礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖控制技術(shù)研究

談捷

摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵礦資源的大力開(kāi)采，礦產(chǎn)資源深度不斷增加，礦產(chǎn)淺部資源逐漸枯竭，故而地下硐室開(kāi)采建設(shè)施工也日益増多。然而，由于地下硐室圍巖地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜、構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)較大等不確定因素增加，礦產(chǎn)資源地下硐室穩(wěn)定受到嚴(yán)重影響。大型硐室群的穩(wěn)定性受損，則會(huì)造成一定災(zāi)難，影響礦建工程施工作業(yè)。本文以A礦區(qū)為研究背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)合理論性知識(shí)，對(duì)礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造應(yīng)力和硐室穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：礦建工程;破碎圍巖;硐室圍巖

中圖分類(lèi)號(hào)：TD354 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）14-0062-03

Research on Control Technology of Surrounding Rock in Broken Surrounding Rock Chamber in Mining Engineering

TAN Jie

（Special Engineering Branch of Pangang Group Engineering Technology Co.， Ltd.，Panzhihua Sichuan 617000）

Abstract： In recent years， with the vigorous exploitation of China's iron ore resources， the depth of mineral resources continues to increase， and the shallow resources of mineral resources are gradually depleted， so the construction of underground chamber mining is also increasing. However， due to the increased complexity of the surrounding rock geological conditions of the underground chamber and the relatively large structural stress， the stability of the underground chamber of mineral resources has been seriously affected. Damage to the stability of the large group of chambers will cause a certain disaster and affect the construction operations of mine construction projects. Taking mine A as the research background， this paper systematically studied the stability of the surrounding rock in the broken wall rock chamber in the mine construction project through field survey and theoretical knowledge， and analyzed the geological structure， tectonic stress and chamber stability of the mine area.

Keywords： mine construction engineering;broken surrounding rock;chamber surrounding rock

近些年，我國(guó)鐵礦資源開(kāi)采力度加大，開(kāi)采條件較好的鐵礦資源接近枯竭，人們不得不將鐵礦資源開(kāi)采范圍加深。伴隨鐵礦資源開(kāi)采深度的增加，鐵礦資源開(kāi)采設(shè)備高度趨于機(jī)械化、重型化，導(dǎo)致深度硐室圍巖應(yīng)力相應(yīng)加大，圍巖層內(nèi)部變形嚴(yán)重[1]。本文通過(guò)A礦區(qū)施工的實(shí)際情況，全面分析圍巖層內(nèi)部變形原因。通過(guò)結(jié)合理論知識(shí)及其現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)探究硐室圍巖層變形的主要原因。同時(shí)，根據(jù)變形原因，合理分析圍巖層穩(wěn)定控制的原理，有效提出解決方案，以保證A礦區(qū)圍巖層施工安全高效進(jìn)行。

1 礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖現(xiàn)狀

1.1 礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖背景

我國(guó)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量大，資源種類(lèi)豐富。但是，我國(guó)礦產(chǎn)資源特點(diǎn)是淺部礦產(chǎn)資源少，深部礦產(chǎn)資源較多，導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)礦產(chǎn)資源開(kāi)采成本高、難度較大等問(wèn)題。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要部分，礦產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展關(guān)乎著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)是否穩(wěn)定地向前發(fā)展，因此，我國(guó)高度重視礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)。然而，近幾年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，礦產(chǎn)資源需求量過(guò)大，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)越來(lái)越多，許多開(kāi)采條件較好、易開(kāi)采的淺層資源已經(jīng)接近枯竭。為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，我國(guó)努力探尋新的資源。隨著礦產(chǎn)資源勘測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)不斷向深部發(fā)展，深部礦產(chǎn)資源也不斷被發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采。

