礦山開發(fā)中軟弱地層巷道圍巖穩(wěn)定性分析

趙斌 韓利輝 王建國 楊圣安 邢錳

摘 要：千枚巖和炭質千枚巖質地軟弱，嚴重制約勐糯礦區(qū)深部安全開采。本文以860坑二號豎井+200中段的巷道為研究對象，通過分析軟弱巖層的地層結構特征，整理巖體地應力測試數據和巖塊巖石力學參數等，結合現場調查與測量結果，采用三維有限差分數值建立了礦區(qū)較為合理的數值模型，采用較為先進的FLAC3D程序，對軟巖巷道，特別是千枚巖巷道的變形特點、應力重分布規(guī)律進行了分析研究，模擬結果合理，為礦山深部巷道開發(fā)與建設提供技術支撐，有效指導礦山生產。

關鍵詞：千枚巖;巷道穩(wěn)定性;數值模擬;地應力

中圖分類號：TD322 ? ? 文獻標志碼：A ? ?文章編號：1003-5168（2022）8-0123-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.08.026

Stability Analysis of Roadway Surrounding Rock in Weak Stratum in Mine Development

—Taking Phyllite Stratum as an Example

ZHAO Bin? ? HAN Lihui? ? WANG Jianguo? ? YANG Shengan? ? XING Meng

（North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.，Shijiazhuang 050021 ，China）

Abstract：Phyllite and carbonaceous phyllite are weak in texture， which seriously restricts the deep safe mining in Mengnuo mining area. In this paper， taking the roadway in the middle section of shaft No. 2 + 200 of pit 860 as the research object， a more reasonable numerical model of Mengnuo mining area is established by analyzing the stratum structure characteristics of weak rock layer， sorting out the rock in-situ stress test data and rock mechanical parameters of rock block， combined with the field investigation and measurement results， The deformation characteristics and stress redistribution law of soft rock roadway， especially phyllite roadway， are analyzed and studied by using more advanced FLAC3D program， which provides technical support for the development and construction of deep roadway in the mine. The simulation results are reasonable and can effectively guide mine production.

Keywords： phyllite; roadway stability; numerical simulation; crustal stress

0 引言

勐糯鉛鋅礦區(qū)位于云南省西部保山市龍陵縣勐糯鎮(zhèn)，地處保山市龍陵縣、施甸縣的交界處，與龍陵縣直線距離為50 km，交通較為便利。勐糯鉛鋅礦區(qū)地層巖性較復雜，斷裂構造發(fā)育，產狀陡峭，其中南北向斷層以壓扭性為主，北西和東西向斷層壓性、張性并存，尤以東西向和北西向斷層對地層的破壞較大，新構造活動強烈，且深部地應力高，工程地質條件極差[1-3]。該礦區(qū)含礦層厚度薄，開拓系統(tǒng)揭露地層巖性種類復雜，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，致使巷道圍巖破碎，巷道圍巖的完整性差[4-5]。千枚巖地層易風化，遇水膨脹軟化，礦山深部開采局部地段面臨頂板冒落、底板底鼓等工程地質問題。當前鉛廠礦段860-Ⅱ正在開展+200中段以下的深部勘探工作，亟須對礦山特有的千枚巖圍巖進行工程地質研究工作。

1 礦區(qū)工程地質巖組劃分及千枚巖特征

1.1 工程地質巖組劃分

根據一般經驗和不同巖性的頂底板巖石測試標本所獲得的巖石力學參數同時結合礦山以往研究，按礦山不同層組地層將礦區(qū)深部（-200～0 m）劃分6個工程地質巖組，即堅硬塊狀晶灰?guī)r巖組（Ⅰ）、較軟弱薄層狀層紋灰?guī)r巖組（Ⅱ）、較軟弱薄層狀千枚巖巖組（Ⅲ）、軟弱薄層狀含炭千枚巖巖組（Ⅳ）、堅硬塊狀、厚層狀細粒長石石英砂巖巖組（Ⅴ）、構造破碎帶巖組（Ⅵ），其中，結晶灰?guī)r、層紋灰?guī)r、長石石英砂巖質地堅硬，結構穩(wěn)定性較好，千枚巖和炭質千枚巖工程地質條件復雜。

