逆斷層影響區(qū)域破碎巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策分析

王志修 原 野 于世波

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

近年來(lái)，隨著礦山開(kāi)采深度不斷增加，地質(zhì)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，斷層影響礦山安全生產(chǎn)問(wèn)題逐漸突出，嚴(yán)重影響礦山發(fā)展。因此，針對(duì)近斷層巷道穩(wěn)定性問(wèn)題，諸多學(xué)者進(jìn)行深入研究，獲得眾多研究成果。崔魏等[1]結(jié)合工程案例，研究斷層傾角、破碎帶寬度以及側(cè)壓力系數(shù)與巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系；孟慶彬等[2]利用物探方法及理論分析方法，提出斷層區(qū)域巷道合理掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)方案；謝小平等[3]采用試驗(yàn)測(cè)試、理論分析和數(shù)值模擬方法，研究了斷層附近軟巖巷道圍巖變形控制對(duì)策；陳輝等[4]研究巷道掘進(jìn)與斷層構(gòu)造應(yīng)力的相互關(guān)系，針對(duì)過(guò)斷層巷道提出U形鋼與錨網(wǎng)索相互配合的支護(hù)優(yōu)化方案；勾攀峰等[5]采用相似材料模擬試驗(yàn)，建立平面應(yīng)力模型，分析研究斷層區(qū)域開(kāi)掘巷道頂板的位移和巷道變形特征關(guān)系；肖同強(qiáng)等[6]分析了斷層附近破碎圍巖煤巷錨桿支護(hù)圍巖穩(wěn)定機(jī)理；王襄禹等[7]提出斷層區(qū)域巷道非對(duì)稱大變形和支護(hù)失效的主要原因?yàn)閿鄬痈浇姆菍?duì)稱采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、巷道關(guān)鍵部位的剪切滑移破壞；陳曉祥等[8]研究過(guò)斷層破碎帶時(shí)巷道圍巖大變形的機(jī)理，提出了“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)方式控制斷層破碎區(qū)域圍巖變形；林海等[9]研究表明斷層面剪切滑移破壞、圍巖松軟破碎、支護(hù)結(jié)構(gòu)針對(duì)性差是造成大斷面巷道變形破壞的原因。

本文以福建馬坑鐵礦深部破碎巷道為工程背景，針對(duì)其典型破碎巖體，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量分級(jí)及超聲波測(cè)試工作；結(jié)合圍巖松動(dòng)圈結(jié)果與巖體質(zhì)量等級(jí)，進(jìn)行巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)的選擇，研究成果可為馬坑鐵礦巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù)。

1 工程概況

福建馬坑鐵礦主要生產(chǎn)鐵礦及鉬礦，二期設(shè)計(jì)規(guī)模500萬(wàn)t/a采選工程。主礦體的形態(tài)為層狀、似層狀，礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。根據(jù)勘察報(bào)告，F(xiàn)2斷層縱貫礦區(qū)中部，延長(zhǎng)約2 000 m；走向亦呈舒緩波狀，為向北西傾斜、傾角達(dá)80°以上的壓扭逆斷層，斷距最大達(dá)到250 m以上。

礦體頂板主要為大理巖或大理巖化灰?guī)r，底板主要為石英或石英化砂巖，研究區(qū)域的巖體被F2斷層切割，導(dǎo)致節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化作用加劇及溶蝕裂隙和溶洞發(fā)育，因此巖體強(qiáng)度下降，穩(wěn)固性變差。在巖體未遭破壞的地段，節(jié)理裂隙不發(fā)育，蝕變作用較弱，其穩(wěn)固性則較好。

研究區(qū)域?yàn)橹械V段，運(yùn)輸巷道位于85 m中段，見(jiàn)圖1，巷道尺寸為(寬×高)3.9 m×3.6 m，破碎區(qū)域主要采用U型鋼+1.8 m管縫式錨桿(間排距為1.0 m)+網(wǎng)片+噴射混凝土的支護(hù)方式。由于近斷層礦巖破碎，同時(shí)受到長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)應(yīng)力擾動(dòng)的多重影響，導(dǎo)致該礦山巷道災(zāi)害問(wèn)題頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)。

通過(guò)物理力學(xué)試驗(yàn)得到，上盤大理巖化灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度為76.45 MPa，礦體飽和單軸抗壓強(qiáng)度為131.43 MPa，下盤石英砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為124.76 MPa，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，采用國(guó)標(biāo)BQ巖體質(zhì)量分級(jí)，針對(duì)靠近F2斷層100 m范圍內(nèi)的礦巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)級(jí)，得到上盤區(qū)域節(jié)理線密度8.23條/m，平均間距121 mm，屬于密集的間距，節(jié)理以平直波浪狀為主，普遍延伸較長(zhǎng)，大多起伏粗糙，呈微張開(kāi)狀態(tài)，局部有明顯充填物；礦體區(qū)域節(jié)理線密度5.10條/m，平均間距195 mm，屬于密集的間距，節(jié)理以簇狀平行為主，普遍延伸較長(zhǎng)，大多起伏粗糙輕微風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面微張開(kāi)，部分區(qū)域有氧化帶，填充物為松散體。

