礦山巷道圍巖穩(wěn)定性分析

陸榮昊

（江西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌 330095）

在我國(guó)礦產(chǎn)資源持續(xù)開采過(guò)程中，礦井生產(chǎn)面臨著越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)條件，開采期間面臨著越來(lái)越大的巷道圍巖控制難度。為在礦山掘進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程中更有力的維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性，本文重點(diǎn)探討對(duì)圍巖穩(wěn)定情況產(chǎn)生影響的相關(guān)因素，圍繞某礦山巷道，結(jié)合實(shí)際情況分析此巷道圍巖的穩(wěn)定性分析方法，基于分析結(jié)果提出控制圍巖變形﹑提升穩(wěn)定性的支護(hù)措施，為相關(guān)工程提供一定參考。

1 礦山巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素

在巷道掘進(jìn)期間，圍巖如果缺乏足夠穩(wěn)定性，將直接影響作業(yè)安全以及掘進(jìn)效率，而實(shí)踐中會(huì)有諸多因素干擾圍巖穩(wěn)定性，包括內(nèi)部地應(yīng)力，還有圍巖多項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)，乃至具體參數(shù)均會(huì)干擾圍巖穩(wěn)定。其中地應(yīng)力穩(wěn)定與否，和地應(yīng)力其大小息息相關(guān)，同時(shí)采礦工藝以及掘進(jìn)施工過(guò)程也都會(huì)產(chǎn)生一定影響，并且巷道和周邊巷道相互關(guān)系及彼此影響作用﹑圍巖斷面的形狀﹑大小等，也都干擾著穩(wěn)定性。除此以外，圍巖兩幫強(qiáng)度高低﹑底板強(qiáng)度高低以及頂板強(qiáng)度高低﹑巖塊結(jié)構(gòu)和相關(guān)斷層的面積大小﹑強(qiáng)度高低也會(huì)干擾圍巖穩(wěn)定情況，巖體若存在變形問題，其變形度﹑變形結(jié)構(gòu)還有充填以及風(fēng)化侵蝕等也會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，圍巖穩(wěn)定程度還受制其與地下水及斷層﹑時(shí)間等因素之間的相互作用力影響。

1.1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

對(duì)于一個(gè)巷道來(lái)說(shuō)，其圍巖穩(wěn)定性與強(qiáng)度會(huì)很大程度上受到圍巖物理力學(xué)性質(zhì)影響。在對(duì)巷道進(jìn)行類別劃分期間，往往將圍巖強(qiáng)度視作標(biāo)準(zhǔn)，選擇單軸抗壓圍巖強(qiáng)度系數(shù)（單位為MPa），其既涉及到頂板強(qiáng)度，還關(guān)系到兩幫強(qiáng)度，同時(shí)頂板包含兩部分，也就是直接頂還有基本頂。巷道圍巖是否有變形問題，或者變形程度高低，或者受破壞度等，都和頂板圍巖其強(qiáng)度高低密切相關(guān)，頂板圍巖其強(qiáng)度以及穩(wěn)定性和破壞及變形保持著負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是破壞與變形會(huì)在強(qiáng)度﹑穩(wěn)定性上升過(guò)程中趨于下降，這種情況下的圍巖具有越高穩(wěn)定性；若相反，圍巖保持著非常低的強(qiáng)度，就會(huì)使圍巖整體穩(wěn)定性比較差[1]。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)圍巖強(qiáng)度，還要注意客觀了解巖體所具備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)基于圍巖強(qiáng)度，不能只看巖塊強(qiáng)度，這是由于圍巖強(qiáng)度受影響因素更多，包括巖體屬于哪種結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度高低情況等等。

1.2 地應(yīng)力

所謂地應(yīng)力也就是巷道原巖地應(yīng)力，在巷道施工過(guò)程中，此因素會(huì)較大程度影響著巷道穩(wěn)定程度。其中，地應(yīng)力既涉及到水平地應(yīng)力，還涵蓋了垂直地應(yīng)力，前者還分為最大以及最小的地應(yīng)力。針對(duì)垂直地應(yīng)力，其主要受制于巷道的埋深還有上方所覆蓋地層保持的容重，而水平地應(yīng)力在受制于這兩項(xiàng)因素基礎(chǔ)上，還受制于地質(zhì)構(gòu)造情況。

