某鐵礦-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層支護技術(shù)研究

馮亮亮 張云國 樊銘靜

(翁牛特旗盛世蓮花礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024500)

0 引言

巷道開挖過斷層時因圍巖完整性較差，支護難度顯著增加，若支護不合理常導(dǎo)致冒頂、片幫等事故頻發(fā)，嚴重威脅礦山安全高效生產(chǎn)[1]。因此，如何有效控制巷道過斷層時圍巖變形，成為國內(nèi)學(xué)者和專家關(guān)注的焦點問題。其中包括：針對紅慶梁煤礦軟巖巷道過斷層破碎帶圍巖控制問題所提出的“預(yù)注漿+變截面+超前管棚+‘錨+網(wǎng)+索+噴+架+復(fù)噴’”的聯(lián)合支護措施[2]；采用“混凝土止?jié){墻預(yù)注漿治水堵水技術(shù)、預(yù)應(yīng)力錨桿錨索和U型鋼棚”的綜合支護措施有效解決了劉家窯礦皮帶巷過斷層時的治水和支護問題[3]；采用“擴刷成型+錨網(wǎng)噴支護+深淺孔耦合注漿加固”措施有效控制了睦山鐵礦軟弱破壞圍巖變形較大的問題[4]。基于上述研究成果，結(jié)合某鐵礦-540 m中段E1’穿脈運輸巷實際工程地質(zhì)情況和過斷層巷道支護原則，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對無支護、噴射混凝土支護、噴錨網(wǎng)支護和噴錨網(wǎng)+二次砌襯4種支護情況下巷道過斷層時圍巖變形情況進行研究，確定了最佳支護方案和支護參數(shù)，并基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對支護效果進行分析，為類似工程條件巷道過斷層圍巖控制提供了參考。

1 工程概況

某鐵礦為埋深260 m以下的接觸交代型隱伏磁鐵礦床，含礦地層為三疊系上統(tǒng)黃馬青組下段，厚度為204.36～285.24 m，其上部為粉細砂巖互層，下部為含鐵砂巖和頁巖。礦體面積約2.06 km2，鐵礦表內(nèi)B+C1+C2級儲量約2.15億t，表外儲量約460萬t，Tfe平均品位41.52%。-540 m水平中段E1’穿脈運輸巷為無軌運輸巷道，斷面形狀為直墻半圓拱形，尺寸為3.20 m×2.83 m(寬×高)，主要作為運輸、通風(fēng)和行人等通道，巷道通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，施工方式為鉆爆法。巷道布置情況見圖1。

圖1 E1’穿脈運輸巷布置圖

E1’穿脈運輸巷施工期間需垂直穿越F8正斷層，F(xiàn)8正斷層屬張性斷裂，長度約為2 400 m，對局部礦體造成破壞。E1’穿脈運輸巷垂直穿越F8正斷層期間，由于斷層影響區(qū)內(nèi)巖體完整性較差，強度較低，巷道圍巖變形較大，維護困難，極大影響了巷道正常使用和礦體安全高效開采?；诖?，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對E1’穿脈運輸巷過F8正斷層的支護方案和參數(shù)選取進行了研究。

2 巷道過斷層支護原則

-540 m水平中段E1’穿脈運輸巷為深埋巷道，從技術(shù)可行和經(jīng)濟合理兩方面考慮，該巷道在過斷層支護時應(yīng)遵循以下基本原則[5,6]：

1)時效性原則。深埋巷道自身所承載的覆巖重力較大，巷道圍巖極易因較大的頂板拉力和側(cè)向壓力發(fā)生較大收縮變形，而巷道施工所產(chǎn)生的擾動使得斷層影響區(qū)內(nèi)巖體完整性進一步劣化，裂隙進一步發(fā)育擴展，若不能及時形成有效支護極易發(fā)生安全事故。因此，深埋巷道過斷層支護應(yīng)遵循時效性原則，即對過斷層巷道采取及時有效的支護。此外，考慮到巷道服務(wù)年限較長，而巖石蠕變和支護結(jié)構(gòu)蠕變特性會弱化巷道支護效果，因此應(yīng)提高支護安全系數(shù)以確保巷道設(shè)計年限內(nèi)的正常使用。

2)溫度控制原則。巷道所處環(huán)境溫度與其埋深成正比，因此深埋巷道所處環(huán)境溫度較高。在采用混凝土支護時，較高的溫度會導(dǎo)致混凝土養(yǎng)護期間產(chǎn)生裂縫而劣化支護效果。因此，在支護過程中要選擇合理的混凝土材料和養(yǎng)護方式。

3)充分利用圍巖和支護共同作用原則。由于巷道圍巖具有一定的自承載能力，應(yīng)確保所選取的支護方式能充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，令支護與圍巖協(xié)調(diào)作用，加強支護和圍巖間的結(jié)合，以實現(xiàn)支護和圍巖共同作用而加強支護效果的目的。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層為工程背景，結(jié)合該巷實際工程地質(zhì)條件和巖石基本力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值計算模型，模型尺寸為150 m×60 m×100 m(長×寬×高)，所建模型見圖2。模型邊界條件為：底部固定位移邊界，左右兩邊限制固定縱向位移邊界，在頂部施加13.0 MPa的均布載荷以等效上覆巖層重力?；诂F(xiàn)場取芯測試結(jié)果并結(jié)合工程地質(zhì)資料，經(jīng)過多次調(diào)試后確定所取巖體和斷層巖石的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值計算模型

