深部破碎岩体巷道围岩控制技术研究_吴大伟.pdf

收稿日期2020-03-08 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC0604601） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51604060） ， 中央高校基本科研业务费专项资金项目 （编号 N182608003， N180115010） 。 作者简介吴大伟 （1990） ， 男， 博士研究生。通讯作者李元辉 （1968） ， 男， 教授， 博士。 深部破碎岩体巷道围岩控制技术研究 吴大伟 1 李元辉 1 钱源 2 范纯超 3 董二虎 11 （1. 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室， 辽宁 沈阳 110819； 2. 山东黄金矿业股份有限公司， 山东 烟台 261400； 3.山东黄金矿业股份有限公司三山岛金矿， 山东 烟台 261400） 摘要某金矿进入深部开采后， 由于围岩破碎， 巷道开挖后出现了明显的变形和破坏现象， 难以满足其服务 期间的稳定性要求。针对这一问题， 采用现场调查、 数值模拟和现场试验等手段开展了研究。首先， 分析了巷道变 形和破坏特征， 认为该矿巷道破坏表现为两帮破坏， 然后发展至顶板。其次， 从充分利用深部破碎岩体自承能力的 角度出发， 提出了马蹄形巷道设计方案， 并采用数值模拟的方法分别模拟了矩形巷道， 直墙半圆拱巷道， 直墙三心 拱巷道和马蹄形巷道的开挖过程， 结果显示当采用马蹄形巷道时， 能够减小围岩应力松弛区的范围， 改善围岩的受 力条件， 极大限度地抑制了围岩的变形和破坏。再次， 给出了优化的马蹄形巷道支护方案， 在传统只采用顶板锚杆 的基础上增加两帮锚杆和穿带， 其中， 顶板锚杆间距1.5 m， 两帮锚杆间距1.0 m， 排距均为1.0 m。最后， 将得到的马 蹄形巷道方案应用到该矿-900 m分段联巷的工程实践当中， 结果表明马蹄形巷道施工后围岩没有发生明显的变形 和破坏， 取得了较好的施工效果， 保证了巷道的稳定性。通过本研究可以为该种类型的深部破碎岩体巷道的围岩 控制技术提供参考和借鉴。 关键词深部开采破碎岩体围岩控制马蹄形巷道数值模拟 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-001-07 DOI10.19614/ki.jsks.202008001 Study on Surrounding Rock Control Technology of Roadway in Deep Fractured Rock Mass Wu Dawei1Li Yuanhui1Qian Yuan2Fan Chunchao3Dong Erhu12 （1. Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines， Shenyang 110819， China； 2. Shandong Gold Mining Co.， Ltd.， Yantai 261400， China； 3. Sanshandao Gold Mine， Shandong Gold Mining Co.， Ltd.， Yantai 261400， China） AbstractBecause of the broken surrounding rock，there were obvious deation and destruction phenomena after roadway excavation when a gold mine entered into deep mining，which was difficult to meet the stability requirements during its service period． In order to solve these problems，field investigation，numerical simulation and field test were carried out． Firstly，the characteristics of roadway deation and failure were analyzed． It was considered