1.2 千枚巖地層結構特征

千枚巖組為灰—深灰色薄層狀，廣泛分布于含礦層頂底板的地層中，由中—厚層狀泥質細砂巖和粉砂巖變質而成，泥質變質為定向排列的絹云母而使巖石顯千枚狀構造。飽和抗壓強度為27.6 MPa，平均軟化系數為0.75，內摩擦角為40.5，黏聚力為4.57 MPa，平均聲波波速分別為縱波5 508 m/s、橫波3 088 m/s，屬于較軟巖，該巖層節(jié)理裂隙極為發(fā)育，完整程度差，易風化，遇水易軟化，且軟弱夾層多，巷道常見頂板塌落、邊墻垮塌等現象，穩(wěn)定性差;軟弱薄層狀含炭千枚巖巖組，灰黑色薄層狀，往往組成層間破碎帶，與礦體一般為構造接觸，少部分為平整接觸，炭泥質呈細條帶及層紋狀相間分布，屬于軟巖，穩(wěn)定性極差。

2 巷道穩(wěn)定性數值模擬

2.1 地應力測試

勐糯礦圍巖偏軟塑性，較破碎，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，現場工程地質條件與原設計中水壓致裂法基本假設有偏差，所以采用聲發(fā)射法對勐糯礦區(qū)圍巖進行地應力測試。由聲發(fā)射凱澤效應識別系統(tǒng)獲得200-24-zk1、200-17-zk1兩鉆孔巖芯六向試件的凱澤點。根據實測的六向凱澤點數據，由聲發(fā)射法地應力計算軟件即可得出兩鉆孔巖芯埋深處的地應力狀態(tài)，見表1。

2.2 計算模型

參照礦區(qū)區(qū)域附近工程地應力測試成果，可知礦山-200～0 m三個主應力方向分別為近東西方向、南北方向和垂直方向，礦山主要巷道布設方向為近東西、南北走向，因此對于礦山巷道的分析滿足平面應變假設前提條件，在模型建立和邊界施加過程中可按平面應變條件處理。依據巷道設計圖建立計算模型，根據巷道尺寸實際取值，圍巖范圍按4倍巷道斷面尺寸圈定，礦山涉及的三種主要尺寸巷道計算模型如圖1所示。

本次建立的三種尺寸巷道數值計算模型范圍分別如下。

Ⅰ型：x方向長18.9 m，y方向長19.2 m，為平面應變模型。

Ⅱ型：x方向長21.6 m，y方向長21.8 m，為平面應變模型。

Ⅲ型：x方向長24.5 m，y方向長23.7 m，為平面應變模型。

依據地應力場實測的分析結果，針對不同埋深巷道，模型兩側邊界分別施加一定的水平應力，上部施加所對應的垂向應力，軸向施加相應水平應力，底部施加固定鉸支約束，使得不同標高計算區(qū)域的數值模擬地應力場與實測值吻合。

2.3 初始地應力場

依據地應力測試報告可知：該礦區(qū)地應力場以水平構造應力為主，東西向為主構造應力的方向。其中200-24-zk1鉆孔空間三個主應力大小依次為26.26 MPa、21.70 MPa和6.28 MPa，最大主應力σ1方位角為96.48°，近東西向，傾角為9.42°，近似為水平方向;最小主應力σ3方位角為180.36°，近南北向，傾角為12.73°，也近似為水平方向;中間主應力的傾角為74.11°，近似為豎直方向，而且中間主應力σ2基本等于上覆巖土自重應力。200-18-zk1鉆孔空間三個主應力大小依次為30.64 MPa、22.44 MPa和7.97 MPa，最大主應力σ1方位角為83.32°，近E-W向，傾角為17.44°，近似為水平方向;最小主應力σ3方位角為176.25°，近南北向，傾角為9.12°，也近似為水平方向;中間主應力的傾角為70.23°，近似為豎直方向，而且中間主應力σ2基本等于上覆巖土自重應力。原巖應力場實測結果見表2、圖2。

