斷層穿過巷道固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)

馮興隆, 李爭榮, 者亞雷, 彭 張, 魏銀鴻, 沙文忠

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司， 云南 香格里拉 674400；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院， 昆明 650093)

1 前言

普朗銅礦是我國目前采用自然崩落法開采的最大地下礦山之一，由于所有的出礦及運(yùn)輸工程都位于底部結(jié)構(gòu)中，因此底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與否直接決定礦山能否安全、持續(xù)的生產(chǎn)。普朗銅礦出礦穿脈位于3 720 m水平，距離地表約200 m，開采區(qū)域存在多條縱橫交錯(cuò)的斷層，當(dāng)斷層穿過出礦穿脈時(shí)，采用目前的噴錨網(wǎng)支護(hù)，巷道會(huì)發(fā)生不同程度的破壞，因此有必要對斷層穿過出礦穿脈時(shí)巷道的破壞機(jī)理及支護(hù)方案進(jìn)行研究[1-5]。

2 巷道破壞機(jī)理分析

復(fù)雜地層中地下巷道工程環(huán)境惡劣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，通常被眾多的地質(zhì)斷層切割，斷層破壞了巖體的完整性，降低了巖體強(qiáng)度，成為了巷道結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)的主要因素。普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)巖層中斷層縱橫交錯(cuò)，礦區(qū)首采區(qū)賦存的5條斷層將礦體縱橫切割，斷層及附近影響帶礦巖破碎，巖石自承載能力差，底部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形破壞。

普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重區(qū)域主要集中在S3、S4、S5 出礦穿脈，且位于多條斷層縱橫交錯(cuò)地點(diǎn)，巖體較為破碎，顯然斷層對巷道的穩(wěn)定性有較大影響。通過對現(xiàn)場大量破壞情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出礦穿脈的主要破壞部位是巷道直墻底部、直墻拱部和直墻中部的位置出現(xiàn)破壞，現(xiàn)場多個(gè)地方表現(xiàn)都較為明顯，兩幫出現(xiàn)明顯的底鼓和片幫，而頂板則保持完整狀態(tài)未發(fā)生破壞，破壞情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場破壞情況圖

變形經(jīng)典理論的一個(gè)重要標(biāo)志是變形的協(xié)調(diào)性，即每一個(gè)物質(zhì)點(diǎn)變形后在空間都有一個(gè)唯一確定的位置。如果對物體的假想微元施加任意變形，一般而言，若不再另加變形，我們不能將這些變形的微元重新拼合成為一個(gè)變了形的物體整體。我們說，這種變形是非協(xié)調(diào)的。只有滿足某些限制—“協(xié)調(diào)條件”，換言之，變形必須是協(xié)調(diào)的，變形后的微元才能無縫地拼合起來。根據(jù)普朗銅礦巷道腰線至墻腳位置可能最先發(fā)生變形破壞的現(xiàn)象，結(jié)合變形協(xié)調(diào)理論，巷道開挖空間是一定，先變形的區(qū)域所產(chǎn)生的變形空間，若不施加一定的限制措施，勢必牽制其余巷道圍巖錯(cuò)位以協(xié)調(diào)變形空間。

巷道的失穩(wěn)過程是兩幫腰線位置首先表現(xiàn)出顯著的剪出破壞，繼而頂板出現(xiàn)彎曲變形，拱角的圓弧曲線向犄角形過渡，應(yīng)力集中現(xiàn)象不斷加劇導(dǎo)致圍巖壓碎頂板彎曲下沉，兩幫承載力的削弱加上不斷下沉頂板所施加的壓力增大，繼而發(fā)生大規(guī)模的片幫或垮幫；最終形成“兩幫剪切變形→頂板彎曲下沉→兩幫受壓碎裂→片幫或垮幫→兩幫對頂板支撐削弱→頂板彎曲下沉加劇→兩幫破裂加劇”的惡性循環(huán)。隨著周圍出礦口的放礦擾動(dòng)，頂板處于動(dòng)荷載影響范圍及程度變大，形成大量破裂區(qū)[6-8]。

由上述圍巖變形破壞特征可知，巷道頂板巖層表現(xiàn)出疊合梁及冒落拱的結(jié)構(gòu)特性，而兩幫表現(xiàn)出裂隙體結(jié)構(gòu)屬性，且兩幫與頂、底間層理發(fā)育，故圍巖屬于強(qiáng)頂弱幫型。所以，針對這類巷道圍巖條件，本文提出了固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案。

