深部硬巖巷道圍巖變形特征及其控制技術(shù)

秦紹龍 趙興東 呼亞洲 歐陽(yáng)效熙 張 武

(1.東北大學(xué)深部金屬礦采動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.萊州匯金礦業(yè)投資有限公司紗嶺金礦,山東 萊州 261438)

隨著淺部金屬礦產(chǎn)資源的枯竭,金屬礦山開(kāi)采逐步向深部發(fā)展[1-3]。深部圍巖的力學(xué)特性和地質(zhì)條件比淺部更加復(fù)雜多變。巷道開(kāi)挖后,受“三高一擾動(dòng)”的影響,圍巖變形破壞特征與淺部存在明顯差異,這種差異性造成了地質(zhì)災(zāi)害具有更大的烈度和更強(qiáng)的突發(fā)性,給巷道圍巖的變形控制和礦石的安全高效開(kāi)采帶來(lái)挑戰(zhàn)[4-7]。因此,對(duì)深部巷道圍巖變形破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)和變形特征進(jìn)行分析對(duì)圍巖的穩(wěn)定性控制和災(zāi)害提前預(yù)判具有重要意義。軟巖巷道在深部高應(yīng)力條件下,會(huì)出現(xiàn)較大的收斂變形破壞。但對(duì)于硬巖巷道,因其圍巖強(qiáng)度等級(jí)較高,圍巖變形量往往較小,這給巷道的變形監(jiān)測(cè)帶來(lái)困難,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段往往不能反映硬巖巷道圍巖的真實(shí)變化情況。因此,欲探究深部硬巖巷道圍巖變形特征,需從圍巖微應(yīng)變監(jiān)測(cè)入手。

我國(guó)金屬礦床深部開(kāi)采起步較晚,目前國(guó)內(nèi)開(kāi)采深度超過(guò)1000m的礦山有22座[8]。當(dāng)下針對(duì)深部硬巖變形特性的研究較少,趙駿等[9]通過(guò)硬巖高壓真三軸時(shí)效破裂過(guò)程裝置發(fā)現(xiàn)了玄武巖和大理巖在真三軸應(yīng)力下引起的蠕變各向異性。李嘉豪等[10]采用FLAC(2D)有限元軟件對(duì)深部硬巖巷道的變形進(jìn)行了分析,并以此對(duì)支護(hù)方案和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。羅勇等[11]基于室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果總結(jié)了深部硬巖巷道板裂破壞特征和演化規(guī)律。李邵軍等[12]闡述了國(guó)內(nèi)外深部地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況,總結(jié)了深部巖體力學(xué)響應(yīng)研究在安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)、災(zāi)變機(jī)理、圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)等方面的研究成果。張希巍等[13]采用 Rockman207 硬巖三軸儀對(duì)深部片麻巖力學(xué)行為進(jìn)行了探究,提出了短期性巖石力學(xué)變形、強(qiáng)度和長(zhǎng)期性的蠕變行為。尚彥軍等[14]對(duì)不同埋深復(fù)合地層中隧道圍巖變形破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,揭示了硬巖巖體隨著埋深增加,塑性區(qū)范圍和圍巖破壞模式的變化。

以上關(guān)于深部硬巖變形特性的研究大多基于數(shù)值模擬和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),缺乏對(duì)深部圍巖實(shí)際變形規(guī)律的分析總結(jié)。因此,本文通過(guò)紗嶺金礦深部巷道前期工程地質(zhì)調(diào)查和圍巖微應(yīng)變監(jiān)測(cè),提出了距離揭露面不同深度的巷道頂板和兩幫的變形規(guī)律,以此提出“樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)方案和相關(guān)支護(hù)參數(shù),并應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行有效性核驗(yàn)。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)前期工程地質(zhì)報(bào)告,紗嶺金礦礦體主要位于焦家斷裂帶下盤(pán),由于硅化蝕變作用,構(gòu)成礦體的黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖強(qiáng)度較高,飽和單軸抗壓強(qiáng)度31.53～61.03 MPa,平均46.28 MPa,單樣品最低值28.70 MPa,屬半堅(jiān)硬巖石,巖石質(zhì)量以較好為主;局部受構(gòu)造作用巖石相對(duì)較破碎,單軸抗壓強(qiáng)度大致為28.7～29.7 MPa,部分為中等至較差。上盤(pán)巖石質(zhì)量相對(duì)較好,RQD平均值為71.6%,單軸抗壓強(qiáng)度平均值為26.87～34.10 MPa,最大51.6 MPa,最小21.3 MPa。礦體下部圍巖主要以絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖為主,巖石較堅(jiān)硬,巖石裂隙發(fā)育稍好,RQD值60.9%,巖石單軸抗壓強(qiáng)度為31.47～60.67 MPa,屬堅(jiān)硬至半堅(jiān)硬巖石。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