由圖2可知，200 m中段巷道模型范圍內最大主應力為σ1為25.38～25.58 MPa、最小主應力σ3為5.89～6.10 MPa、中間主應力σ2為19.98～20.18 MPa，隨深度增加應力增大。三個主應力方向分別為東西向、南北向和垂直向。

根據數值模擬結果及實測地應力場的對比結果見表3?？梢姡瑪抵的M計算結果與應力實測值吻合較好。

2.4 千枚巖地層圍巖應力與變形分析

2.4.1 應力分析。巷道開挖后，主要應力集中區(qū)位于巷道側幫2 m以外深處圍巖體，最大主應力為48 MPa。巷道周邊巖體出現明顯應力釋放區(qū)，并且應力釋放區(qū)影響較遠，巷道圍巖體內部4 m范圍以內分布受拉區(qū)。

2.4.2 變形分析。巷道圍巖變形總體較大，最大位移點位于巷道拱頂處，拱頂下沉1.08 m，巷道發(fā)生明顯底鼓，達0.81 m，側幫中間部位收斂變形也較大，為1.04 m，見圖3。

2.4.3 塑性變形區(qū)分析。該類巷道開挖后塑性變形影響較遠。巷道圍巖塑性變形廣泛分布在巷道周邊巖體內，拉應力破壞區(qū)最遠處可達8 m，見圖4。

礦山200 m中段三種類型巷道無支護時，主要應力集中區(qū)廣泛分布于巷道圍巖內部約5 m以外深處圍巖體，在巷道周邊約4 m范圍以內出現明顯的拉應力區(qū)，拉應力區(qū)主要集中分布在巷道周邊圍巖，遠端也有分布。巷道產生明顯收斂變形，隨著巷道斷面尺寸增加變形愈發(fā)嚴重，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型巷道收斂變形最大處位于拱頂，達到0.9～1.4 m，底鼓分別達到0.8 m左右，側幫發(fā)生0.8～1.0 m收斂變形。塑性變形區(qū)廣泛分布在巷道周邊巖體內，拉應力破壞區(qū)普遍分布在圍巖體4.5 m以內。因此，該類巷道無支護時，將發(fā)生大面積垮塌和較嚴重的巷道收斂變形，若及時采取支護措施后，可在一定程度上控制巷道變形，由于錨桿無法貫穿整個塑性變形區(qū)，無法完全阻止巷道持續(xù)變形，但可控制巷道圍巖體的垮落，后期需要多次對斷面進行修整并重新支護來減少圍巖變形的危害。

3 結論與建議

本研究通過分析勐糯礦區(qū)深部千枚巖和炭質千枚巖的地層結構特征、垂向地應力分布、巖石力學特點，合理構建了礦區(qū)的工程地質概念模型，在此基礎上準確建立了工程地質數值模型，結合礦山開采方案，采用國際先進的FLAC3D軟件，對200中段的千枚巖地層圍巖應力與變形進行了模擬分析。模擬結果顯示，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型巷道收斂變形最大處位于拱頂，達到0.9～1.4 m，底鼓分別達到0.8 m左右，側幫發(fā)生0.8～1.0 m收斂變形。塑性變形區(qū)廣泛分布在巷道周邊巖體內，拉應力破壞區(qū)普遍分布在圍巖體4.5 m以內。預測結果較為合理，能夠指導礦山未來開采設計。

建議礦山下一步應加強井下圍巖和支護結構的現場觀察和記錄分析工作，如錨桿測力計、多點位移計讀數的變化，可以定量化地預測圍巖位移量，用于指導開挖和支護的施工，以確保安全;針對礦山深部開采局部存在頂板冒落、底板底鼓及片幫等情況，保護圍巖原有穩(wěn)定性，使之不至于降低，并賦予巖體一定的強度，以提高其穩(wěn)定性。

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