水平越來越高，埋藏深且斷面大的硐室在礦山中應(yīng)用越來越廣泛［1］。但深井大斷面硐室由于其埋藏深、斷面大，深部圍巖體表現(xiàn)出明顯的弱軟巖性質(zhì)，在深部高應(yīng)力作用下破壞變形嚴(yán)重，大大增加了其支護(hù)難度［2-3］。因此，對(duì)深井大斷面硐室工程支護(hù)理論及其支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義［4］。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外深井大斷面硐室普遍存在的支護(hù)困難、穩(wěn)定性差的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。董方庭提出的松動(dòng)圈支護(hù)理論認(rèn)為:“圍巖破裂過程中的巖石碎脹力及其造成的有害變形是巷道支護(hù)的主要對(duì)象，在圍巖中發(fā)展的這個(gè)破裂區(qū)即為圍巖松動(dòng)圈”［5］；蔣斌松將圓形巷道圍巖分成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，進(jìn)行非關(guān)聯(lián)彈塑性分析，獲得確定圍巖破裂區(qū)和塑性區(qū)半徑的解析式，依此為巷道的穩(wěn)定性分析以及支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［6］。為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)大斷面硐室圍巖控制難題，肖同強(qiáng)通過研究鑫順煤礦煤倉(cāng)上部卸載硐室變形破壞特征，提出了分區(qū)耦合強(qiáng)力支護(hù)圍巖控制技術(shù)，有效控制了圍巖變形破壞的發(fā)展［7］；陳杰針對(duì)采區(qū)大斷面硐室圍巖的穩(wěn)定性，提出了高強(qiáng)二次錨網(wǎng)索支護(hù)+全斷面注漿加固+底板高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)的大斷面支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好［8］；Sheng-Rong XIE先分析了高應(yīng)力、頂板不對(duì)稱及軟巖對(duì)大斷面巷道穩(wěn)定性的影響，建立大斷面巷道力學(xué)模型，然后提出了頂板桁架、兩幫采用錨桿和高強(qiáng)度螺栓的支護(hù)方法，最后采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)提出的支護(hù)方案進(jìn)行論證，表明提出的支護(hù)方案可行［9］。為解決深部大斷面軟巖硐室急劇變形失穩(wěn)問題，王峰結(jié)合朱集西煤礦工程地質(zhì)條件，提出了錨網(wǎng)索噴耦合支護(hù)技術(shù)［10］。這些理論和實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用為其他深井礦山大型硐室支護(hù)提供了一定的借鑒，但不同的深井地質(zhì)條件決定了硐室支護(hù)方式的不同。

本項(xiàng)目以非洲某銅礦東南礦體1 080 m中段中央配電硐室為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)配電硐室的工程地質(zhì)條件的調(diào)查，結(jié)合該銅礦其他礦體等各類大型硐室的支護(hù)形式，提出了“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并通過彈塑性理論分析出破裂區(qū)的半徑，為支護(hù)參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)。最后在現(xiàn)場(chǎng)布置3組觀測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)采用的支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程地質(zhì)概況

該銅礦位于非洲中部贊比亞銅帶省，交通條件便利，銅儲(chǔ)量較大。東南礦體為該銅礦的3大礦山之一，目前正處于基建時(shí)期。根據(jù)礦山初步設(shè)計(jì)要求，該銅礦東南礦體需要在井下開挖一系列大斷面硐室，其中中央配電硐室為永久性支護(hù)工程，負(fù)責(zé)整個(gè)礦區(qū)井下的供電工程，對(duì)保證礦山的持續(xù)生產(chǎn)和安全生產(chǎn)意義重大。

