新城金礦深部斜坡道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)

蔣萬飛 秦紹龍 趙興東 劉 濱 張 慶 魯 鑫

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦,山東 萊州 261438;2.東北大學(xué)深部金屬礦采動安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

由于社會高速發(fā)展的需要,金屬礦產(chǎn)資源的需求量日益增加[1-2]。但隨著淺部資源的枯竭,礦石開采必須向深部進(jìn)軍[3-5]。支護(hù)作為礦石開采的關(guān)鍵工作,是保障地下礦床開采的安全和圍巖穩(wěn)定性的前提,但由于深部地層具有比淺部更加復(fù)雜的地質(zhì)條件和更高的應(yīng)力水平,金屬礦石深部開采的支護(hù)工作也具有更大的技術(shù)難度[6-8]。

我國金屬礦深部開采起步較晚,目前我國開采深度超過1 000 m的礦山有16座[9]。對于深部巷道支護(hù)工作,靳文飛[10]提出在高應(yīng)力條件下,采用耦合支護(hù)技術(shù)可以提高深部巷道開采過程中巷道圍巖的承載能力,有效改善圍巖的應(yīng)力條件。武沖鋒[11]采用數(shù)值模擬驗(yàn)證了中空注漿錨桿在深部大斷面巷道具有比傳統(tǒng)錨桿更好的支護(hù)效果。張偉合等[12]提出采用錨網(wǎng)噴U型鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù),可有效控制深部巷道的大變形,并在現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。馬維清等[13]對思山嶺鐵礦原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化,提出井壁圍巖釋能支護(hù)與鋼纖維混凝土聯(lián)合的支護(hù)體系。孟馮超[14]提出“高預(yù)緊力錨網(wǎng)素噴+注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案,解決了焦作礦區(qū)深部高應(yīng)力巷道變形量大和破壞嚴(yán)重的問題。李曉飛等[15]提出深部高應(yīng)力影響下蝕變巖型巷道采用“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方案,并取得了良好的支護(hù)效果。王成龍等[16]基于RMR和Q支護(hù)圖表,提出了“噴射混凝土+錨桿+鋼筋網(wǎng)+雙筋條”支護(hù)。張明才[17]針對邢東礦深部礦井巷道變形大、支護(hù)困難的問題,提出強(qiáng)力錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)。侯華營[18]介紹了巷道非對稱控制技術(shù),根據(jù)原有巷道變形破壞特征,采用“薄弱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)支護(hù)”理念來解決非對稱變形。

本文通過前期現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),對新城金礦深部斜坡道圍巖進(jìn)行巖體質(zhì)量分級,并估算其物理力學(xué)參數(shù)?；趲r體質(zhì)量分級結(jié)果和支護(hù)圖表提出“樹脂錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+雙筋條+鋼筋梁+噴射混凝土”支護(hù),并采用數(shù)值模擬和楔形體識別對支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程地質(zhì)調(diào)查

1.1 地質(zhì)概況

新城金礦V號礦體-1 085 m中段分布于主裂面之下的碎裂巖帶內(nèi)。礦體主體呈脈狀,局部呈透鏡狀,局部具分支復(fù)合、尖滅再現(xiàn)等現(xiàn)象。從宏觀上看,礦體比較完整,連續(xù)性好,與圍巖接觸界線明顯。主要金屬礦物包括自然金和黃鐵礦,次要金屬礦物為銀金礦、黃銅礦、閃鋅礦等。礦石中的金,主要以銀金礦和自然金的獨(dú)立礦物形式賦存于金屬硫化物中,少量賦存于脈石礦物中,礦石工業(yè)類型屬低硫型金礦石。礦體上盤圍巖巖性主要包括絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖和絹英巖化花崗巖等;礦體下盤圍巖巖性主要為絹英巖化花崗閃長巖、絹英巖化花崗閃長質(zhì)碎裂巖等。

