某銅礦深部巷道變形特征和破壞機(jī)理研究

張志飛

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 上杭 364200）

1 引言

某銅礦伴隨著地下開采深度逐年增加，開采深度已超過800m，地質(zhì)環(huán)境越顯復(fù)雜，主要體現(xiàn)在地壓加大、巷道變形增大等，對深部資源的開發(fā)利用產(chǎn)生巨大的困擾。為此，對深部巷道的變形特征及圍巖破壞機(jī)理展開了深入的分析研究，為下一步支護(hù)方案的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，同時保障礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 深部巷道變形特征分析

為了能夠更深入地了解深部巷道圍巖的變形特征，開展了深部主運輸巷道表面位移監(jiān)測，對現(xiàn)場進(jìn)行了長時間的觀察和分析。巷道斷面形式為三心拱，寬4.5m，高4m，采用錨噴支護(hù)方式。對現(xiàn)場開挖后巷道共選取2 個觀測斷面，斷面間距約為20m，采用十字交叉法布點，每個斷面布置4 個測點，測量儀器用JSS30A-30 型數(shù)顯收斂儀。經(jīng)過長達(dá)兩個月時間的觀測后，變形監(jiān)測結(jié)果如圖1-4所示，具體變形特征分析如下：

圖1 1#觀測斷面巷道收斂曲線

圖2 1#觀測斷面巷道收斂速率曲線

圖3 2#觀測斷面巷道收斂曲線

圖4 2#觀測斷面巷道收斂速率曲線

（1）變形量大

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，深部巷道圍巖總的變形量是比較大的，最大可達(dá)到十幾厘米。由監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在進(jìn)行為期兩個月時間的監(jiān)測后，兩個觀測斷面的巷道變形量都很大，其中頂板下沉加上底鼓總量約163mm，巷壁移近總量約132mm。

（2）變形持續(xù)時間長

深部巷道圍巖都有較明顯的流變特性，而且變形體現(xiàn)在時間效應(yīng)上。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，巷道施工開挖后圍巖要經(jīng)過20 多天的劇烈變形，之后變形幅度越來越小，但持續(xù)時間卻要數(shù)月甚至更長才能完成。巷道在開挖兩個月后，1#測點巷道頂?shù)装宓氖諗克俾式抵?.5mm/d，巷壁移近速率降至0.3mm/d；2#測點巷道頂?shù)装迨諗克俾式禐?.7mm/d，巷壁移近速率降為0.4mm/d。由此可見，在巷道施工開挖兩個月后，巷道仍有較大幅度的變形趨勢。

3 深部巷道變形破壞機(jī)理分析

分析研究巷道的變形破壞原因?qū)ο锏赖木蜻M(jìn)和支護(hù)以及將來的使用和維護(hù)是很有必要的，然而巷道的變形破壞是多方面因素共同作用的結(jié)果。眾多的理論研究和工程實踐經(jīng)驗表明巷道變形破壞不僅與巖性、地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等自然因素有關(guān)，而且還與巷道的開挖方式、圍巖支護(hù)形式等工程因素有關(guān)。通過認(rèn)識這些因素的作用，就能更實際的對巷道變形破壞機(jī)理進(jìn)行研究并采取相應(yīng)的技術(shù)措施來控制其變形。以下就以某銅礦深部主運輸巷道特定的地質(zhì)條件分析該道變形破壞的影響因素。

（1）巖性

巷道由于長期處在巖漿巖體中，致使圍巖和地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。已揭露巷道圍巖主要為花崗巖，局部穿插有英安玢巖巖脈，巖石破碎松散，多處分布破碎帶、嚴(yán)重地開石蝕變的軟質(zhì)巖，淺部以風(fēng)化裂隙為主；巷道沿線斷裂較發(fā)育，局部斷裂、巖脈發(fā)育及地開石蝕變嚴(yán)重段，巖體質(zhì)量差，以Ⅳ～Ⅴ級為主。在巷道掘進(jìn)時引發(fā)的荷載集中作用在塊狀結(jié)構(gòu)的巖體上很容易使其變?yōu)樗榱呀Y(jié)構(gòu)的巖體，從而造成圍巖體的整體強(qiáng)度降低，以此圍巖產(chǎn)生一定量的膨脹變形量。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