巖體是由結(jié)構(gòu)體和被結(jié)構(gòu)面切割組成的復(fù)雜地質(zhì)體。結(jié)構(gòu)面是巖體內(nèi)開(kāi)裂和易開(kāi)裂的地質(zhì)界面,主要包括節(jié)理、層理、劈裂、裂隙、斷層等[15]。巖體的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性受巖塊強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的影響。因此,必須對(duì)研究巷道圍巖進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)工作,采用測(cè)線法對(duì)紗嶺金礦-1 465 m水平研究巷道進(jìn)行調(diào)查。測(cè)量記錄各巖面的節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、半跡長(zhǎng)、數(shù)量、粗糙度、含水情況、蝕變程度和張開(kāi)度等信息,圍巖基本節(jié)理信息和RQD值如表1所示。采用Dips對(duì)節(jié)理裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以獲取優(yōu)勢(shì)節(jié)理組,如圖1所示。由圖可知該區(qū)域主要包含3組節(jié)理和一些隨機(jī)節(jié)理,優(yōu)勢(shì)節(jié)理組的產(chǎn)狀為180°∠75°、130°∠80°、70°∠70°,RQD值為76%。

圖1 調(diào)查點(diǎn)圍巖節(jié)理傾向玫瑰圖及等密圖Fig.1 Contour plot and rosette plot of the surveyed tunnels

表1 調(diào)查點(diǎn)巷道圍巖節(jié)理統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the surrounding rock joints of the surveyed tunnels

2 圍巖微應(yīng)變監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

新掘巷道的圍巖變形規(guī)律更具研究意義,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,深部巷道的頂板和兩幫往往更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,且頂板和兩幫的破壞所帶來(lái)的危害也更大。因此,本次監(jiān)測(cè)選取-1 465 m水平主巷掘進(jìn)面往后5 m處進(jìn)行布置,在巷道頂板中心和兩幫分別距離地面1.6 m處鉆鑿傳感器安裝孔,孔徑30 mm、孔深2 m。每個(gè)孔安裝3個(gè)振弦式微應(yīng)變傳感器,相鄰傳感器的端部距離為0.8 m,安裝深度分別為0.2、1、1.8 m。安裝時(shí),為使傳感器與圍巖達(dá)到耦合狀態(tài),各傳感器間進(jìn)行注漿處理。為防止注漿體的變形對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響,注漿前,預(yù)先調(diào)試漿液配合比,使其凝固后強(qiáng)度與圍巖強(qiáng)度接近?？椎讉鞲衅髋c圍巖充分貼合,孔口傳感器預(yù)留20 cm進(jìn)行注漿封孔。安裝過(guò)程中,及時(shí)將傳感器導(dǎo)線引出孔口,封孔完畢待漿液凝固并具有一定強(qiáng)度后,用測(cè)讀儀讀取初始度數(shù),每隔7 d讀取1次數(shù)值。微應(yīng)變監(jiān)測(cè)示意圖如圖2所示,傳感器安裝如圖3所示。