一方面，圍巖穩(wěn)定情況和地應(yīng)力兩者呈負(fù)相關(guān)，也就是圍巖其穩(wěn)定程度會(huì)在地應(yīng)力持續(xù)升高背景下不斷變差，而若圍巖其狀態(tài)具有一定彈性，并且同步圍巖雖有變形，不過(guò)不具有很大變形量，那么巷道埋深﹑變形量這兩項(xiàng)會(huì)建立線性關(guān)系。針對(duì)在均勻地應(yīng)力場(chǎng)中所分布的圓形巷道來(lái)說(shuō)，如果圍巖應(yīng)力高出極限值，并有塑性變形問題出現(xiàn)，此時(shí)原巖應(yīng)力和圍巖變形量?jī)烧呖赏ㄟ^(guò)一定關(guān)系式來(lái)表示相互關(guān)系，所以如果圍巖受到破壞，原巖應(yīng)力以及圍巖變形量會(huì)保持冪指數(shù)關(guān)系[2]。如果圍巖保持著較低強(qiáng)度，同時(shí)內(nèi)摩擦角也不大，會(huì)出現(xiàn)非常明顯的圍巖變形問題。不過(guò)在實(shí)踐中，巷道圍巖有著非常復(fù)雜的變形以及破壞過(guò)程，利用相關(guān)理論只能對(duì)其定性的進(jìn)行分析和說(shuō)明。水平地應(yīng)力﹑垂直地應(yīng)力兩者比值被稱作側(cè)壓系數(shù)，該數(shù)值也會(huì)較大程度影響圍巖穩(wěn)定性，若側(cè)壓系數(shù)和巷道寬高比相接近，此時(shí)巷道圍巖一般保持較好穩(wěn)定性。如果側(cè)壓系數(shù)和寬高比相比無(wú)論是更大還是更小，均反映出圍巖整體穩(wěn)定情況不佳。

另一方面，圍巖所保持的穩(wěn)定情況還受制于水平地應(yīng)力以及掘進(jìn)方向這兩項(xiàng)因素所保持的夾角，通常如果這兩者的夾角是90°，那么圍巖將嚴(yán)重缺乏穩(wěn)定性，破壞幾率非常大，而若兩者夾角接近于0°，那么圍巖將具備非常好的穩(wěn)定性。而如果是水平應(yīng)力其最大值足夠大，可造成圍巖直接受損，那么此時(shí)巷道穩(wěn)定與否會(huì)直接受制于掘進(jìn)方向這一因素。此時(shí)通過(guò)實(shí)地測(cè)量，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同步對(duì)巷道破壞情況展開多角度評(píng)價(jià)，可更清晰的了解這兩者在有不同夾角情況下，巷道實(shí)際破壞情況，準(zhǔn)確掌握穩(wěn)定情況。

1.3 巷道斷面尺寸和形狀

一般巷道有差異化的結(jié)構(gòu)形狀，相應(yīng)狀態(tài)下圍巖也會(huì)有差異化的穩(wěn)定程度。獲得最佳穩(wěn)定性，最好使巷道的造型是拱形，如果把巷道設(shè)計(jì)成梯形，亦或矩形，都將降低整體穩(wěn)定性。對(duì)于巷道周邊的斷面來(lái)說(shuō)，圍巖層有著越大的尺寸，同時(shí)頂板圍巖層擁有越大跨度，兩幫擁有越高高度，會(huì)在離層構(gòu)造和重力相互應(yīng)力作用下導(dǎo)致兩幫圍巖容易出現(xiàn)重力或者是離層構(gòu)造斷裂問題，或者發(fā)生彎曲變形破壞，進(jìn)而使兩幫圍巖受到破壞，出現(xiàn)變形。在巷道圍巖層的尺寸逐漸增大，跨度不斷增加過(guò)程中，會(huì)使巷道兩幫的頂板圍巖層進(jìn)一步擴(kuò)大離層以及松動(dòng)圈范圍，并使兩幫頂板出現(xiàn)更大的位移變化，降低兩幫圍巖以及頂板穩(wěn)定性。