that the roadway failure in this mine was characterized by two sides of failure，and then developed to the roof． Secondly，from the view of fully utilizing the self-supporting capacity of surrounding rock，the design scheme of roadway with horseshoe-shaped section was put for⁃ ward． The stress characteristics of rectangular roadway，straight wall semi-circular arch roadway，straight wall three-core arch roadway and horseshoe-shaped roadway were simulated by numerical simulation． The results showed that when the horse⁃ shoe-shaped roadway was adopted，the range of stress relaxation zone could be reduced，the stress conditions of surrounding rock could be improved， and the deation and failure of surrounding rock could be restrained to the greatest extent． Third⁃ ly，the optimum supporting scheme of horseshoe-shaped roadway is given． On the basis of traditional supporting roof bolts， two sides of bolts and through strips were added． Among them， the roof bolt spacing was 1．5 m， the two sides of bolts spacing was 1．0 m，and the row spacing was 1．0 m． Finally，the obtained horseshoe-shaped roadway was applied to the engineering practice of -900 m sublevel combined roadway in the mine． The results show that there is no obvious deation and failure of the surrounding rock after horseshoe roadway construction，which has achieved good construction results and ensured the 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 采矿工程 1 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 stability of the roadway． The study provided references for the surrounding rock control technology of this type of deep frac⁃ tured rock mass roadway． KeywordsDeep mining， Fractured rock mass， Surrounding rock control， Horseshoe-shaped roadway， Numerical simula⁃ tion 近年来， 随着浅部资源的日渐枯竭， 许多矿山已 经进入或即将进入深部开采， 伴随着 “三高一扰动” 的影响 ［1-5］， 深部巷道的维护难度越来越大， 尤其当围 岩破碎时， 巷道频繁出现片帮和冒顶的现象， 使得巷 道难以保证其服务期间的稳定性， 严重影响且制约 了矿山的深部开采。