2 圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與分析

2.1 聲波測(cè)試原理及測(cè)試方案

根據(jù)彈塑性介質(zhì)中的波動(dòng)理論，波速具有隨圍巖裂隙越發(fā)育、密度越降低、聲阻抗越大而波速降低的特性。因此，可以根據(jù)超聲波在同一鉆孔不同位置下的波速變化情況來(lái)判斷圍巖松動(dòng)圈的范圍，已測(cè)得的聲波波速高則說(shuō)明圍巖完整性好，波速低說(shuō)明圍巖存在裂隙，受到損傷；因此連續(xù)鉆孔測(cè)量的波速突變值區(qū)域，就是松動(dòng)圈的范圍[10]。

由于巖體的完整性與巖體自身特征、巷道尺寸、爆破擾動(dòng)及方位有關(guān)，基于這一原則并根據(jù)前期勘查結(jié)果得出，85 m中段脈外運(yùn)輸巷巖體受破碎接觸帶影響較大，支護(hù)效果較差，存在噴層開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象。因此，在85 m中段近斷層脈外運(yùn)輸巷道布置3個(gè)測(cè)試孔；測(cè)試孔均位于巷道幫部，測(cè)試孔深均為5 m，孔口距離底板高度約1.5 m，鉆孔向下傾斜3°～5°，鉆孔具體布置位置見(jiàn)圖1。

圖1 85 m中段地質(zhì)平面圖及測(cè)試孔布置圖

2.2 測(cè)量結(jié)果分析

各測(cè)孔點(diǎn)的縱波波速及波速梯度如圖2所示。由圖2可知，在85 m分段中測(cè)段距離為0.8～4.4 m。1#孔測(cè)試結(jié)果在1.8 m時(shí)的縱波波速范圍為5 200 m/s，到1.6 m距離時(shí)縱波波速范圍為3 600 m/s，波速變化較大；2#孔測(cè)試結(jié)果在1.8 m時(shí)的縱波波速范圍為4 400 m/s，到1.6 m距離時(shí)縱波波速范圍為3 200 m/s，波速變化較大；3#孔測(cè)試結(jié)果在1.8 m時(shí)的縱波波速范圍為4 000 m/s，到1.6 m距離時(shí)縱波波速范圍為3 200 m/s，波速變化較大；同時(shí)，由波速梯度分布可見(jiàn)，3個(gè)測(cè)試孔在1.6 m位置處，波速梯度值最大。因此可知，1#測(cè)試孔、2#測(cè)試孔及3#測(cè)試孔松動(dòng)圈1.6～1.8 m范圍。

圖2 縱波波速(VP)信息-鉆孔深度關(guān)系曲線

3 深部破碎巷道圍巖支護(hù)對(duì)策分析

85 m中段脈外運(yùn)輸巷道實(shí)測(cè)松動(dòng)圈的范圍為1.6～1.8 m，現(xiàn)場(chǎng)采用1.8 m管縫式錨桿已不滿足支護(hù)要求，同時(shí)踏勘巷道現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)管縫式錨桿脫環(huán)的情況，因此急需優(yōu)化先前支護(hù)方式。

根據(jù)馬坑鐵礦的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果及生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試松動(dòng)圈結(jié)果，利用工程類比法及理論計(jì)算法確定支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。方案采用以鋼拱架+錨桿為主體，輔以噴射混凝土加金屬網(wǎng)聯(lián)合的支護(hù)手段。錨桿主要用于控制圍巖的碎脹變形，金屬網(wǎng)加混凝土支護(hù)相結(jié)合的方式主要防止圍巖脫落同時(shí)封閉。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈的測(cè)量結(jié)果，采用經(jīng)驗(yàn)公式法及懸吊理論確定錨桿長(zhǎng)度。

2)懸吊理論計(jì)算：LS≥L1+LP+L2，L1為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1 m；L2為錨桿錨入圍巖松動(dòng)圈外的長(zhǎng)度，按經(jīng)驗(yàn)取0.3 m；LP為松動(dòng)圈的厚度，根據(jù)測(cè)試得到松動(dòng)圈的范圍1.6～1.8 m，考慮圍巖具有膨脹性及多次應(yīng)力擾動(dòng)因素，取值為1.8 m；計(jì)算可得最低為2.2 m錨桿滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果、錨桿長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及懸吊理論計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，選用長(zhǎng)度2.5 m的樹(shù)脂錨桿進(jìn)行加固。

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)，錨桿選擇樹(shù)脂錨桿，錨固長(zhǎng)度為1.2 m，錨桿的間距不宜大于錨桿長(zhǎng)度的1/2，因此可取錨桿間距為1.0 m。結(jié)合“三徑”合理區(qū)配原則及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及技術(shù)裝備，樹(shù)脂錨桿直徑為22 mm，鉆孔直徑與錨桿直徑相差6～8 mm最佳，因此鉆孔直徑為28 mm。參考規(guī)范，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)厚度不應(yīng)小于80 mm，因此厚度取100 mm，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C20，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸巷道標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)方案(單位：mm)