1.4 采礦和斷層的影響

在采礦過(guò)程中，會(huì)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生采動(dòng)影響，這種影響是直接的。采礦作業(yè)中，巷道與采動(dòng)巷道圍巖保持著不一樣的間距，采動(dòng)工作對(duì)穩(wěn)定性的影響也是不一樣的。此外，圍巖穩(wěn)定程度還和斷層息息相關(guān)，采礦施工中，圍巖的斷層﹑巷道雙方實(shí)際水平間距以及不同巷道相互水平梯距離，均會(huì)決定圍巖穩(wěn)定情況受到斷層影響的程度。

1.5 巷道掘進(jìn)及支護(hù)

巷道掘進(jìn)過(guò)程中往往會(huì)采取破巖工藝，這會(huì)直接影響著圍巖穩(wěn)定性，并且掘進(jìn)中采取差異化的破巖方式，會(huì)產(chǎn)生差異化的影響程度。一般掘進(jìn)中，在破巖環(huán)節(jié)選擇掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，能更有力的控制圍巖破壞，使其更具穩(wěn)定性，并且選擇光面掘進(jìn)爆破方法，也可保護(hù)圍巖受到擾動(dòng)，增加穩(wěn)定性，在爆破方法選擇中，和深孔多藥量相比，淺孔少藥量更有助于促進(jìn)圍巖穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)期間，還會(huì)落實(shí)支護(hù)措施，支護(hù)參數(shù)與具體方案也會(huì)干擾巷道穩(wěn)定，通常支護(hù)密度設(shè)計(jì)值越高，支護(hù)強(qiáng)度比較大，此時(shí)能使圍巖保持更好的穩(wěn)定狀態(tài)，并會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生越小的影響。

1.6 圍巖結(jié)構(gòu)條件

相比于淺部圍巖，深部巷道圍巖有著更復(fù)雜的地質(zhì)條件，同時(shí)在地應(yīng)力因素影響下，很多圍巖其在淺層部位都屬于穩(wěn)定巖層，而到了深部巷道，就會(huì)發(fā)展成穩(wěn)定性差的軟弱巖層，所以相比之下，深部巷道的圍巖有更高幾率出現(xiàn)弱結(jié)構(gòu)﹑弱面以及弱夾層等。

2 工程概況

某礦山主要對(duì)1#礦層的1101工作面進(jìn)行回采，該工作面的走向長(zhǎng)度是1195m，傾向長(zhǎng)度是275 m，工作面的東面緊挨著1103采空區(qū)，西面是1098工作面，正在回采中，南面是1101材料斜巷，北面是1101采區(qū)軌道大巷和1101回風(fēng)大巷。受到1103采空區(qū)﹑1098工作面雙向采動(dòng)壓力影響，使得1101材料斜巷的圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形，在回采過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)前方掘進(jìn)施工﹑后方同步維修的狀況，需要對(duì)1101材料斜巷采取加強(qiáng)支護(hù)措施，促使掘進(jìn)以及回采工作能夠安全﹑順利的推進(jìn)。

1101材料斜巷之前已經(jīng)落實(shí)支護(hù)措施，在原支護(hù)方案當(dāng)中，頂板錨桿的長(zhǎng)度是2200 mm，直徑是20 mm，間距和排距都是900mm，分布方向都和頂板保持垂直關(guān)系，在此基礎(chǔ)上配合使用長(zhǎng)度為8200 mm﹑直徑是21.3mm的單體錨索進(jìn)行支護(hù)。對(duì)于巷道兩幫，在落實(shí)支護(hù)措施中，主要選擇左旋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度是1750 mm，直徑是20 mm，無(wú)論間距還是排距均定為800mm，與頂板錨桿相接近的施工角度是19°，和巷道底板錨桿相接近的施工角度是10°。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