3 支護(hù)方案

3.1 現(xiàn)有支護(hù)方案

設(shè)計(jì)采用雙層噴錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)：第一次支護(hù)采用鋼纖維混凝土，砂漿錨桿， 金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。噴射混凝土厚度100 mm，強(qiáng)度等級C25，砂漿錨桿采用灰砂比2∶1水泥砂漿全長錨固，錨桿體使用φ22 mm 二級螺紋鋼，間距 1.0 m×1.0 m，錨桿長度均為 2.25 m，托盤為 200 mm×200 mm×10 mm鋼板，第一次錨桿支護(hù)共11根；金屬網(wǎng)采用φ6.5 mm鋼筋制作，網(wǎng)度150 mm×150 mm。

第二次支護(hù)采用鋼纖維混凝土—砂漿錨桿—金屬網(wǎng)—中長錨索支護(hù)。錨網(wǎng)支護(hù)及鋼纖維噴射混凝土支護(hù)與第一次相同，第二次支護(hù)增加中長錨索支護(hù)，拱部4根錨索，兩幫兩根錨索，錨索間距1.5 m，排距2.0 m。錨索由2根φ15.20 mm的1×7標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線組成，采用灰砂比2∶1砂漿全長黏結(jié)。

3.2 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案

通過對巷道破壞機(jī)理及破壞區(qū)域圍巖變形特征分析可知，巷道頂板巖層表現(xiàn)出疊合梁及冒落拱的結(jié)構(gòu)特性，而兩幫表現(xiàn)出裂隙體結(jié)構(gòu)屬性，且兩幫與頂、底間層理發(fā)育，故圍巖屬于強(qiáng)頂弱幫型。所以，針對這類巷道圍巖條件，本文提出了固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案[9-10]。

設(shè)計(jì)采用的雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)每層錨桿間距為1 m，在施工規(guī)范理想條件下，錨桿間距為 0.5 m，錨桿間距太小，此時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生“群錨效應(yīng)”。即錨桿在地層產(chǎn)生的應(yīng)力場相互重疊，將減小錨桿的抗拔能力并增加位移量。加之，過密的錨桿會(huì)使得斷層區(qū)域的巖體更加破碎，影響巖體的完整性，不能充分發(fā)揮錨桿組合梁理論的支護(hù)方式。為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，可以適當(dāng)增大錨桿間距增加錨桿的長度。固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案中選用單排錨桿，間距為1 m，錨桿長度則根據(jù)現(xiàn)場松動(dòng)圈實(shí)測結(jié)果進(jìn)行選取。聲波測試結(jié)果S4 穿脈最大松動(dòng)圈范圍為 2.4 m，錨桿長度應(yīng)超出松動(dòng)圈深度 30 cm，因此選取錨桿長度為 2.7 m。

針對頂板下沉量大，其錨桿支護(hù)宜選用組合梁理論與懸吊理論相融合的方式，而兩幫因具有裂隙體破壞特征，其錨桿支護(hù)宜選用擠壓加固和整體錨固相融合的方式。固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案具體為：巷道兩幫澆筑厚度為800 mm混凝土，強(qiáng)度等級C25；頂板采用鋼拱架及噴射厚200 mm鋼纖維混凝土進(jìn)行支護(hù)，采用規(guī)格為0.55×30 mm端鉤型鋼纖維，摻量40 kg/m3，底板澆筑300 mm混凝土。錨桿體使用φ22 mm二級螺紋鋼，間距1.0 m×1.0 m。巷道兩幫及底板打8根長2.7 m的全長砂漿錨桿，頂板打6根長2.7 m的預(yù)應(yīng)力錨桿，兩邊墻腳打長度為4 m的扎腳錨桿，拱部打6根長度為8 m的錨索，支護(hù)形式如圖2所示。

圖2 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)示意圖

4 數(shù)值模擬計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

利用FLAC3D軟件建立斷層穿過巷道頂?shù)装鍞?shù)值模擬，其中巷道尺寸為4.2 m×3.9 m，斷層厚度為1 m，在巷道頂?shù)装寮皟蓭筒贾帽O(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行位移、應(yīng)力測量，建立模型如圖3所示。

圖3 斷層穿過巷道建模圖

4.2 應(yīng)變分析

從圖4、圖5整體位移云圖可以看出，巷道開挖采用雙層噴錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，兩幫及頂?shù)装鍑鷰r位移變形均較大，最大位移量為1.54 cm；采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案支護(hù)后，圍巖位移量比采用雙層噴錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)有所減小，其中，巷道兩幫位移變形量明顯減小，最大為0.6 cm，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?.1 cm。從圖6、圖7巷道監(jiān)測點(diǎn)X方向位移趨勢圖可以看出，采用雙層噴錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，巷道兩幫即斷層上下盤圍巖變形量差距較大，斷層下盤圍巖的位移量較斷層上盤圍巖的位移量大；采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案，斷層上下盤圍巖形變均勻，未產(chǎn)生兩幫變形不一致的現(xiàn)象。說明斷層穿過巷道時(shí)采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案具有較好的控制形變效果，巷道協(xié)同變形。