表1 巖體和斷層巖石物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬方案

為了探究過斷層時巷道合理支護方式及參數(shù)，分別對無支護、噴射混凝土支護、噴錨網(wǎng)支護和噴錨網(wǎng)+二次砌襯4種支護情況下過斷層時巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進行模擬研究。模型中巷道開挖分5次進行，每次向前推進4 m，巷道一次開挖成型。為了分析過斷層時巷道圍巖塑性區(qū)分布，將巷道開挖揭露斷層3 m時作為圍巖塑性區(qū)分析點。各支護方式模擬過程為：1)噴射混凝土支護：噴射混凝土取材鋼纖維混凝土，分兩次噴射，第一次和第二次噴射混凝土厚度分別為50 mm和100 mm；2)噴錨網(wǎng)支護：先噴射50 mm厚的混凝土，然后進行錨網(wǎng)支護(Φ26×3 200 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×2 800 mm)，最后再噴射100 mm厚的混凝土；3)噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護。根據(jù)GB50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》和相關(guān)文獻[7]對噴射混凝土支護、噴錨網(wǎng)支護和噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護時的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了選取。

3.3 不同支護條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

無支護、噴射混凝土支護、噴錨網(wǎng)支護和噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護情況下巷道過斷層時圍巖塑性區(qū)分布見圖3。由圖3(a)可知，無支護條件下，當巷道過斷層時受巷道開挖擾動、巖層壓力和斷層的影響，巷道兩幫、頂?shù)装搴凸战翘幘l(fā)生較大范圍的塑性變形。當對過斷層巷道進行噴射150 mm厚的鋼纖維混凝土支護后，巷道頂板塑性區(qū)范圍顯著相對于無支護時減小，巷道兩幫及底板塑性區(qū)范圍也相對減小，但幅度不大，如圖3(b)所示。這是由于所噴射鋼纖維混凝土填充了巷道表面裂隙，增加了巷道表面圍巖完整性，同時在巷道形成“殼體”結(jié)構(gòu)，這種“殼體”結(jié)構(gòu)在圓拱作用下產(chǎn)生較大彎矩，顯著降低了巷道頂板塑性區(qū)發(fā)育，但對兩幫的塑性區(qū)作用較弱。由圖3(c)可知，對過斷層巷道采用噴錨網(wǎng)支護后，巷道頂板和兩幫塑性區(qū)范圍相對于無支護和噴射混凝土支護時均顯著減小，這是由于噴錨網(wǎng)支護極大增強了巷道圍巖整體性，對巷道圍巖變形起到了較好的限制作用，顯著改善了巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。如圖3(d)所示，采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護時，巷道頂板、兩幫和底板圍巖塑性區(qū)基本消失，表明該支護方式對巷道圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)育的控制效果最好，能確保過斷層巷道長期保持穩(wěn)定。

(a)無支護 (b)噴射混凝土支護

(c)噴錨網(wǎng)支護 (d)噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護圖3 不同支護條件下巷道過斷層時圍巖塑性區(qū)分布

4 支護方案及效果分析

4.1 支護方案

基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層支護方式為噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護，巷道支護斷面見圖4。噴射厚150 mm的鋼纖維混凝土，錨桿規(guī)格為Φ26×3 200 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 600 mm×2 800 mm，兩幫第一根錨桿均與水平方向成25°(±5°)仰角布置，錨桿預(yù)緊力為150 KN；頂部和兩幫錨桿均選用1卷規(guī)格為MSCK23/70Q/YZK033樹脂錨固劑錨固；菱形金屬網(wǎng)規(guī)格為2 800 mm×1 100 mm，網(wǎng)孔50 mm×50 mm。

圖4 支護斷面圖

4.2 支護效果分析

為了掌握噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護在-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層時對圍巖變形的控制效果，在-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層位置建立測站，對巷道表面變形進行實時監(jiān)測，獲得的觀測數(shù)據(jù)見圖5。由圖5可知，采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護后，在60 d的變形觀測期內(nèi)，巷道表面前20 d的變化較為顯著，變化量較大，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏糠謩e達到55.59 mm和92.19 mm；而在20 d以后，巷道圍巖變形量緩慢降低，并最終在40 d時趨于穩(wěn)定。另外，在變形觀測期內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笪灰屏糠謩e為63.80 mm和109.45 mm，在允許范圍內(nèi)，表明該支護方式對-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層時圍巖變形控制效果顯著，能確保巷道長期正常使用。

圖5 巷道圍巖變形量

5 結(jié)語

1)基于-540 m中段E1’穿脈運輸巷工程地質(zhì)條件和過斷層巷道支護基本原則，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對無支護、噴射混凝土支護、噴錨網(wǎng)支護和噴錨網(wǎng)+二次砌襯4種支護情況下過斷層時巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進行模擬研究，結(jié)果表明采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯時過斷層巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍最小，最有利于巷道長期正常使用。

2)現(xiàn)場實測結(jié)果表明，采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護后，-540 m中段E1’穿脈運輸巷過斷層時巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為63.80 mm和109.45 mm，巷道圍巖變形控制效果顯著。