当前， 围绕深部破碎岩体巷道 围岩稳定性控制难题， 国内外学者展开了大量的研 究。赵明等 ［6］采用正交试验的方法， 优化了锚杆锚 索的支护参数， 确定了巷道支护的最优方案； 孟庆彬 等 ［7］针对大断面软弱破碎围岩煤巷的支护难题， 提出 了全断面锚网索喷初次支护、 高预应力锚索与锚注 二次加固组成的 “三锚” 联合支护技术方案； 陈晓祥 等 ［8］基于围岩变形力学机制， 提出了 “超前预注浆锚 网索” 的联合支护方式以解决深部破碎区域巷道围 岩的变形破坏； 卢兴利等 ［9］针对松软破碎巷道大变形 失稳的问题提出了预应力组合锚杆 （索） U型钢支 架分步注浆的联合支护技术； 郝育喜等 ［10］针对深 井断层破碎带穿层软岩巷道的稳定性问题， 基于耦 合支护理论， 提出了注浆非对称锚网索底角锚杆 耦合支护方案。但是， 当前的研究成果主要集中在 支护方案的研究， 被动地通过优化锚杆 （索） 的支护 参数或者采取U型钢支架等刚性支护手段抵抗围岩 的变形和破坏， 恰恰忽略了围岩自身的承载能力。 因此， 本项目从利用深部破碎岩体自身承载能力的 角度出发， 以某金矿为工程背景， 分析该矿深部破碎 岩体巷道变形和破坏的原因， 通过优化巷道断面形 态与锚杆支护相结合的手段， 主动地改善围岩应力 分布状态， 在减少支护费用的基础上， 最大限度保证 深部破碎岩体巷道的围岩稳定性。通过本次研究， 以期为深部破碎岩体巷道围岩控制提供理论支撑和 经验参考。 1工程背景 1. 1矿山概况 以某金矿为工程背景， 当前， 该矿山的开采深度 已达900 m， 开拓深度超过了1 100 m。根据现有工程 揭露的岩性特征， 可知矿体主要赋存于黄铁绢英岩 化花岗质碎裂岩、 黄铁绢英岩化碎裂岩等蚀变岩体 内， 并受到区域断裂构造的影响， 靠近主断裂下盘矿 岩破碎， 岩体结构面极为发育， 工程揭露后容易发生 垮塌， 岩石单轴抗压强度为 50～110 MPa， 岩体 RMR 分级指标在30～40之间， 稳定性较差。根据该矿山现 场原岩应力测试结果可知， 其-900 m标高最大主应 力为水平应力， 应力值为25～30 MPa， 垂直应力为最 小主应力， 应力值为20～25 MPa。 1. 2深部破碎岩体巷道围岩变形和破坏特征 该矿山在开拓和采准过程中主要应用直墙三心 拱形巷道， 巷道规格为3.6 m3.3 m （宽高） ， 主要 采用树脂锚杆支护手段， 锚杆直径 20 mm， 长度 2.2 m， 布置在巷道的顶板， 支护参数为间距1.5 m、 排距 1.5 m。随着开采深度的增加， 特别当开采深度大于 800 m以后， 该矿山深部巷道频繁出现片帮以及顶板 垮落等问题。图1显示了该矿山深部破碎岩体巷道 围岩变形和破坏的典型特征。由图可知， 巷道的破 坏主要表现为两帮的破坏， 随着两帮破坏深度的增 加， 使得巷道断面的跨高比增加， 进一步造成顶板垮 落， 最终导致巷道的整体失稳。 2马蹄形巷道的设计思路 我国矿山使用的巷道断面类型主要分为折边 形和曲边形两类， 前者包括矩形、 梯形以及其他不 规则形状， 后者包括直墙三心拱形、 直墙半圆拱形 等形状。科学合理地选择巷道的断面形态对于保 证巷道围岩的稳定至关重要。分析该矿山深部巷 道变形破坏的特征可知， 受到深部高应力以及围岩 破碎双重因素的影响， 在采用直墙三心拱形断面 时， 巷道开挖后， 在周边围岩内形成了较大的应力 松弛区， 受拉应力作用以及围岩拉伸应变效应的影 响， 巷道的边墙极易发生变形和破坏。因此如何减 少巷道围岩的松弛区范围， 是提高深部破碎岩体巷 道围岩稳定性的关键问题。本研究从拱形结构具 有较好的受力特征的角度出发， 综合考虑巷道空间 的利用率， 提出马蹄形巷道断面形状， 其设计如图 2所示。 2 ChaoXing 2020年第8期吴大伟等 深部破碎岩体巷道围岩控制技术研究 3不同巷道断面形态的对比分析 3. 1数值模拟方案及参数 以该矿山-900 m 分段巷为工程背景， 采用 FLAC3D数值模拟软件， 开展矩形断面、 直墙半圆拱形 断面、 直墙三心拱形断面以及马蹄形断面巷道的数 值模拟分析。以上不同断面形态巷道的规格均为 3.6 m3.3 m （宽高） 。4种断面形态的数值计算模 型如图3所示， 巷道开挖长度均为10 m。计算采用理 想的弹塑性本构模型， 摩尔库伦屈服准则。模型共 有节点6.9万个， 单元4.8万个。