中央配電硐室的巖性為下盤石英巖，配電硐室寬度為8.9 m，高度為5.3 m，其斷面形狀為三心拱斷面。通過對(duì)配電室的節(jié)理進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，配電室的幫壁如圖1所示，巖石的整體完整性較好，大部分節(jié)理是平行的，并與巷道幫壁相交，則節(jié)理密度為0.73條/m，即1.37 m/條，優(yōu)勢(shì)節(jié)理面有2個(gè)：即傾向和傾角分別為186°∠81°，5°∠85°，且2組節(jié)理不交叉，配電室圍巖穩(wěn)定性較好。硐室無滲水現(xiàn)象，頂板及兩幫較干燥。巖體整體完整性較好，但巷道的走向?yàn)闁|西走向，而其中1組優(yōu)勢(shì)節(jié)理組的走向?yàn)槟掀?°，節(jié)理面對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響不利。

2 硐室破裂區(qū)半徑理論分析

根據(jù)圍巖的受力狀態(tài)，可將硐室周邊的圍巖分為4種狀態(tài)，即破裂區(qū)、松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，其中距離硐室中心最近的為破裂區(qū)，其次為松動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)［11-12］。其中破裂區(qū)對(duì)硐室的穩(wěn)定性影響最大，處于該區(qū)域的圍巖由于受到上覆巖層的壓力和地應(yīng)力的作用發(fā)生碎脹破裂，隨時(shí)可能發(fā)生垮塌，該部分圍巖為支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

2.1 硐室等效半徑計(jì)算

由于該銅礦東南礦體深井大斷面配電室巷道為三心拱斷面，利用解析解對(duì)其塑性區(qū)半徑進(jìn)行計(jì)算極其復(fù)雜，而彈塑性理論計(jì)算硐室的破裂區(qū)只適用于圓形硐室，因此需將三心拱硐室等效為圓形硐室，具體的“等效半徑”如式（1）［13］所示：

式中，R0為等效計(jì)算半徑，m；S為硐室的斷面積，m2。

已知該銅礦東南礦體深井大斷面配電硐室的寬度和高度分別為8.9 m和5.3 m，計(jì)算得到該硐室的凈斷面積為43.01 m2，代入式（1）可得到該硐室的等效計(jì)算半徑為3.70 m，根據(jù)大量的工程實(shí)踐，需對(duì)硐室的等效半徑進(jìn)行修正，因此可采用式（2）［13］對(duì)該硐室的“等效半徑”進(jìn)行修正：

式中，R為修正后的等效半徑，m；K為修正系數(shù)。

根據(jù)硐室的斷面形狀不同，對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)不同，由于該硐室為三心拱，因此，其修正系數(shù)取值為1.1［13］，代入式（2）可得到該硐室修正后的等效半徑為4.07 m。

2.2 硐室破裂區(qū)半徑計(jì)算

如圖2所示為井下圓形硐室的受力情況，根據(jù)彈塑性力學(xué)理論的推導(dǎo)即可得到該硐室的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布的柯西公式［14］，如式（3）、式（4）和式（5）所示：

式中，σθ和σr分別為硐室的的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，MPa；p為等效的豎直應(yīng)力，MPa；r、θ為塑性區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的極坐標(biāo)；a為硐室的等效半徑，m；λ為側(cè)壓系數(shù)；τ為剪切應(yīng)力，MPa。

根據(jù)彈塑性理論進(jìn)行推導(dǎo)，可得硐室圍巖塑性區(qū)半徑Rp的計(jì)算公式如式（6）所示：

式中，?為巖體內(nèi)摩擦角；c為巖體的黏聚力；RZ為硐室圍巖的松動(dòng)區(qū)半徑。

根據(jù)硐室是否進(jìn)行支護(hù)來分析硐室圍巖的松動(dòng)區(qū)半徑RZ。

（1）當(dāng)硐室無支護(hù)抗力時(shí)，則Pi=0，非彈性區(qū)切向應(yīng)力σθ=P，得到松動(dòng)區(qū)半徑RZ的表達(dá)式如式（7）所示：

