劉塘坊鐵礦3#礦體下盤深部脈外巷道圍巖剝落原因分析及處理措施

石國華 白 銀 石廣斌

(1.中鋼集團劉塘坊礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237471；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

劉塘坊鐵礦礦區(qū)位于吳集-周集蚌埠期褶皺帶中段，構(gòu)造特征以褶皺為主，斷層不發(fā)育，構(gòu)造簡單。一般性斷層按方向分為三組：近南北向斷層組、北西-南東向斷層組、北東-南西向斷層組。較大的近南北向斷層有三條，分別位于周集、吳集兩側(cè)，造成第三系、白堊系與太古界，上太古界與震旦系直接接觸，推測為高角度正斷層。北西-南東向斷層位于周集、吳集及西側(cè)低丘區(qū)，為一組橫向逆沖斷層。兩組斷層對礦體有破壞作用。從現(xiàn)場來看，斷層破碎帶影響范圍在20 m左右，在-500 m層礦塊回采時，脈外巷道開始會發(fā)生輕微剝落破壞，剝落層的厚度一般為1～5 cm，面積較小的不到0.5 m2,大的達到10 m2。當(dāng)采場回采到-487 m層礦塊時，巷道圍巖剝落破壞范圍和厚度都有所加大，不僅在斷層破碎帶，其他區(qū)域的巷道圍巖也存在，巷道圍巖剝落破壞的位置主要位于墻部，拱部基本完好。針對破壞情況，從地壓變化方面著手，分析巷道圍巖剝落破壞原因，并結(jié)合工程地質(zhì)特性分析，參考了類似工程和規(guī)范，提出相應(yīng)的處理，起到了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

1 礦體下盤巖體的工程地質(zhì)基本特性

1.1 工程地質(zhì)基本條件

礦體上盤巖石主要為斜長角閃片麻，下盤有斜長角閃片麻、花崗片麻巖等。通過對北部3號礦體上下盤巖體結(jié)構(gòu)面分布情況進行調(diào)查巖體，從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，巖體呈層狀優(yōu)勢非常明顯，緩傾斜節(jié)理裂隙占絕對優(yōu)勢。礦體下盤巖體基本屬于厚層狀～中厚層狀結(jié)構(gòu)巖體，礦體上盤基本屬于中厚層狀～薄層狀結(jié)構(gòu)巖體。用RMR巖體質(zhì)量分類的方法來對巖體質(zhì)量分級，礦體中巖體結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，間距為5～8 cm，RMR=54，屬于Ⅲ類巖體偏下；上盤巖體結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育，間距為9～33 cm，RMR=62,屬于Ⅱ類巖體偏下；下盤巖體結(jié)構(gòu)面也比較發(fā)育，間距為10～62 cm，RMR=68,屬于Ⅱ類巖體偏下。下盤巖體整體狀況要好于上盤巖體。 礦巖表現(xiàn)出較強的脆硬性，巖石單軸抗壓強度為71.1～169.8 MPa，平均130.37 MPa。

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)分析

在巖樣單軸抗壓和三軸試驗的基礎(chǔ)上，用Hoek提出的以巖石試樣力學(xué)參數(shù)來估算巖體力學(xué)參數(shù)[1-3]，得出巖體物理力學(xué)特性指標(biāo)，見表1。

表1 劉塘坊鐵礦巖體物理力學(xué)理力學(xué)特性指標(biāo)

2 采場回采過程中地壓變化對巷道

圍巖應(yīng)力影響

2.1 平面有限元模型

礦床開采采用向上水平分層充填法，由高程-500 m,逐步向高程-457 m回采。脈外巷道斷面形式為城門硐，開挖凈斷面尺寸有三種，即開挖尺寸為3.25 m×3.33 m(跨度×高度)、3.6 m×3.4 m、3.4 m×3.4 m，相互之間相差不多，巷道與礦體相對位置關(guān)系見圖1。為了分析采場回采過程地壓變化對巷道圍巖應(yīng)力影響，采用彈塑性有限元法，其模型范圍為450 m×500 m，回采工作面到模型邊界最短長度為130 m，巷道到模型邊界最短凈長度為217.8 m。模型單元網(wǎng)格如圖2。模型x軸垂直巷道，y軸豎直，z軸沿著巷道縱軸。

圖1 巷道與礦體相對位置關(guān)系示意圖

圖2 模型單元網(wǎng)格

計算模型四周為固端約束，施加初始最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值隨埋深變化的回歸曲線方程(1)～(3)。

σhmax=-0.244 4+0.032 6 H

(1)

σhmin=-1.387 2+0.020 7 H

(2)

σz=-0.068+0.022 9 H

(3)

式中：σhmax—最大水平主應(yīng)力；σhmin—最小水平主應(yīng)力；σz—垂直主應(yīng)力；H—埋深，m。

計算首先是模擬巷道掘進，然后模擬礦體由高程-500 m，逐次分階段向上回采，直至高程-442 m。

2.2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.2.1 巷道掘進

巷道開挖后，巷道周圍一定范圍內(nèi)的地壓會發(fā)生較大幅度的變化，其周邊出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，尤其是棱角處，最大主拉應(yīng)力為5.9 MPa，大于巖體抗拉強度(0.42 MPa)，甚至大于巖石的抗拉強度(2.5～9.3 MPa)，最大主壓力值達到66.3 MPa，也大于巖體抗壓承載強度(10～15 MPa)，甚至接近巖石的單軸抗壓強度。

