高海拔軟破大斷面巷道變形破壞機理及控制技術研究

沙仙武， 吳健輝， 劉現(xiàn)培， 黃智強

(1.西藏巨龍銅業(yè)有限公司， 西藏 拉薩 850200； 2.北京科技大學， 北京 100083)

1 前言

礦業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，隨著礦業(yè)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)朝著高海拔偏遠地區(qū)進軍。然而高海拔礦山開采面臨著各種各樣挑戰(zhàn)[1-5]。其中高海拔環(huán)境、軟巖破碎帶、大斷面等因素給圍巖控制帶來了極大的挑戰(zhàn)[6-12]，因此進行高海拔軟破大斷面巷道變形破壞機理研究迫在眉睫。

劉寧等[13]以新疆拜什塔木銅礦軟巖巷道為工程背景，揭示了泥質(zhì)軟巖巷道破壞機理，提出以樹脂錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土為核心的主動定向支護新方法。王志修[14]等以新疆某銅鎳礦巷道為工程背景，揭示圍巖屬于軟巖巷道，提出破壞聚類破壞形式的機理，并針對各類破壞形式,基于變形力學機制轉(zhuǎn)換,提出各類圍巖失穩(wěn)模式的支護對策。黃慶享等[15]以象山礦井南一石門為工程背景，掌握了巷道各階段圍巖基本變形規(guī)律，確定了全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)噴漿支護,并對圍巖極其破碎階段進行注漿。冷建民等[16]以三山島金礦深部巷道為工程背景，發(fā)現(xiàn)高應力下開挖卸荷所產(chǎn)生的應力松弛是導致深部巷道變形和破壞的根本原因。劉佳鵬等[17]以大佛寺礦41211回風巷道為工程背景，提出高預應力強力錨桿支護、錨桿- 錨索協(xié)調(diào)支護和強幫支護的控制技術，對原支護方案進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)支護效果顯著,滿足大佛寺礦安全高效生產(chǎn)。姚柏聰?shù)萚18]根據(jù)采空區(qū)巷道圍巖的力學特性,發(fā)現(xiàn)了深部開采軟巖巷道的破壞規(guī)律，并且通過采集施工現(xiàn)場的巖樣進行室內(nèi)試驗研究，提出了沿空留巷的有針對性的設計方案，以錨桿和錨索為主，共同提供支護強度。李延輝等[19]針對郭屯煤礦1103運輸巷受采動影響圍巖應力分布和巷道變形不均的問題，分析了動壓巷道圍巖破壞機理，并對錨網(wǎng)支護參數(shù)進行了研究,得出最佳支護方案,并應用于工程實踐。

上述學者就軟巖和深部開采巷道破壞機理方面做了許多的研究，而關于高海拔軟破大斷面巷道變形破壞機理研究則鮮有報道。本文以西藏巨龍銅礦軟破大斷面皮帶巷道為研究對象，對該皮帶巷道變形破壞機理進行研究。研究結(jié)果以期能夠為國內(nèi)外同類型開采技術條件礦山開采提供一定的參考依據(jù)。

西藏巨龍有限公司驅(qū)龍銅多金屬礦(主運輸皮帶巷道一段)工程位于墨竹工卡縣西南約20 km甲瑪溝境內(nèi)，礦區(qū)設計采用露天開采模式，選廠和采取內(nèi)礦石運輸經(jīng)長距離皮帶傳送帶進行運輸，受限于地表地貌形態(tài)影響，部分皮帶傳輸帶需要經(jīng)過隧洞施工方可進行。本研究對象就是針對該隧洞開展的研究工作，皮帶巷道全長1 661 m，工程所在地區(qū)屬高原溫帶半干旱季風氣候區(qū)，工程所在位置海拔+497 3 m。氣候特點是高寒干燥，空氣稀薄，年溫差小而晝夜溫差大。年平均氣溫5.1～9.1 ℃，冬季極端最低氣溫在-16～-23 ℃。地表以凍土覆蓋層為主，年降水量515.9 mm，降水集中在每年的6～9月份。

2 高海拔軟破大斷面皮帶巷道變形破壞特征

主運輸皮帶巷道塌方段處在山谷斷裂帶，巖層多為土夾石，巖層差且含水量多。垮塌點里程約為675 m，造成巷道上方地表泥土滑坡，大量泥土沖擊進巷道內(nèi)，并淤積于巷道內(nèi)645～680 m里程段。塌腔深度2 m左右，塌方范圍約5 m2，圖1所示為巨龍皮帶巷道變形破壞特征。