（2）當(dāng)硐室存在支護(hù)抗力Pi時(shí)，得到松動(dòng)區(qū)半徑RZ的表達(dá)式如式（8）所示：

根據(jù)彈塑性理論及硐室的支護(hù)特點(diǎn)，破裂區(qū)為硐室的重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域，當(dāng)圍巖的臨界拉應(yīng)變值［ε］小于硐室圍巖的徑向應(yīng)變?chǔ)舝p時(shí)，圍巖會(huì)產(chǎn)生破裂區(qū)，使硐室失穩(wěn)。結(jié)合破裂區(qū)巖石的特點(diǎn)，該部分巖體的內(nèi)摩擦角和黏聚力都接近為0。則可得到硐室的破裂區(qū)半徑RL。令上述的εrp與［ε］相等，即可得到式（9）所示的表達(dá)式：

求解上述方程式，即可得到硐室的破裂區(qū)半徑表達(dá)為式（10）所示：

式中，σR和σT分別為彈性區(qū)和塑性區(qū)分界處的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，GPa；μ為泊松比；而σR和σT又可分別表示為式（11）和式（12）：

根據(jù)硐室破裂區(qū)的特點(diǎn)，可得到破裂區(qū)的寬度LP為RL-a。

結(jié)合該銅礦東南礦體1 080 m中段大型中央配電硐室的地質(zhì)情況，其硐室圍巖的物理力學(xué)參數(shù)：彈性模量E=55.13 GPa，泊松比μ=0.31，黏聚力c=4.65 MPa，內(nèi)摩擦角φ=20.6°，密度ρ=2.7 g/cm3，抗拉強(qiáng)度σb=27.6 MPa，硐室埋深h=1 080 m，半徑a=4.07 m。故p=28.577 MPa，側(cè)壓系數(shù)用公式得，λ=0.99，將p、λ及其他參數(shù)代入上述公式進(jìn)行計(jì)算，可得到塑性區(qū)半徑13.38 m，松動(dòng)區(qū)半徑6.22 m，破裂區(qū)半徑6.08 m。故破裂區(qū)寬度Lp=2.01 m，其屬于大松動(dòng)圈［5］。

3 硐室支護(hù)方案確定

結(jié)合該銅礦主礦體和西礦體各類大型硐室的支護(hù)形式，在充分掌握配電硐室圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，確定配電硐室的支護(hù)形式為“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)。其主要的支護(hù)方案如圖3、圖4所示（圖中標(biāo)準(zhǔn)單位為mm），主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）錨桿。巷道頂板和兩幫均采用樹脂錨桿，且錨桿的支護(hù)參數(shù)如下：錨桿的直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm，錨桿網(wǎng)度為1 000 mm×1 000 mm。

（2）錨索。巷道加強(qiáng)支護(hù)采用5.0 m長(zhǎng)的錨索支護(hù)，支護(hù)位置為頂板及兩幫；錨索直徑為15.2 mm，支護(hù)網(wǎng)度：間排距2.0 m，且錨索的方向應(yīng)與巷道壁相互垂直。

（3）鋼筋網(wǎng)。通過對(duì)該銅礦東南礦體配電室的工程地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，局部存在破碎帶，因此，需采用金屬網(wǎng)對(duì)破碎帶區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。金屬網(wǎng)材料為A3鋼，鋼筋直徑為6 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片尺寸為2 400 mm×1 200 mm，搭接長(zhǎng)度不小于200 mm。