主要控礦斷裂為焦家斷裂,其次為主斷裂所派生和伴生的次級斷裂和節(jié)理,為北東向含礦蝕變裂隙帶,控制了礦化的局部富集。礦體構(gòu)造、節(jié)理密集發(fā)育,總體走向?yàn)镹E40°,傾向?yàn)镹W,傾角24°～30°,構(gòu)造面附著有黑色斷層泥,異常光滑且穩(wěn)定性極差,施工時應(yīng)及早采取相應(yīng)安全措施。采場內(nèi)其他構(gòu)造、節(jié)理也較為發(fā)育,走向、傾向不定,巖石穩(wěn)固性差,節(jié)理裂隙的交匯部位,巖石比較破碎,極易造成冒頂事故。

圍巖整體巖性及構(gòu)造和礦體一致,主要通過樣品分析來區(qū)分礦巖,且礦巖之間呈現(xiàn)漸變過渡關(guān)系。礦體較厚大部位普遍存在條帶狀和透鏡狀的夾石,夾石的產(chǎn)狀、巖性和礦體基本一致,巖性主要包括絹英巖質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗閃長巖等。

1.2 現(xiàn)場調(diào)查

本次調(diào)查在新城金礦-1 080 m斜坡道進(jìn)行,調(diào)查采用地質(zhì)羅盤、皮尺、地質(zhì)錘和照相機(jī)等工具,對圍巖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄,如圖1所示。具體操作步驟為:將皮尺從調(diào)查面的起點(diǎn)開始拉向終點(diǎn)并盡量貼緊巖面,用地質(zhì)羅盤測量各節(jié)理的產(chǎn)狀、張開度、跡長、粗糙度等信息并記錄其所在位置。

圖1 測線布置及測量Fig.1 Arrangement and measurement of survey

利用Dips軟件對調(diào)查的節(jié)理進(jìn)行分析,以節(jié)理走向或傾向玫瑰花圖的形式表達(dá)出每個水平的節(jié)理組數(shù)、方向及發(fā)育特點(diǎn)。另外,采用等面積極點(diǎn)投影來表示節(jié)理面的產(chǎn)狀,制成節(jié)理極點(diǎn)等密度圖,以此定量地反映節(jié)理、裂隙發(fā)育的密集程度及其優(yōu)勢方位。新城金礦-1 080 m斜坡道節(jié)理裂隙等密度圖和傾向玫瑰圖,如圖2,可見該區(qū)域內(nèi)共有約3組節(jié)理和一些不規(guī)則節(jié)理,優(yōu)勢節(jié)理組產(chǎn)狀為 210°∠70°,280°∠50°,320°∠45°。

圖2 -1 080 m斜坡道節(jié)理等密圖和傾向玫瑰圖Fig.2 Contour plot and rosette plot of -1 080 m ramp

2 圍巖質(zhì)量評估

2.1 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)

為了解礦區(qū)巖石的物理力學(xué)性質(zhì),從現(xiàn)場采集了典型巖石樣品。盡量選取原始解理和裂隙發(fā)育較少的完整巖石,根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的試驗(yàn)方法對巖樣進(jìn)行加工,并對其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)如圖3所示,最終獲得巖石的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

圖3 巖石力學(xué)試驗(yàn)儀器Fig.3 Rock mechanics test instruments

2.2 巖體質(zhì)量分級及參數(shù)估算

根據(jù)前期現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,采用Q系統(tǒng)分級、RMR分級和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI對礦區(qū)-1 080 m斜坡道分布的主要巖組進(jìn)行的巖體質(zhì)量分級,結(jié)果如表2所示。