圖4 雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)整體位移云圖

圖5 雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)X方向位移趨勢圖

圖6 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)整體位移云圖

圖7 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)X方向位移趨勢圖

4.3 應(yīng)力分析

從圖8、圖9可以看出，巷道開挖采用雙層噴錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)后，圍巖有拉應(yīng)力出現(xiàn)，最大拉應(yīng)力值為0.2 MPa，且拱角位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)力集中最大值為3.11 MPa，斷層上下盤圍巖受力不相同，斷層上盤巷幫圍巖以壓應(yīng)力為主，斷層下盤巷幫圍巖應(yīng)力釋放明顯，表現(xiàn)為以拉應(yīng)力為主，斷層下盤圍巖容易發(fā)生由拉應(yīng)力導(dǎo)致的變形破壞。采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，拉應(yīng)力及應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，與采用雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)相比，巷道頂板應(yīng)力減小，而巷道兩幫應(yīng)力則增大，具體如圖10、11所示。這是由于頂板長錨索和預(yù)應(yīng)力錨桿將巷道頂板斷層圍巖釋放壓力部分的轉(zhuǎn)移到固幫后穩(wěn)定的巷道兩幫，將內(nèi)應(yīng)力場中的支承壓力部分的轉(zhuǎn)移到支護(hù)體外應(yīng)力場中，有效地減輕了頂板壓力。說明斷層穿過巷道時(shí)采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案能夠減輕頂板下沉量并防止了斷裂頂板的臺(tái)階下沉和切頂現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)應(yīng)力云圖

圖9 雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)X方向應(yīng)力趨勢圖

圖10 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)應(yīng)力云圖

圖11 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)X方向應(yīng)力趨勢圖

4.4 塑性區(qū)分析

從圖12、圖13可以看出，采用雙層噴錨網(wǎng)對巷道支護(hù)后，塑性區(qū)分布范圍及塑性區(qū)體積明顯比不支護(hù)時(shí)減小，在斷層下盤附近區(qū)域有小范圍的塑性區(qū)出現(xiàn)，而采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案對巷道支護(hù)后，巷道圍巖基本上沒有塑性區(qū)，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

圖12 雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)塑性區(qū)圖

圖13 固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)塑性區(qū)圖

4.5 錨桿安設(shè)位置對固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案影響分析

上述計(jì)算方案中，錨桿位置是安設(shè)于巷道圍巖上，現(xiàn)考慮對混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)采用后錨固技術(shù)(在混凝土澆筑體上打孔安設(shè)錨桿并與巷道圍巖連接)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

圖14 整體位移圖

從圖14可以看出，采用混凝土后錨固技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，整體位移比錨桿錨固于圍巖上時(shí)明顯減小。這是由于采用混凝土后錨固技術(shù)，將混凝土支護(hù)體與圍巖緊密聯(lián)系成為整體共同發(fā)揮作用。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場破壞請調(diào)查分析，以及采用FLAC3D采用數(shù)值軟件對礦山現(xiàn)行設(shè)計(jì)的雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)與固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)進(jìn)行分析比較，得出以下結(jié)論：

(1)普朗銅礦斷層穿過底部結(jié)構(gòu)時(shí)，出礦穿脈的失穩(wěn)過程是兩幫腰線位置首先表現(xiàn)出顯著的剪出破壞，繼而頂板出現(xiàn)彎曲變形。

(2)采用雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)，巷道頂?shù)装宓奈灰屏枯^巷道兩幫的位移量大，斷層下盤圍巖的位移量較斷層上盤圍巖的位移量大。斷層上下盤圍巖受力不相同，斷層上盤巷幫圍巖以壓應(yīng)力為主，斷層下盤巷幫圍巖應(yīng)力釋放明顯，表現(xiàn)為以拉應(yīng)力為主，斷層下盤圍巖更容易發(fā)生變形破壞。

(3)采用固幫控底穩(wěn)頂支護(hù)方案，能夠有效控制巷道圍巖的不均勻變形，減輕頂板下沉量并防止了斷裂頂板的臺(tái)階下沉現(xiàn)象發(fā)生，對巷道變形破壞具有較好的控制效果。