圖2 微應(yīng)變監(jiān)測(cè)示意Fig.2 Schematic diagram of microstrain monitoring

圖3 微應(yīng)變傳感器安裝Fig.3 Installation of microstrain sensors

2.2 圍巖變形規(guī)律分析

通過(guò)對(duì)調(diào)查面3個(gè)測(cè)孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析,獲得-1 465 m主巷調(diào)查面圍巖變形隨時(shí)間的變化規(guī)律,頂板、左幫和右?guī)筒煌疃鹊膰鷰r微應(yīng)變數(shù)值分別如圖4～圖6所示。

圖4 頂板圍巖變形曲線Fig.4 Deformation curves of roof surrounding rock

(1)由圖4可知,在巷道開(kāi)挖后的一段時(shí)間內(nèi),圍巖頂板的微應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,代表圍巖受壓應(yīng)力,該應(yīng)力狀態(tài)下圍巖破壞形式以壓剪破壞為主。隨著時(shí)間的推移,微應(yīng)變逐漸變?yōu)檎?表明圍巖受拉應(yīng)力,該應(yīng)力狀態(tài)下圍巖破壞以拉伸破壞為主,宏觀上,該階段巷道的收斂變形量較大。不同深度的圍巖變形量不同,初始階段距離揭露面1.8 m處的圍巖的變形量較大,應(yīng)變值約為-1.36×10-3,距離揭露面1 m處的圍巖變形量最小,應(yīng)變值約為-0.51×10-3。14 d以后,0.2 m處和1 m處的圍巖的微應(yīng)變開(kāi)始從負(fù)值變?yōu)檎?并一直增大,且0.2 m處的圍巖微應(yīng)變值更大,35 d時(shí)應(yīng)變值約為0.82×10-3。1.8 m處的圍巖微應(yīng)變值始終處于負(fù)值,最后1次監(jiān)測(cè)應(yīng)變值約為-0.16×10-3。

(2)由圖5可知,巷道左幫圍巖的初始微應(yīng)變也為負(fù)值,距離揭露面0.2 m處的變形量最小,應(yīng)變值約為-1.03×10-3,距離揭露面1 m和1.8 m處的圍巖應(yīng)變值接近,最大為-1.31×10-3。各深度圍巖微應(yīng)變隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加而逐漸由負(fù)值變?yōu)檎?表明圍巖應(yīng)力狀態(tài)逐步由壓應(yīng)力往拉應(yīng)力過(guò)渡。其中,0.2 m、1 m和1.8 m處圍巖分別在21 d、25 d和30 d由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。在最后1次監(jiān)測(cè)時(shí),不同深度的圍巖應(yīng)變值接近,0.2 m處的圍巖微應(yīng)變值最大,約為0.54×10-3。

圖5 左幫圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curves of left wall surrounding rock

(3)由圖6可知,巷道開(kāi)挖后右?guī)蛧鷰r各深度微應(yīng)變也為負(fù)值,在距揭露面1.8 m處變形量最大,應(yīng)變值為-0.72×10-3,0.2 m和1 m處的圍巖初始變形量都較小且數(shù)值接近。前7 d,距揭露面0.2 m處圍巖變形幅度不大,在7～21 d變形速度較大,21 d后逐步趨于穩(wěn)定。1 m和1.8 m處的圍巖前28 d都處于持續(xù)變形階段,28 d后逐步趨于穩(wěn)定。最后1次監(jiān)測(cè)時(shí),圍巖變形量最大為0.2 m處,約為0.48×10-3。

圖6 右?guī)蛧鷰r變形曲線Fig.6 Deformation curves of right wall surrounding rock

(4)巷道頂板和兩幫的圍巖在初始階段都受壓應(yīng)力,但逐步都轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。表明在高應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,巷道各方向圍巖皆會(huì)表現(xiàn)出收斂變形的趨勢(shì)。對(duì)于深部硬巖,圍巖抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉及抗剪強(qiáng)度,因此,巖體以拉伸剪切破壞為其主要破壞模式。應(yīng)力誘導(dǎo)的裂隙擴(kuò)展對(duì)圍巖進(jìn)一步的切割作用形成不穩(wěn)定塊體,塊體沿結(jié)構(gòu)面滑移錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致了巷道的失穩(wěn)破壞。