表2 巖體質(zhì)量評價結(jié)果Table 2 Evaluation results of rock mass quality

巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體(巖塊)組成的天然地質(zhì)體,巖體和巖塊從本質(zhì)上屬于同一物質(zhì),受結(jié)構(gòu)面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)的影響,二者力學(xué)性質(zhì)往往差別很大,但有著緊密的聯(lián)系。在實(shí)際的巖石力學(xué)工程分析中,巖體物理力學(xué)參數(shù)至關(guān)重要,因此需對其準(zhǔn)確估算。雖然理論上巖體的力學(xué)參數(shù)可通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)獲得,但由于試驗(yàn)過程費(fèi)時費(fèi)力、成本高昂且不確定性因素較多,一般很少進(jìn)行。另外考慮到原位試驗(yàn)的方法、設(shè)備、手段與現(xiàn)場工程條件的差異性,其現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果也不完全具有代表性和通用性。因此,本文基于巖石的物理力學(xué)參數(shù),采用RocLab軟件對巖體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估算,結(jié)果如表3所示。

表3 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass

3 支護(hù)方案確定

3.1 巷道自穩(wěn)時間

根據(jù)巷道自穩(wěn)時間估算圖表和巖體RMR值估算未支護(hù)開挖體的自穩(wěn)時間(如圖4)。由圖4可知,新城金礦-1 080 m斜坡道圍巖無支護(hù)自穩(wěn)時間約為10 h,而該斜坡道的設(shè)計(jì)服務(wù)年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其自穩(wěn)時間,為了保障巷道圍巖在開采過程中的穩(wěn)定與安全,必須對其采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

圖4 -1 080 m斜坡道自穩(wěn)時間Fig.4 Self-stabilization time of -1 080 m ramp

3.2 楔形體識別

通過Unwedge軟件對最大潛在楔形體識別表明(圖5):-1 080 m斜坡道兩幫和底板潛在楔形體安全系數(shù)均大于16.143,比較穩(wěn)定,頂板潛在最大楔形體安全系數(shù)為0,極不穩(wěn)定,有垮塌的危險。需及時對其進(jìn)行支護(hù)處理,以防止楔形體因自重應(yīng)力而沿結(jié)構(gòu)面冒落。

圖5 巷道潛在楔形體Fig.5 Potential wedge in tunnel

3.3 支護(hù)參數(shù)和施工

-1 080 m斜坡道圍巖Q分級值為0.24,RMR=36,-1 080 m斜坡道圍巖巖體質(zhì)量為Ⅳ級,巖體穩(wěn)定性極差～很差。由上文,根據(jù)RMR和Q巖體分級支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[19-20],新城金礦-1 080 m斜坡道具體支護(hù)方式:樹脂錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+雙筋條+鋼筋梁+噴射混凝土,圖6為巷道支護(hù)示意圖。

圖6 -1 080 m斜坡道支護(hù)示意Fig.6 Support schematic of -1 080 m ramp

施工順序:采用超前錨桿進(jìn)行超前預(yù)控頂支護(hù),超前支護(hù)長度視爆破進(jìn)尺確定1.5～2 m。爆破后立即噴射3～5 cm厚混凝土、出渣;出渣后,立即采用“樹脂錨桿+金屬網(wǎng)+雙筋條+噴射混凝土”支護(hù);樹脂錨桿間排距1 m,長度2.4 m,直徑20 mm,全長錨固;噴射混凝土厚度10～15 cm。采用8#鍍鋅菱形金屬網(wǎng);雙筋條,直徑8～10 mm盤圓鋼線拉直焊接,間距6～8 cm,長度1.2～1.4 m;托盤120 mm×120 mm×8 mm,沖擊呈碗狀。噴射混凝土后,補(bǔ)打長錨索+雙筋條支護(hù),錨索長4～5 m,間排距1.2 m。架設(shè)鋼筋梁,噴射混凝土,打超前錨桿,進(jìn)入下一掘進(jìn)循環(huán)。