地应力以实测应力 为准， 垂直应力为23 MPa， 水平应力为28 MPa。根据 现场调查及室内岩石力学试验， 获得了该矿山典型 岩石力学参数， 进一步基于Hoek-Brown准侧 ［8-9］， 计 算得到了数值模拟计算所需要的岩体力学参数， 如 表1所示。 3. 2模拟结果分析 3. 2. 1应力场分析 图4显示了4种断面形态的巷道在开挖后的最 大主应力分布情况。由图4可知， 无论采用何种断面 形态， 巷道开挖后均在围岩深处形成了明显的高应 力集中区， 并沿巷道周边呈连续带状近似椭圆形分 布， 该区域是围岩的承载区， 承担着围岩自身以及上 覆岩层的重量。围岩承载区外侧的岩体处于原岩应 力状态， 围岩承载区内侧的岩体处于低应力状态， 巷 道处于围岩承载区包裹内的应力松弛区内。基于巷 道开挖前后最大主应力升高的特点， 定义围岩承载 区判断公式如下 k σmax- σmax0 σmax0 ， 式中，k为围岩承载区形成系数；σmax0为开挖前最大 主应力；σmax为开挖后最大主应力。 当k 0时， 表明开挖引起扰动 应力值增加， 岩体位于围岩承载区内； 当k 0时， 表 明开挖引起最大主应力没有变化， 此处为围岩承载 区内、 外边界分界点。 统计巷道顶板、 底板和两帮的围岩承载区内边 界至临空面的距离可知， 顶板围岩承载区内边界至 临空面的距离分别为矩形2.85 m、 直墙半圆拱形1.98 m、 直墙三心拱形2.22 m、 马蹄形0.97 m； 底板围岩承 载区内边界至临空面的距离分别为矩形2.76 m、 直墙 半圆拱形 2.95 m、 直墙三心拱形 2.73 m、 马蹄形 1.51 m； 两帮围岩承载区内边界至临空面的距离分别为矩 形 2.14 m、 直墙半圆拱形 1.74 m、 直墙三心拱形 1.89 m、 马蹄形1.13 m。由此可以看出， 采用马蹄形断面 形态的巷道顶板、 底板与两帮的应力松弛区范围明 显减小， 有利于巷道的稳定。 图5显示了4种断面形态的巷道在开挖后的拉 应力大小。由图可知， 矩形巷道、 直墙半圆拱形巷 道、 直墙三心拱形巷道开挖后周边围岩出现了拉应 力， 矩形巷道为 11.6 kPa， 直墙半圆拱形巷道为 2.79 kPa， 直墙三心拱形巷道为4.97 kPa， 马蹄形巷道围岩 内未产生拉应力， 最小主应力值为-8.57 kPa。由此 可以看出， 采用马蹄形断面形态的巷道避免了岩石 处于受拉状态， 减小了围岩受拉破坏的可能。 3. 2. 2位移场分析 图6显示了4种断面形态的巷道在开挖后的顶 板沉降量与两帮变形量。由图6可知， 矩形巷道开挖 后顶板沉降量达到了131.11 mm， 两帮变形量达到了 96.97 mm； 直墙半圆拱形巷道开挖后顶板沉降量达到 了85.51 mm， 两帮变形量达到了74.46 mm； 直墙三心 拱形巷道开挖后顶板沉降量达到了95.12 mm， 两帮 变形量达到了83.35 mm； 马蹄形巷道开挖后顶板沉 3 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 降量达到了51.36 mm， 两帮变形量达到了47.72 mm。 由此可知， 采用马蹄形断面形态的巷道明显地降低 了周边围岩的位移量。 3. 2. 3塑性区分析 统计巷道顶板、 底板和两帮的塑性区深度如图7 所示， 矩形巷道开挖后围岩塑性区深度为顶板 3.27 m、 底板3.12 m、 两帮2.19 m； 直墙半圆拱形巷道开挖 后围岩的塑性区深度为顶板2.13 m、 底板3.12 m、 两 帮1.90 m； 直墙三心拱形巷道开挖后的塑性区深度为 顶板2.48 m、 底板3.12 m、 两帮2.12 m； 马蹄形巷道开 挖后围岩的塑性区深度为顶板1.56 m、 底板1.53 m、 两帮1.23 m。由此可知， 马蹄形断面形态大幅度减少 了围岩塑性区的分布深度， 抑制了围岩破坏的发生。 分析数值模拟的结果可知， 马蹄形巷道相比于 矩形巷道、 直墙半圆拱形巷道和直墙三心拱形巷道， 能够明显降低围岩松弛区的深度和应力的大小， 极 大程度地抑制了围岩变形和破坏的发展。 4支护参数优化分析 4. 1数值模拟方案及参数 基于以上得到的马蹄形巷道设计方案开展支护 参数的优化分析。设计以下2种支护方案， 方案一为 矿山标准的支护设计， 如图8 （a） 所示， 只在巷道顶板 布置树脂锚杆， 间排距1.5 m1.5 m； 方案二在方案 4 ChaoXing 2020年第8期吴大伟等 深部破碎岩体巷道围岩控制技术研究 一的基础上增加两帮锚杆， 顶板锚杆间排距1.5 m， 两 帮锚杆间距1.0 m， 排距1.0 m， 并且锚杆之间使用穿 带连接， 如图8 （b） 所示。 