該巷道所穿越的巖層地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，多見大小不一的斷層，節(jié)理和裂隙相當(dāng)發(fā)育。礦區(qū)范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造有5 條，巷道掘進(jìn)在穿越斷層、構(gòu)造裂隙時所受壓力很大，巷道變形量也急劇上升，支護(hù)相當(dāng)困難。當(dāng)巖體受開挖擾動后，會經(jīng)歷一個卸壓階段，之后圍巖體自身出現(xiàn)穩(wěn)定并且維持一段時期，倘若支護(hù)結(jié)構(gòu)遭到破壞，失去平衡，此時就會加劇巷道的變形，這在斷層下盤最容易發(fā)生冒頂事故。此外，巷道在穿越斷層掘進(jìn)時，在斷層附近的巷幫往往會發(fā)生較嚴(yán)重的變形，此時在巷道中采用錨桿支護(hù)時會使其受較大剪應(yīng)力而所受拉應(yīng)力卻較小，錨桿極易出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象。

（3）地應(yīng)力作用

根據(jù)礦區(qū)前期斷裂構(gòu)造的地質(zhì)條件研究表明，該礦區(qū)具有復(fù)雜多變的構(gòu)造應(yīng)力。由現(xiàn)場巷道破壞形式發(fā)現(xiàn)，不同方向巷道破壞嚴(yán)重程度不同，表明礦區(qū)實測地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，應(yīng)力值也較大。就巷道目前的深度而言，巷道垂直應(yīng)力只有水平應(yīng)力的一半，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的礦壓特性，頂板冒落和底板上突嚴(yán)重。巷道施工開挖后，圍巖釋放壓力，受上覆巖層重力、支撐壓力及構(gòu)造應(yīng)力的影響，使支護(hù)工作舉步維艱。又水平應(yīng)力大，使巷道頂?shù)装鍘r層容易出現(xiàn)擴(kuò)容剪脹變形，頂?shù)装鍘r層的破壞將進(jìn)一步加大。

（4）地下水的影響

根據(jù)水文地質(zhì)資料顯示，深部巷道揭露地下水類型包括風(fēng)化裂隙水、巖脈裂隙水、斷層破碎帶內(nèi)地下水和構(gòu)造裂隙帶地下水四種。從巷道掘進(jìn)工作面圍巖可以看出該處巖體異常破碎，呈泥質(zhì)膠結(jié)狀，受水的侵蝕、流動影響非常大。地下水對巷道圍巖的侵蝕、溶解及沖刷作用使巖石疏松、軟化，或產(chǎn)生動、靜水壓力，改變巖石的力學(xué)狀態(tài)，泥石物塊的充填，降低了巖石的強(qiáng)度和承載能力，巖體也變得不完整，圍巖的穩(wěn)定級別下降，明顯達(dá)不到支護(hù)設(shè)計的要求。

（5）巷道支護(hù)方式

深部巷道的支護(hù)方式，一般有錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、混凝土支護(hù)等。因為支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐抵抗作用，直接影響巷道圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，使開挖引起的巷道變形得到有效控制，減小圍巖塑性區(qū)范圍。大量工程實踐證實，采用正確的支護(hù)方式、選擇合理的支護(hù)參數(shù)能夠使支護(hù)效果得到最佳體現(xiàn)，所以，支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要甚至起決定作用。巷道前期采用250mm厚的混凝土支護(hù)方式，混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)裂縫、掉塊現(xiàn)象。造成這一現(xiàn)象的主要原因是混凝土支護(hù)屬剛性支護(hù)，在巷道開挖初期不能起到柔性讓壓的作用，原支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)阻力偏低，無法抵抗作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的外力。

4 結(jié)論和建議

（1）巷道所處在構(gòu)造破碎巖層區(qū)，巖石非常破碎軟弱，蝕變嚴(yán)重，又處在高地應(yīng)力環(huán)境中。在錨噴支護(hù)方式下，巷道主要表現(xiàn)為大變形、長時間變形的特征。

（2）影響深部巷道變形破壞的因素有很多，但客觀的自然因素是人為無法改變的，因此，要控制巷道的變形，改善圍巖的穩(wěn)定程度唯有從支護(hù)因素入手。