4 支護(hù)穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算模型及邊界條件

由于巷道的走向較長,可以把三維問題簡化為二維問題來研究。采用有限元數(shù)值模擬軟件Phase2對其進(jìn)行分析,計(jì)算模型(圖7)尺寸:30 m×30 m,考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算速度以及計(jì)算精度問題,對巷道周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,模型共劃分為13 104個三角形單位,6 451個節(jié)點(diǎn),模型采用應(yīng)力、位移約束,由于最大主應(yīng)力與巷道走向方向一致,因此,垂直應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力在模型平面內(nèi)(σv=29.73 MPa,σh=22.41 MPa)。巖體假設(shè)為理想的彈塑性材料,并認(rèn)為是各向同性,同時采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖7 巷道數(shù)值模型Fig.7 Numerical model of tunnel

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

從圖8～圖10可以看出:巷道采用“樹脂錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+雙筋條+鋼筋梁+噴射混凝土”支護(hù)后,頂板塑性區(qū)由1.924 m變?yōu)?.744 m,頂板位移由5.5 cm變?yōu)?.66 cm;左幫塑性區(qū)由0.743 m變?yōu)?.513 m,左幫位移由6.6 cm變?yōu)?.95 cm;右?guī)退苄詤^(qū)由0.864 m變?yōu)?.433 m,右?guī)臀灰朴?.6 cm變?yōu)?.65 cm。相對于未支護(hù)的情況,巷道位移和塑性區(qū)均顯著變小;由此可以看出,樹脂錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+雙筋條+鋼筋梁+噴射混凝土支護(hù)有效地控制了巷道圍巖的松動變形,強(qiáng)化了巖體整體的強(qiáng)度,該支護(hù)方案可行。

圖8 巷道圍巖塑性區(qū)(單位:m)Fig.8 Plastic zone of tunnel surrounding rock

圖9 巷道圍巖垂直位移Fig.9 Vertical displacement of tunnel surrounding rock

圖10 巷道水平垂直位移Fig.10 Horizontal displacement of tunnel surrounding rock

4.3 楔形體分析

通過Unwedge軟件對最大潛在楔形體識別表明(圖11):-1 080 m斜坡道兩幫和底板潛在楔形體安全系數(shù)均大于16.143,比較穩(wěn)定。頂板潛在最大楔形體安全系數(shù)支護(hù)前為0,極不穩(wěn)定,有垮塌的危險;采用支護(hù)后,頂板潛在楔形體安全系數(shù)變?yōu)?5.897,能夠保持巷道的穩(wěn)定。

圖11 巷道潛在楔形體(已支護(hù))Fig.11 Potential wedge in tunnel (supported)

5 結(jié) 論

(1)對新城金礦-1 080 m斜坡道圍巖進(jìn)行現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查,記錄各結(jié)構(gòu)面的基本信息,采用Dips軟件對其進(jìn)行分析,最終確定調(diào)查面共有約3組節(jié)理和一些不規(guī)則節(jié)理,優(yōu)勢節(jié)理組產(chǎn)狀為210°∠70°,280°∠50°,320°∠45°。

(2)通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得了取樣區(qū)域巖石的物理力學(xué)參數(shù),采用Q分級、RMR分級和GSI對圍巖進(jìn)行巖體質(zhì)量分級,結(jié)果顯示該區(qū)域巖體質(zhì)量較差。并應(yīng)用RocLab軟件對巖體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了估算。

(3)運(yùn)用Unwedge軟件對-1 080 m斜坡道的潛在楔形體進(jìn)行了識別分析,并根據(jù)巖體質(zhì)量分級結(jié)果估算圍巖的無支護(hù)自穩(wěn)時間,并最終確定巷道的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)。最終采用“樹脂錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+雙筋條+鋼筋梁+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)。

(4)采用數(shù)值模擬軟件Phase2對巷道支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明所選支護(hù)方式可有效減小圍巖的塑性區(qū)范圍和位移量。同時,Unwedge楔形體分析顯示,支護(hù)后頂板楔形體安全系數(shù)能滿足安全需求。