受巷道開挖后圍巖應(yīng)力二次調(diào)整，局部圍巖進入塑性狀態(tài)，塑性區(qū)深度0.7 m，如圖3。巷道變形為頂拱變形為6.05 mm，水平收斂變形為16.63 mm，是巷道跨度的0.46%，參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2015)，小于1.2%，說明巷道在掘進挖過程中，圍巖整體是穩(wěn)定的；錨桿長度為2 m，大于圍巖塑性區(qū)深度0.7 m，滿足要求。

圖3 巷道開挖后周邊圍巖塑性單元

2.2.2 礦體回采過程

由于礦石回采，巷道和采場周圍一定范圍內(nèi)的地壓會發(fā)生較大幅度的變化。當(dāng)采場回采時，巷道的塑性區(qū)逐漸發(fā)生變化，當(dāng)高程-500～-487 m回采時，巷道圍巖塑性區(qū)基本沒有變化，但表現(xiàn)出部分卸荷特征，這時采場與巷道距離較遠，兩者相距的距離大于巷道跨度的10倍，約是采場頂板橫向跨度的一倍。隨著階段回采進展，巷道圍巖塑性區(qū)也在不斷發(fā)展,如圖4。

(a)高程-500～-487 m回采 (b)高程-487～-472 m回采(c)高程-472～-457 m回采(d)高程-457～-442 m回采 圖4 階段回采過程中的巷道圍巖塑性區(qū)延展?fàn)顟B(tài)

巷道圍巖應(yīng)力基本表現(xiàn)為受壓，沒有拉應(yīng)力。隨著階段回采進展，脈外巷道設(shè)置6個觀測點的最大主壓應(yīng)力變化如圖5，其位置見圖1。從6個觀測點的第一主壓應(yīng)力變化過程可清楚看出，隨著巷道的掘進和采場回采階段的增加，第一主壓應(yīng)力也逐漸增加，相對應(yīng)的第三主壓應(yīng)力會有所降低，如觀測點A1，第一主壓應(yīng)力由18.07 MPa增加到107.15 MPa，而其第三主壓應(yīng)力由16.16 MPa降低到14.80 MPa，如此地壓大幅度增加會增加圍巖塑性區(qū)的發(fā)展?？梢杂脠D6的力學(xué)作用模式來解釋脈外巷道素噴混凝土和圍巖剝落掉塊機制，當(dāng)巷道掘進后，第一主壓應(yīng)力變?yōu)榍邢?，巷道墻壁淺表層處于切向擠壓，隨著階段回采進展這種擠壓力會逐步增加，當(dāng)增加到一定的量值時，巷道墻壁就會發(fā)生擠壓劈裂破壞，所表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象即是巖層剝落掉塊，如圖7。因此可以認為巷道周邊產(chǎn)生的破壞是由礦體回采過程中巷道周圍的地壓明顯增加所致。

圖5 脈外巷道監(jiān)測點A1和A2最大主壓力應(yīng)力變化過程

圖6 力學(xué)作用模式示意圖

圖7 脈外巷道素噴混凝土和圍巖剝落破壞現(xiàn)狀

根據(jù)計算結(jié)果，建議脈外巷道布置時，其與下盤礦巖交界面之間的最近距離宜在15～30 m，圍巖類別高時取小值，低時取大值。

3 處理措施

脈外巷道圍巖原支護參數(shù)為：拱部為噴錨網(wǎng)支護，噴射混凝土厚10 cm；邊墻為素噴混凝土支護，噴射混凝土厚5 cm。根據(jù)脈外巷道圍巖破壞特征與現(xiàn)有的圍巖支護措施，結(jié)合采場回采過程地壓變化對巷道圍巖應(yīng)力影響，同時還參考了類似工程和規(guī)范[4-6]，提出巷道圍巖補強措施為錨網(wǎng)噴。錨桿直徑為18 mm，長度為1.8 m，間排拒距為1 m×1 m；鋼筋網(wǎng)直徑為6 mm，網(wǎng)孔間距為100 mm×100 mm，噴混凝土強度為C20,厚度為10 cm，如圖8。從實施后的情況來看，圍巖剝落得到了有效控制。

圖8 脈外巷道破壞與補強支護現(xiàn)場照片

4 結(jié)語

1)通過工程地質(zhì)測繪和統(tǒng)計分析，并由RMR巖體質(zhì)量分類法得出巖體質(zhì)量分級，即礦體中巖體結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，屬于Ⅲ類巖體偏下；上盤巖體結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育，屬于Ⅱ類巖體偏下；下盤巖體結(jié)構(gòu)面也比較發(fā)育，屬于Ⅱ類巖體偏下；下盤巖體整體狀況要好于上盤巖體。

2)基于礦巖巖樣抗壓強度試驗的物理力學(xué)特性指標(biāo)，應(yīng)用Hoek-Brown準(zhǔn)則，推算巖體力學(xué)參數(shù)，并應(yīng)用數(shù)值分析中。

3)通過數(shù)值分析揭示了脈外巷道圍巖發(fā)生剝落破壞機制，并且佐證了剝落破壞是由礦體回采所造成下盤脈外巷道圍巖應(yīng)力調(diào)整，而導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生劈裂破壞。

4)根據(jù)脈外巷道圍巖破壞特征和數(shù)值分析結(jié)果，提出巷道圍巖補強措施，并經(jīng)實踐驗證，圍巖剝落得到有效的控制。