(5)巷道開(kāi)挖后,初始階段各深度圍巖變形速率都很快,該階段主要集中于前14 d,但隨著時(shí)間的推移,到中期以后變形速率會(huì)有一定的減緩,但仍以相對(duì)恒定的速率持續(xù)變形,該階段一般持續(xù)14 d左右。末期圍巖變形基本會(huì)逐步趨于穩(wěn)定。巷道不同方向的圍巖基本上呈現(xiàn)出距離揭露面越近變形量越大的規(guī)律,同一深度的圍巖頂板變形量比兩幫變形量更大。

3 圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

3.1 巷道支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和圍巖變形規(guī)律監(jiān)測(cè)分析,紗嶺金礦深部主巷圍巖完整性相對(duì)較好,但部分區(qū)域節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖強(qiáng)度等級(jí)一般,整體變形量較小。但考慮深部巷道地應(yīng)力值和現(xiàn)場(chǎng)出水量較大,宜采用“樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù)。結(jié)合理論計(jì)算和工程類(lèi)比法,樹(shù)脂錨桿尺寸采用20 mm×2 400 mm,間排距為1 200 mm×1 200 mm;噴射混凝土厚度為100 mm;金屬網(wǎng)網(wǎng)度100 mm×100 mm,鋼筋直徑6 mm,巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖7所示。為保護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)不被腐蝕失效,樹(shù)脂錨桿采用全長(zhǎng)錨固,噴射混凝土應(yīng)完全覆蓋金屬網(wǎng)和錨桿外露部分。

圖7 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位:mm)Fig.7 Tunnel support design drawing

3.2 支護(hù)數(shù)值模擬分析

采用有限元數(shù)值模擬軟件Phase2對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行有效性檢驗(yàn),數(shù)值模型尺寸為39 m×39 m,以6節(jié)點(diǎn)三角形劃分單元網(wǎng)格,共劃分5 915個(gè)三角形單元和12 115個(gè)節(jié)點(diǎn)。圍巖基于摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,根據(jù)以上支護(hù)方案對(duì)巷道施加支護(hù)體,并在模型四周添加0位移約束,建立如圖8所示的數(shù)值模型。

圖8 巷道支護(hù)數(shù)值模型Fig.8 Numerical model of tunnel support

提取圍巖不同方向和深度的最大剪應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。由圖9可知,圍巖的變形主要集中于頂板和兩幫,并隨著巖深的增加變形量逐漸遞減,頂板變形量比兩幫略大,兩幫變形量基本以巷道垂直中軸線對(duì)稱。在支護(hù)后,圍巖頂板和兩幫的應(yīng)變值皆有所減小,頂板、左右兩幫距離揭露面0.2 m處的圍巖應(yīng)變量分別為0.24×10-3、0.18×10-3、0.20×10-3。

圖9 圍巖最大剪應(yīng)變Fig.9 Maximum shear strain of surrounding rock

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示,紗嶺金礦-1465m主巷圍巖主要包含3組節(jié)理和一些隨機(jī)節(jié)理,優(yōu)勢(shì)節(jié)理組產(chǎn)狀為180°∠75°、130°∠80°、70°∠70°,RQD值為76%,圍巖整體完整性較好,局部區(qū)域節(jié)理裂隙較發(fā)育。

(2)采用振弦式微應(yīng)變傳感器對(duì)主巷不同深度的圍巖進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),結(jié)果顯示圍巖應(yīng)力狀態(tài)存在壓應(yīng)力向拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)換過(guò)程。越接近巷道表面的圍巖變形量越大,隨著時(shí)間的推移圍巖的變形速率由快變慢最終趨于穩(wěn)定,圍巖逐步向收斂變形過(guò)渡且頂板變形量比兩幫略大。

(3)根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果,提出該主巷宜采用“樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土”支護(hù),數(shù)值模擬結(jié)果顯示在采取該支護(hù)形式后,圍巖總體的變形量有了明顯的減小。