1101材料斜巷在掘進(jìn)施工過(guò)程中，由于圍巖綜合強(qiáng)度不高，采動(dòng)過(guò)程中受到多方擾動(dòng)力影響，使得巷道圍巖發(fā)生變形問題，且相對(duì)嚴(yán)重，要對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。因?yàn)橄锏浪邳c(diǎn)位地質(zhì)條件非常復(fù)雜，很難對(duì)圍巖實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)，為分析此巷道圍巖穩(wěn)定性以及受力特征，本文主要通過(guò)數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)模擬分析。此巷道經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，結(jié)合相關(guān)地址資料，在軟件中先搭建一個(gè)長(zhǎng)方體模型，該長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度是500m，高度是280m，寬度是400m，材料巷道的長(zhǎng)度是500m，高度是3m，寬度是4.1m。在數(shù)值模擬過(guò)程中，巖層的物理力學(xué)參數(shù)可見表1。

表1 數(shù)值模擬中的巖層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬的主要目的是對(duì)1101材料斜巷其具體的受力特征加以了解，并展開分析，主要記錄和1103采空區(qū)保持不同間距情況下，巷道中間點(diǎn)位其水平應(yīng)力以及垂直應(yīng)力發(fā)生改變的情況，明確變化規(guī)律，具體如圖1。

分析圖1，發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力曲線受到1103采空區(qū)﹑1101工作面以及1098工作面相應(yīng)開采工作影響，曲線先保持降低趨勢(shì)，之后開始升高，隨后再次降低。在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持6m間距情況下，相應(yīng)點(diǎn)位的垂直應(yīng)力值驟然下降，從原本的17.6MPa直接降到8.76MPa；在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持18m間距的點(diǎn)位，此時(shí)出現(xiàn)了垂直應(yīng)力最大值，是29.8MPa；在和1103采空區(qū)其礦柱相距36m的點(diǎn)位，此時(shí)垂直應(yīng)力值開始趨于穩(wěn)定，保持在19.0MPa。再看水平應(yīng)力曲線，它雖然和垂直應(yīng)力曲線一樣都保持先降低隨后升高進(jìn)而再降低的變化趨勢(shì)，不過(guò)卻和垂直應(yīng)力曲線有著不同的變化規(guī)律，主要表現(xiàn)是其保持著更低的水平應(yīng)力值。在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持6m間距的點(diǎn)位，此時(shí)水平應(yīng)力值出現(xiàn)驟然下降情況，從原來(lái)的13.6MPa下降到8.1MPa；而在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持18m間距情況下，相應(yīng)點(diǎn)位出現(xiàn)最高水平應(yīng)力值，峰值達(dá)到25.1MPa；在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持36m間距的點(diǎn)位，此時(shí)水平應(yīng)力值開始趨于穩(wěn)定，保持在13.2MPa。

圖1 1101材料斜巷的應(yīng)力變化曲線

經(jīng)上述分析，發(fā)現(xiàn)在和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持9m至36m間距情況下，1101材料斜巷相應(yīng)區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力區(qū)域，而在和采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持18m間距情況下，相應(yīng)點(diǎn)位的垂直應(yīng)力值還有水平應(yīng)力值都達(dá)到了峰值。綜合來(lái)看，導(dǎo)致1101材料斜巷的圍巖發(fā)生變形問題，主要原因就是高應(yīng)力，所以要著重針對(duì)高應(yīng)力區(qū)域采取支護(hù)優(yōu)化措施，促使圍巖進(jìn)一步增強(qiáng)變形抵抗能力，使圍巖具有更高穩(wěn)定性。

4 圍巖控制措施

4.1 支護(hù)方案

結(jié)合上述數(shù)值模擬分析，并考慮實(shí)際情況，主要面向1101材料斜巷采取以下支護(hù)改進(jìn)措施。

（1）在巷道頂部支護(hù)中，主要選擇左旋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度是2450mm，直徑是22mm，錨桿排距以及間距都是800mm，每一排分布的錨桿數(shù)量是4根。在和巷道幫部相接近的部位所分布錨桿和巷道的垂直線保持15°角。配合使用單體錨索（長(zhǎng)度是8250 mm，直徑是21.5mm），使錨索間距保持在1.5m，在錨索施工過(guò)程中配合使用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力以及樹脂藥卷，在聯(lián)合作用下使錨索預(yù)應(yīng)力超過(guò)200kN。