1.2 礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖研究意義

近年來(lái)，礦產(chǎn)資源逐步向深部開(kāi)采，礦石的開(kāi)采費(fèi)用隨之增高，開(kāi)采成本日益增加。伴隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源不斷向深部發(fā)展，礦產(chǎn)資源開(kāi)采給周?chē)h(huán)境也帶來(lái)負(fù)面影響，礦產(chǎn)開(kāi)采與生態(tài)發(fā)展相互沖突。在我國(guó)資源保障體系中，深部礦產(chǎn)資源的開(kāi)采占有很大影響。如果大型礦產(chǎn)深部資源依然采用傳統(tǒng)開(kāi)采方式，那么大量的排土場(chǎng)及尾礦庫(kù)將加速生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境的不斷惡化。因此，深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采應(yīng)打破常規(guī)，破舊革新。面對(duì)這些問(wèn)題，本文以A礦區(qū)開(kāi)采工程為背景目標(biāo)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)試等手段，對(duì)深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為以后類(lèi)似深部礦產(chǎn)資源提供參考資源。

1.3 礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖研究?jī)?nèi)容

本文以A礦區(qū)工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行全面系統(tǒng)性分析研究，利用水壓致裂進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，獲得A礦區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)A礦區(qū)硐室圍巖層開(kāi)挖高度穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，為下一階段的工程施工提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

2 深度資源開(kāi)采問(wèn)題分析

2.1 A礦區(qū)硐室圍巖地質(zhì)圍巖穩(wěn)定性差

從現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)來(lái)看，A礦區(qū)位于東南位置，礦區(qū)內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，礫巖層內(nèi)含有裂隙水。該礦區(qū)共發(fā)育5條斷層，區(qū)域構(gòu)造斷裂發(fā)育。A礦區(qū)東南方向地勢(shì)較高，雨季容易形成大面積地表匯水。A礦區(qū)有地表徑流，其走向與山丘間溝谷基本一致。汛期，河水水位暴漲，枯水期，河水流量很少。A礦區(qū)主礦體的頂板主要為鈣質(zhì)黏土、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等，山礦體以疏松塊狀、粉狀為主，比較松軟，穩(wěn)定性差。

2.2 A礦區(qū)硐室圍巖構(gòu)造有效應(yīng)力減小

由于地震的作用，地殼中斷層發(fā)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)斷層的受力特性影響很大。相對(duì)于A礦區(qū)斷層區(qū)域破碎的圍巖來(lái)說(shuō)，地表水有可能通過(guò)各種途徑滲入地殼各部的斷層，地下水滲入斷層的破碎介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生孔隙壓力，使得巖體的有效應(yīng)力減小，有效圍壓降低，巖體有效強(qiáng)度降低。地下水不斷運(yùn)動(dòng)，容易與圍巖巖體結(jié)構(gòu)面中夾雜的物質(zhì)產(chǎn)生水化作用而泥化，不同程度地弱化了巖石的力學(xué)性質(zhì)，減小巖體之間的摩擦力，減小斷層面上的剪切應(yīng)力與巖體強(qiáng)度。同時(shí)，隨著斷層區(qū)域裂隙水壓力的不斷增大，圍巖自重加大，超出原本可承受的范圍，最終引起各種地質(zhì)災(zāi)害。

2.3 A礦區(qū)硐室圍巖變形原因

在A礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中，邊墻變形基本持續(xù)保持增加狀態(tài)。主要原因是邊墻開(kāi)挖，對(duì)頂拱上部圍巖形成明顯的“拱”效應(yīng)，導(dǎo)致圍巖變形減小。這與很多地下硐室群開(kāi)挖過(guò)程中變形的監(jiān)測(cè)規(guī)律基本一致，隨著后期開(kāi)挖的持續(xù)進(jìn)行，頂拱再次出現(xiàn)下沉，但是變形基本保持穩(wěn)定[3]。而硐室開(kāi)挖過(guò)程中，邊墻變形基本上持續(xù)增加，直至開(kāi)挖結(jié)束。隨著開(kāi)挖深度的增加，硐頂切向應(yīng)力將由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力逐漸增大，使得拱頂?shù)膰鷰r應(yīng)力得到一定改善，而拱部剛開(kāi)挖時(shí)，硐室圍巖本身所具有的裂隙或爆破產(chǎn)生的裂隙可能使得不穩(wěn)定性區(qū)域的礦體發(fā)生破碎，致使整個(gè)圍巖硐室遭到變形破壞。