圖1 皮帶巷道變形破壞圖

3 高海拔軟破大斷面皮帶巷道變形破壞機理

為探究大斷面皮帶運輸巷道變形破壞原因，利用數(shù)值模擬軟件對皮帶運輸巷道及其圍巖變形破壞進行模擬，分析皮帶巷應力分布規(guī)律、位移演化規(guī)律及塑性區(qū)分布規(guī)律。數(shù)值模擬所建立的模型尺寸為1 000 m×1 450 m×425 m，模型共有102 557 1個單元，597 246個節(jié)點。數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

3.1 皮帶巷道應力分布規(guī)律

由工程地質(zhì)可知皮帶巷道于675 m處垮塌，并造成巷道上方地表泥土滑坡，大量泥土沖擊進巷道內(nèi)，并淤積于巷道內(nèi)645～680 m里程段。通過數(shù)值模擬得到了皮帶巷道開挖過程中應力分布，于是分別截取645 m、660 m、675 m和690 m處皮帶巷道數(shù)值模擬結(jié)果圖，具體如圖3所示。

分析圖3可知，在皮帶巷道開挖過程中，在巷道的頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)出現(xiàn)了水平應力集中區(qū)域。當應力大于皮帶巷道極限強度時，巷道的頂?shù)装灏l(fā)生破裂，應力得到一定的釋放，引起應力集中區(qū)域逐漸向皮帶巷道較深范圍轉(zhuǎn)移[20]。645 m、660 m、675 m、690 m處皮帶巷道在開挖過程中所受到的最大應力分別為4.9 MPa、5.2 MPa、5.4 MPa、5.3 MPa，其所受的應力相差不大。由于675 m處皮帶巷道處于破碎帶，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在該處皮帶巷道整體應力分布較小。

圖3 皮帶巷道應力分布

3.2 皮帶巷道位移演化規(guī)律

在模擬皮帶巷道開挖過程中，對皮帶巷道間隔15 m取一次結(jié)果圖，具體如圖4所示。分析圖4可知：645 m、660 m、690 m處皮帶巷道頂板位移兩分別為15 mm、8 mm、25 mm，底板位移量分別為21 mm、23 mm、50 mm。這一段皮帶巷道位移變形量不大，對皮帶巷道的穩(wěn)定性沒有影響，而675 m處皮帶巷道的頂板最大位移量為2.47 m，并且在皮帶巷道上方圍巖變形量也較大達到了1.25 m。皮帶巷道開挖后，其周邊應力集中導致其圍巖由淺部到深部。逐漸產(chǎn)生塑性破壞，進而導致圍巖位移量持續(xù)增加，最終產(chǎn)生破壞。這是造成皮帶巷道塌方的主要原因，在之后支護的過程中，該段皮帶巷道應重點關注，選擇合適的支護方式。

圖4 皮帶巷道位移變化

3.3 皮帶巷道塑性區(qū)分布規(guī)律

本次模擬對皮帶巷道開挖過程中塑性區(qū)進行探究，分別截取645 m、660 m、675 m、690 m處皮帶巷道模擬結(jié)果圖，具體如圖5所示。

分析圖5可知，在皮帶巷道開挖過程中，由于頂?shù)装鍘r性較好，645 m、660 m處的皮帶巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)拉伸破壞現(xiàn)象，但破壞范圍較小。然而開挖到675 m的時候，皮帶巷道頂?shù)装宓钠茐哪Ｊ綖榧羟衅茐?，并且破壞范圍較大。處于破碎帶的皮帶巷道其塑性破壞較大，巷道易失穩(wěn)，因此在支護過程中，亟需對該處皮帶巷道選擇合理的支護方式。

圖5 皮帶巷道塑性區(qū)分布

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

4.1 支護方案

基于此前對皮帶運輸巷道數(shù)值模擬分析研究，對高海拔軟破大斷面皮帶運輸巷道變形破壞機理做了系統(tǒng)分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，處于破碎帶處的皮帶運輸巷道極易失穩(wěn)，因此在支護過程中，亟需對該處皮帶運輸巷道選擇合理的支護方式。