（4）噴射混凝土。根據(jù)工程類比法，該硐室應(yīng)噴射的混凝土厚度為50 mm，結(jié)合沖切破壞作用和黏結(jié)破壞作用計(jì)算的噴層厚度［16］，綜合分析認(rèn)為該銅礦東南礦體深井大斷面配電硐室的噴層厚度取為50 mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了保證深井大斷面硐室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有必要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)圍巖的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)分析巷道變形情況，為大型巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)，也可為類似礦山大型硐室工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。根據(jù)配電室的工程地質(zhì)條件，在現(xiàn)場(chǎng)共布置3個(gè)觀測(cè)斷面，分別位于距離配電硐室入口處的10 m、20 m和30 m處，如圖5所示為布置的3組觀測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置示意圖，分別命名為1#、2#和3#測(cè)站，每個(gè)斷面觀測(cè)點(diǎn)均布置表面收斂測(cè)點(diǎn)和多點(diǎn)位移計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖表面的位移監(jiān)測(cè)，該工程中所需布置的表面收斂點(diǎn)布置在巷道的兩幫和頂部，其中巷道兩幫的監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離底板1.5 m高，巷道頂板中心點(diǎn)位于巷道的頂板中心處。如圖6所示為任意一個(gè)斷面的位移收斂測(cè)點(diǎn)布置情況，施工過程中先用風(fēng)鉆沿測(cè)點(diǎn)向圍巖內(nèi)部垂直巷道壁打0.2 m深的鉆孔，然后用樹脂藥卷把測(cè)釘錨固在鉆孔中。在對(duì)巷道圍巖內(nèi)部一定范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需將多點(diǎn)位移計(jì)布置在巷道的頂板及兩幫，其中，頂板的多點(diǎn)位移計(jì)布置在頂板的中心處，兩幫的多點(diǎn)位移計(jì)布置在兩幫上距離巷道底板1.5 m處，內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體布置參數(shù)如圖7所示。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過觀察現(xiàn)場(chǎng)布置的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3#測(cè)站變形相對(duì)較大，這里主要給出3#測(cè)站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，依此對(duì)表面位移和深部位移結(jié)果分析如下。

如圖8所示為3#測(cè)站表面位移測(cè)量結(jié)果，可看出左幫和右?guī)偷淖冃瘟枯^為接近，但兩幫的變形量大于巷道頂板的變形量。巷道頂板的最大移近量為36.5 mm，左幫和右?guī)偷淖畲笠平繛?0.45和28.25 mm。圖9為巷道表面位移的變形速率變形曲線，在巷道支護(hù)后40 d之內(nèi)，巷道頂板和兩幫的移近量均較大，且變化速率大于0.2 mm/d，在40～80 d范圍內(nèi)，巷道表面位移變化速率逐漸減小，其變化速率小于0.2 mm/d，此階段巷道變形處于過渡期；之后巷道圍巖的變形速率逐漸趨于穩(wěn)定。

如圖10所示為3#測(cè)站斷面深部位移變化曲線，深部位移主要包括巷道表面、1.0 m處、2.0 m處和3.0 m處的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，變形較大的仍為巷道表面處，其次為1.0 m處，3.0 m處的位移最小。巷道表面、1.0 m處、2.0 m處和3.0 m處的位移量最大值分別為46.39 mm、39.93 mm、31.29 mm和24.89 mm。且2.0 m和3.0 m處的位移值明顯小于巷道表面和1.0 m深度處的位移值，表明巷道兩幫圍巖的松動(dòng)圈范圍小于2.0 m。

圖11為該銅礦東南礦體大型配電硐室巷道表面及深部位移變形速率曲線，巷道表面位移變化速率最大，其次為1.0 m處位移變化速率，最小的為3.0 m處位移的變化速率。在監(jiān)測(cè)的0～40 d范圍內(nèi)，巷道表面、1.0 m處、2.0 m處和3.0 m處位移變化速率均大于0.2 mm/d；40～80 d范圍內(nèi)，位移變化速率處于過渡時(shí)期，最后位移變化速率趨于穩(wěn)定，表明巷道基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）通過彈塑性理論，將硐室圍巖分為彈性區(qū)、塑性區(qū)、松動(dòng)區(qū)、破裂區(qū)，結(jié)合理論計(jì)算，得到破裂區(qū)寬度LP為2.01 m，屬于大松動(dòng)圈。

（2）結(jié)合理論公式、工程類比法和經(jīng)驗(yàn)公式法，提出了“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的聯(lián)合支護(hù)方案，確定噴層厚度為50 mm；鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)片尺寸為2 400 mm×1 200 mm；錨桿的直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm，錨桿網(wǎng)度為1 000 mm×1 000 mm；錨索長(zhǎng)度5.0 m，直徑為15.2 mm，支護(hù)網(wǎng)度：間排距均為2.0 m。

（3）現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的表面位移和深部位移量都較小，屬于可控的范圍之內(nèi)，且位移變化速率隨時(shí)間變化大幅下降，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，硐室圍巖位移變形得到了有效控制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。