3 硐室圍巖控制方案

3.1 地質(zhì)穩(wěn)定性加固方案

圍巖破碎的回采進(jìn)路進(jìn)行支護(hù)加固。底板反底拱的施工可在頂、幫基本穩(wěn)定后實(shí)施。將底板彎成弧形結(jié)構(gòu)，并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，保證其與幫部噴網(wǎng)層搭接起來(lái)，與幫部連接成整體，然后澆灌混凝土形成反底拱結(jié)構(gòu)，并鋪設(shè)素混凝土。施工中要求“短掘短支”，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺并及時(shí)完成初次支護(hù)。掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺控制在700 mm左右并與型鋼支架排距基本一致[4]。掘進(jìn)達(dá)到型鋼支架排距時(shí)，及時(shí)架設(shè)型鋼支架，支架全斷面架設(shè)，在棚后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并進(jìn)行噴漿封閉，然后在棚外鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，同時(shí)預(yù)埋充填注漿管。由于該類(lèi)型進(jìn)路圍巖較為軟弱、容易破碎，因此，施工時(shí)盡量減少每循環(huán)裝藥量，以減輕對(duì)圍巖的擾動(dòng)。噴漿完成后，要求對(duì)硐室壁后進(jìn)行注漿。注漿管集中注漿過(guò)程中，應(yīng)注意保證注漿充填密實(shí)，提升壁后注漿的加固作用，充分改善鋼支架的承載性能，使得鋼支架受力均勻。當(dāng)型鋼架設(shè)4排以上并完成壁厚充填注漿后，要及時(shí)澆筑底板。

3.2 應(yīng)用地應(yīng)力測(cè)量

人們要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和井下巖體破壞狀況提供的信息來(lái)確定應(yīng)力方向。油田施工中所用水壓致裂法相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用，該方法被大量應(yīng)用于水電工程和礦石工程中[5]。而在礦建工程破碎圍巖硐室圍巖的地應(yīng)力測(cè)試中，水壓致裂法也被應(yīng)用。水壓致裂法測(cè)量簡(jiǎn)單，設(shè)備易操作，測(cè)量數(shù)值便于觀測(cè)，十分實(shí)用。

3.3 礦區(qū)硐室圍巖變形分析

在不同工況下（硐室一次性開(kāi)挖、層間不同高度），各硐室的變形程度（單位：mm）如表1所示。

如表1所示，盡管硐室開(kāi)采層間的高度不盡相同，但是每個(gè)層間的硐室變形程度都在20～30 mm，半自磨硐室頂拱變形程度為23.77 mm左右，磨選硐室頂拱變形程度大約為22 mm，精礦濃縮及泵站硐室頂拱變形為21 mm左右，尾礦濃縮硐室頂拱變形程度為26 mm左右，尾礦給料及泵站硐室頂拱變形程度為28 mm左右。每個(gè)層間邊墻變形程度為10～20 mm，半自磨硐室邊墻變形程度為18 mm左右，磨選硐室邊墻變形程度為16 mm左右，精礦濃縮及泵站硐室邊墻變形程度為14 mm左右，尾礦濃縮硐室邊墻變形為14 mm左右，尾礦給料及泵站硐室邊墻變形為19 mm左右。開(kāi)挖數(shù)據(jù)表明，礦建工程中，破碎圍巖硐室圍巖的開(kāi)挖深度越大，變形范圍越大。為增強(qiáng)破碎圍巖硐室圍巖的穩(wěn)定性，人們要減小破碎圍巖硐室圍巖深度，有效預(yù)防破碎圍巖硐室圍巖邊墻變形。

4 結(jié)論

近些年，我國(guó)大力開(kāi)采鐵礦資源，淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，礦產(chǎn)資源深度不斷增加，故而地下硐室開(kāi)采建設(shè)施工也日益増多。然而，地下硐室圍巖地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力較大，嚴(yán)重影響地下硐室穩(wěn)定。本文借鑒前期經(jīng)驗(yàn)，以A礦區(qū)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采為例，對(duì)礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖深部開(kāi)采進(jìn)行全面研究，進(jìn)一步提升破碎圍巖硐室圍巖的穩(wěn)定性，以推進(jìn)破碎圍巖硐室圍巖建設(shè)。

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