1) 超前管棚支護

在根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采取超前管棚支護，套管采用φ146 mm×6 mm無縫鋼管，超前管棚采用φ108 mm×6 mm無縫鋼管，管棚從起拱位置開始施工，間距300 mm，排間距2.0 m，第一排管棚長度30 m，后排長度6 m(管棚長度等參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場實際情況做調(diào)整)。超前管棚采用2臺錨索鉆機施工鉆孔。管棚施工前在原有鋼拱架內(nèi)安裝支護鋼拱架套拱(套拱采用I25a工字鋼制作)，套拱間距根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定，套拱與原有鋼拱架間距400 mm，超前管棚從此間距中打設，以保證超前管棚牢固可靠。并且在管棚打設完畢后，進一步在鋼管中注漿加固，以增強超前支護強度。待臨時支護完成后，再將套拱拆除，施工現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 皮帶運輸巷穿越破碎帶管棚施工現(xiàn)場

2) 長錨索- 短錨桿- 勾花網(wǎng)聯(lián)合支護

超前支護施工完畢后進行爆破掘進工作，皮帶運輸巷開挖后，首先進行長錨索- 勾花網(wǎng)聯(lián)合支護，具體為：在巷道頂部均勻施工6根長錨索，錨索長度為10～12 m，錨索排距為1.5 m。施工完畢后，在巷道頂部掛設柔性勾花網(wǎng)，并使得柔性勾花網(wǎng)緊貼運輸巷壁面。

3) 鋼架- 噴射混凝土支護

采用25#工字鋼型鋼拱架全斷面封閉成環(huán)，縱向榀間距0.4 m，且采用環(huán)向間距1.0 m、I14工字鋼(沿工字鋼腹板中線切割開，一分為二)或φ25 mm鋼筋縱向聯(lián)結(jié)。鋼拱架分段加工制作，接頭處焊接20 mm厚鋼板(350 mm×350 mm)，連接鋼板用4條M27×70(8.8級)高強螺栓進行連接。在每榀拱架的起拱線及邊墻上下等受力弱點共打設長度2.5 m、φ25 mm螺紋鋼的鎖腳錨桿6對，然后鋪設焊接規(guī)格φ8 mm，網(wǎng)格間距10 cm×10 cm的鋼筋網(wǎng)片，鋼拱架背部用混凝土枕木充填，空隙處進行噴漿。噴射混凝土厚度15～30 cm，達到C20強度，皮帶運輸巷穿越破碎帶區(qū)域現(xiàn)場噴漿作業(yè)如圖7所示。

圖7 皮帶運輸巷穿越破碎帶噴漿施工現(xiàn)場

4.2 現(xiàn)場試驗效果

根據(jù)前述開展的破壞機理研究和支護方式設計，本次現(xiàn)場施工確定襯砌厚度為250 mm，現(xiàn)場施工結(jié)果如圖8所示。再者為了能更好地掌握皮帶運輸巷道的圍巖變形情況，待支護結(jié)束后，對該段巷道進行監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，巷道最大位移量都不超過2 mm，能夠滿足巨龍驅(qū)龍段礦區(qū)皮帶運輸巷道運輸?shù)V石的安全需求。

圖8 皮帶運輸巷現(xiàn)場圖

5 結(jié)論

基于數(shù)值模擬分析研究，對高海拔軟破大斷面皮帶巷道變形破壞機理做了系統(tǒng)分析，主要結(jié)論如下：

(1) 皮帶巷道所處地質(zhì)條件，對巷道及其圍巖變形破壞有著顯著的影響，地質(zhì)條件越差，巷道道及其圍巖穩(wěn)定性越差。

(2) 破碎帶處的皮帶巷道，可以發(fā)現(xiàn)在該處皮帶巷道整體應力分布較小，頂?shù)装宓钠茐哪Ｊ綖榧羟衅茐模⑶移茐姆秶^大，巷道及圍巖穩(wěn)定性較差。

(3) 支護方案設計為“超前支護”+“長錨索- 短錨桿- 鉤花網(wǎng)聯(lián)合支護”+“鋼架- 噴射混凝土支護”聯(lián)合支護。

(4) 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明皮帶運輸巷道在支護過后，其能夠滿足巨龍驅(qū)龍段礦區(qū)皮帶運輸巷道運輸?shù)V石的安全需求。