（2）在巷道兩幫支護(hù)過(guò)程中，在選擇錨桿基礎(chǔ)上配合使用槽鋼錨索，具體是選用左旋螺紋鋼錨桿（長(zhǎng)度是1600mm，直徑是20mm），所有錨桿在錨固施工過(guò)程中均配合使用樹脂藥卷，每根配三個(gè)，錨桿排距以及間距都是800mm，在多向作用下使錨桿所提供預(yù)緊力超過(guò)200kN。支護(hù)施工期間，和巷道頂板相接近的錨桿其施工角度保持在20°，而在和巷道底板相接近的部位錨桿施工角度保持在10°。

（3）經(jīng)上文分析，發(fā)現(xiàn)此巷道面臨著較大的水平受力，在原支護(hù)基礎(chǔ)上，巷道兩幫曾發(fā)生過(guò)較大位移問題，所以，此次加強(qiáng)支護(hù)施工中選擇槽鋼錨索，具體是在利用錨索基礎(chǔ)上固定槽鋼，所用錨索的長(zhǎng)度是5250mm，直徑是21.5mm，相鄰錨索保持1550mm的間距。對(duì)于上位錨索，其和巷道水平線保持20°角，和頂板間距1m；對(duì)于下位錨索，其和巷道水平線保持10°角，并和底板保持0.6m的間距。

4.2 控制效果

為對(duì)上述支護(hù)方案實(shí)施有效性進(jìn)行驗(yàn)證，特在支護(hù)施工之后，針對(duì)一定支護(hù)段監(jiān)測(cè)巷道的圍巖變形情況，監(jiān)測(cè)時(shí)間是60天。經(jīng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)頂板有著最大的變形量，變形情況最嚴(yán)重，之后是兩幫的收斂量，底板鼓起量有著最小的變形量。

在對(duì)巷道頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頂板變形量在前20天之內(nèi)保持著線性增長(zhǎng)狀態(tài)，頂板變形速率在21天至40天區(qū)間處于不斷增加趨勢(shì)，并從23mm上升到100mm，頂板變形量在40天之后保持緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，最后趨于穩(wěn)定，保持在110mm?？梢?，頂板變形經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段，第一階段有著比較快的變形速率，而在第二階段其變形速率進(jìn)一步加快，到了第三階段變形速率開始逐漸減小，最后保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

在對(duì)巷道兩幫進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中，主要可劃分成兩個(gè)監(jiān)測(cè)階段：第一個(gè)監(jiān)測(cè)階段是在0至41天的時(shí)間范圍內(nèi)，此階段兩幫收斂量保持著穩(wěn)步上升趨勢(shì)；而在第二個(gè)監(jiān)測(cè)階段，也就是41天至60天時(shí)間范圍內(nèi)，這一階段兩幫的收斂量其增長(zhǎng)速度開始放緩，最后保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)定值是62mm。

在對(duì)巷道底板進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中，也主要有兩個(gè)監(jiān)測(cè)階段：第一個(gè)監(jiān)測(cè)階段是在0至44天時(shí)間范圍內(nèi)，此階段兩幫收斂量保持著穩(wěn)步增加趨勢(shì)；而在第二個(gè)監(jiān)測(cè)階段，也就是44天至60天時(shí)間范圍內(nèi)，此階段兩幫收斂量增長(zhǎng)速度開始放緩，最后保持在穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定值是43mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某礦山1101材料斜巷進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)該巷道和1103采空區(qū)其礦柱一側(cè)保持9～36m間距情況下，相應(yīng)范圍屬于高應(yīng)力區(qū)域，并且間距在18m的點(diǎn)位有著最大的水平應(yīng)力值以及垂直應(yīng)力值，所以高應(yīng)力是影響該巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素。結(jié)合數(shù)值分析和實(shí)際情況，對(duì)該巷道的頂板落實(shí)錨桿錨索支護(hù)措施，對(duì)于巷道兩幫聯(lián)合使用錨桿和槽鋼錨索進(jìn)行支護(hù)，在施工中嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使得錨桿錨索能夠提供較大預(yù)緊力。通過(guò)60天的監(jiān)測(cè)，證明落實(shí)上述支護(hù)方案使得圍巖變形得到有效控制，圍巖穩(wěn)定性明顯提升。