4 支護(hù)優(yōu)化方案效果分析及評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)值模擬方案

采用數(shù)值模擬手段，以馬坑鐵礦85 m中段運(yùn)輸巷道為背景建立工程地質(zhì)模型，模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為36 m×30 m×34 m，巷道尺寸(寬×高)為3.9 m×3.6 m，模型采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr—Coulomb模型，模型底部邊界的水平、豎直方向的速度約束，模型兩側(cè)邊界水平方向速度約束。巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，參考文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]給出支護(hù)材料的計(jì)算力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2，施加實(shí)測(cè)地應(yīng)力值。在巷道頂部設(shè)置變形監(jiān)測(cè)線。

圖4 工程地質(zhì)模型及監(jiān)測(cè)方案點(diǎn)

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)

表2 支護(hù)材料計(jì)算力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

圖5為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案和優(yōu)化后支護(hù)方案的最大主應(yīng)力分布圖。由圖5可知，由于巷道開(kāi)挖，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，致使兩種支護(hù)方式工況下，在開(kāi)挖臨空面均出現(xiàn)卸壓區(qū)域，內(nèi)部聚集能量向臨空面轉(zhuǎn)移。在現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)工況下，臨空面均為壓力釋放區(qū)，壓力值達(dá)到1.2 MPa。優(yōu)化后的支護(hù)工況，由于增加頂板錨固力，頂板臨空區(qū)域壓力轉(zhuǎn)移至其他臨空面。

圖5 巷道圍巖最大主應(yīng)力分布圖

圖6為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案及優(yōu)化后支護(hù)方案的塑性區(qū)分布圖?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案塑性區(qū)分布圖如圖6(a)所示，塑性區(qū)主要以剪切破壞為主，在頂板區(qū)域出現(xiàn)兩條剪切破壞帶；優(yōu)化支護(hù)方案塑性區(qū)分布圖如圖6(b)所示，頂板剪切塑性區(qū)破壞區(qū)域明顯減少，在底板出現(xiàn)拉破壞區(qū)域，巷道開(kāi)挖后應(yīng)力轉(zhuǎn)移至底部，導(dǎo)致底部出現(xiàn)破壞。

圖6 塑性區(qū)分布圖

圖7為現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案及優(yōu)化后支護(hù)方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量趨勢(shì)圖。1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離巷道臨空面0.2 m位置，在現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案中1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量達(dá)到20 cm，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，頂板圍巖變形量變?yōu)?2 cm，降低了40%。采用優(yōu)化的支護(hù)方案可以有效降低圍巖變形量，加強(qiáng)圍巖本身自穩(wěn)定能力，由此可見(jiàn)優(yōu)化支護(hù)方案具有良好的支護(hù)效果。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量趨勢(shì)圖

4.3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)應(yīng)用

在85 m中段脈外運(yùn)輸巷道破碎段區(qū)域，采用新支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)工作。從現(xiàn)場(chǎng)施工及錨桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況來(lái)看，利用樹(shù)脂錨桿的錨固劑可將孔壁周圍一定深度的裂紋進(jìn)行充填，提高巖體自穩(wěn)能力，具有較大的承載力，有效控制圍巖的初始松動(dòng)破壞。同時(shí)對(duì)巷道表面采用三維激光掃描方式進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期50～80 d，在50 d后圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，頂板下降量為40～90 mm，巷道兩幫變形量為30～50 mm。監(jiān)測(cè)期間錨桿、鋼拱架完好，工程應(yīng)用表明針對(duì)該區(qū)域采用樹(shù)脂錨桿+鋼拱架+錨噴聯(lián)合支護(hù)方式，可有效降低巷道邊幫垮塌、頂板大變形等事故發(fā)生概率，保證巷道安全。

5 結(jié)論

1)針對(duì)馬坑鐵礦85 m中段運(yùn)輸巷道巖體完整性試驗(yàn)，利用波速梯度最大數(shù)值判別準(zhǔn)則，確定巷道圍巖松動(dòng)圈為1.6～1.8 m。

2)結(jié)合完整性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，利用經(jīng)驗(yàn)公式法及懸吊理論進(jìn)行錨桿長(zhǎng)度計(jì)算，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范制定主要支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

3)提出了鋼拱架+樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式，樹(shù)脂錨桿長(zhǎng)2.5 m，錨桿間排距均為1.2 m，噴射混凝土厚度為100 mm。通過(guò)數(shù)值模擬手段，對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案與優(yōu)化后的支護(hù)方案，結(jié)果可知優(yōu)化后的支護(hù)方案可使圍巖破壞范圍減小，頂板變形量降低了40%。同時(shí)，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，巷道表面監(jiān)測(cè)的變形量較小，可見(jiàn)優(yōu)化后的支護(hù)方案可有效保證馬坑鐵礦近斷層區(qū)域巷道的穩(wěn)定性。