4. 2数值模拟结果分析 图9显示了2种支护方案的最大主应力分布情 况， 对比图4 （d） ， 采用方案一时， 仅顶板应力松弛区 深度有所减小， 由0.97 m减小至0.76 m； 采用方案二 时， 顶板应力松弛区深度由0.97 m减小至0.74 m， ， 两 帮应力松弛区深度由1.13 m减小至0.78 m， 方案二有 效地减小了应力松弛区的分布范围。 图10显示了2种支护方案的最大位移量变化情 况， 开挖未支护时， 顶板最大沉降量51.36 mm， 两帮 最大变形量47.72 mm； 采用支护方案一时， 顶板最大 沉降量37.99 mm， 两帮最大变形量46.97 mm； 采用支 护方案二时， 顶板最大沉降量37.97 mm， 两帮最大变 形量38.27 mm， 方案二有效降低了周边围岩的位移 变化量。 图11显示了2种支护方案的塑性区分布情况。 由图可知， 底板塑性区深度相差不大， 开挖未支护 时， 顶板塑性区深度1.56 m， 两帮塑性区深度1.23 m； 采用支护方案一时， 顶板塑性区深度1.06 m， 两帮塑 性区深度1.21 m； 采用支护方案二时， 顶板塑性区深 度1.04 m， 两帮塑性区深度0.84 m， 支护方案二有效 减少了围岩的塑性区分布范围。 综合以上数值模拟结果， 支护方案二既能降低 周边围岩的应力松弛区的分布范围， 又能有效地阻 止周边围岩的变形， 抑制围岩破坏的发展， 是最优的 支护方案。 5现场工业试验 5. 1现场工业试验的地点 根据以上数值计算的结果， 选取该金矿-900 m 5 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 分段进行现场工业试验， 将1540联巷由直墙三心拱 形断面改为马蹄形断面， 其规格为 3.6 m3.3 m （宽高） ， 采用树脂锚杆穿带的形式进行支护， 锚 杆直径20 mm， 长2.2 m， 顶板锚杆间距1.5 m， 两帮锚 杆间距1.0 m， 排距1.0 m， 穿带由2条平行的直径为8 mm的钢筋组成， 长1.5 m， 如图8 （b） 所示。其相邻的 1580联巷仍然沿用直墙三心拱断面巷道进行施工， 采用矿山传统的树脂锚杆和参数支护。 5. 2现场工业试验结果 现场施工效果如图12所示。由图可知， 采用传 统的直墙三心拱断面形态的巷道， 顶板围岩出现了 明显的垮落现象， 严重破坏了巷道围岩的稳定性； 而 采用马蹄形断面形态的巷道， 围岩没有发生明显的 变形和破坏， 保持了巷道的稳定性。因此， 马蹄形巷 道能够提高巷道的安全程度， 适应该金矿深部复杂 的地质环境。 6结论 （1） 从拱形结构具有较好的受力特征的角度出 发， 综合考虑巷道空间的利用率， 提出马蹄形巷道断 面形状。 （2） 采用数值模拟的方法， 分析了不同断面形态 巷道围岩的地压演化规律， 对比矩形、 直墙半圆拱 形、 直墙三心拱形和马蹄形4种断面形态巷道围岩的 应力场、 位移场和塑性区特征可知， 马蹄形断面形态 有效减小了围岩应力松弛区的深度， 降低了周边围 岩的拉应力值， 极大程度地抑制了围岩的变形和破 坏。 （3） 在采用马蹄形巷道断面的基础上， 采用全断 面支护时， 能有效减小应力松弛区的范围， 降低周边 围岩变形量， 抑制了围岩破坏的发展。 （4） 将马蹄形巷道和优化后的支护方案进行现 场工业试验， 从试验结果可以看出， 马蹄形巷道围岩 没有发生明显的变形和破坏， 能够保持巷道的稳定 性。 参 考 文 献 Vogel M， Andrast H E． Alp transit-safety in construction as a chal⁃ lenge， health and safety aspects in very deep tunnel construction ［J］ ．Tunneling and Underground Space Technology，2000， 15 （4） 481-484． Sun J，Wang S J． Rock mechanics and rock engineering in 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