高侧压软岩巷道破坏机理及控制技术研究_郭进平.pdf

高侧压软岩巷道破坏机理及控制技术研究 郭进平 1 刘少青 1 王小林 1， 2 （1. 西安建筑科技大学资源工程学院， 陕西 西安 710055； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083） 摘要为揭示高侧压软岩巷道底鼓和侧鼓的机理， 以陕西某铜矿为工程背景， 从岩体性质、 地应力分布、 巷 道形状和支护条件等方面进行了理论分析和FLAC3D数值分析。结果表明 巷道底鼓和侧鼓的根本原因是围岩软 弱破碎和水平地压大， 顶板矢跨比为0.33、 底板矢跨比为0.2、 侧帮矢跨比为0.09时对控制巷道变形最为有利； 与直 墙平底三心拱相比， 马蹄形巷道顶板下沉量下降为6.8， 底鼓量下降为20.7， 侧鼓量下降为10.7； 与不耦合支护 相比， 耦合支护使巷道底鼓量降低34.1， 侧鼓量降低41.4； 与底板不支护相比， 底板支护底鼓量降低20.4， 侧鼓 量降低15.5。在优化巷道形状的基础上， 采用 “喷锚网全断面钢架架后袋装充填圈” 的联合支护方式， 顶底板 移近量为14.5 mm， 两帮移近量为32 mm， 能够保证巷道稳定。 关键词高侧压软岩巷道破坏机理联合支护袋装充填圈 中图分类号TD322文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-086-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906016 Study on Failure Mechanism and Control Technology of Soft Rock Roadway with High Lateral Pressure Guo Jinping1Liu Shaoqing1Wang Xiaolin1， 22 （1. School of Resources Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， China； 2. College of Civil and Resources Engineering， University of Science Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractIn order to reveal the mechanism of floor heave and side heave in soft rock roadway with high lateral pres- sure， theoretical analysis and FLAC3D numerical analysis are carried out from the aspects of the nature of rock mass， in-situ stress distribution， roadway shape and support conditions， taking a copper mine in Shaanxi Province as an engineering back- ground. The results show that the floor heave and side heave are basically caused by the weakly broken surrounding rock and high horizontal ground pressure. The best favorable conditions for controlling the deation of surrounding rocks are the roof rise-span ratio at 0.33， floor rise-span ratio at 0.2， and sides rise-span ratio at 0.09. Compared with the straight-wall flat-bot- tom three-center arch，the roof subsidence of horseshoe-shaped roadway decreases by 6.8，the floor heave decreases by 20.7，and the side heave decreases by 10.7. Compared with uncoupled support，the coupling support reduces the floor heave by 34.1， the side heave by 41.4； Compared with the roadway without floor support， the roadway with floor support reduces the floor heave by 20.4 and the side heave by 15.5. On the basis of optimizing the shape of the roadway， the com- bined support of “shotcrete anchor net full-section steel frame bag filling ring behind support“ is adopted with the roof-to-floor convergence at 14.5 mm， and the two-side convergence at 32 mm， which can ensure the stability of the roadway. KeywordsHigh lateral pressure， Soft rock roadway， Failure mechanism， Combined support， Bag filling ring 收稿日期2019-05-12 作者简介郭进平 （1970） ， 男， 副教授， 硕士研究生导师。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 目前， 国内一些品位高、 开采条件复杂的矿床已 投入开采， 软弱破碎矿体将是今后的重点开采对象， 而诸如脉内运输巷道等主要工程结构的稳定是软弱 破碎矿体安全、 高效开采的重要前提之一。底鼓和 侧鼓是软弱破碎矿体中巷道的常见破坏形式， 不仅 导致巷道断面减小和支护变形破坏， 而且影响通风 和人员设备运行， 翻修费时费力影响矿山生产效 率。因此， 众多学者对巷道底鼓和侧鼓的机理和控 制技术进行了研究， 如陈炎光 ［1］将底鼓分为挤压流 动、 挠曲褶皱、 遇水膨胀和剪切错动4种类型， 而诸如 底鼓三控 ［2］、 连续双壳［3］、 锚索加固［4］、 注浆加固［5］和 卸压 ［6］等技术在底鼓和侧鼓控制中也起到了较好的 86 ChaoXing 效果。总的看来， 目前更多的从支护角度对巷道底鼓 和侧鼓进行研究。但底鼓和侧鼓是围岩性质、 地应 力、 巷道形状、 支护等因素共同作用的结果 ［1］， 有必要 从这些方面展开综合研究。本研究以陕西某铜矿 850 m中段脉内运输巷道底鼓和侧鼓为对象， 通过理 论分析和FLAC3D数值分析， 首先分析了岩体矿物成 分、 岩体强度和侧压系数对底鼓和侧鼓的影响， 然后 讨论了底板和侧帮形状对底鼓和侧鼓的影响并提出 了最优巷道形状， 最后从支护角度分析了底鼓和侧鼓 的机理。在此基础上， 提出了底鼓和侧鼓控制措施。 1工程概况 陕西某铜矿矿体赋存标高800～886 m， 地表平均 标高1 100 m。矿体和围岩均为片理化细碧岩， 片理 裂隙发育， 岩体完整性差强度低， 围岩表现出大变形 的特点， 850 m中段脉内运输巷道埋深250 m， 采用直 墙平底1/3三心拱巷道， 断面尺寸2.2 m2.4 m （宽 高） ， 两帮移近量14～15 cm， 底板上移量8～9 cm， 拱顶 下沉不明显。支护主体的三心拱架由16工字钢制 成， 支架之间和支架两脚采用槽钢焊接， 间距0.3 m， 底板不需支护。当支架与围岩之间的间隙较大时， 采用圆木填充。但这种支护方式成本高且作业效率 低， 而且仍不能有效控制巷道变形， 底鼓和帮鼓较为 严重， 如图1， 底鼓导致底板开裂铁轨被顶起， 侧鼓导 致支架两脚被挤出， 严重影响矿山正常生产。 2高侧压软岩巷道底鼓和侧鼓机理分析 2. 1数值模型构建 巷道开挖影响范围取其当量半径 ［7］的5倍， 数 值模型长宽高为20 m25 m25 m， 划分单元 72 480个。数值计算采用Mohr-Coulomb模型， 垂直 应力 6.87 MPa， 水平最大应力 10.74 MPa， 与巷道垂 直， 水平最小应力7.29 MPa， 与巷道平行 ［8］。 2. 2岩体性质的影响 分析该铜矿矿岩成分 （表1） 可如， 矿岩中不含蒙 脱石和伊利石等遇水强烈膨胀成分。根据文江泉 ［9］ 提出的膨胀岩鉴定方法对矿岩进行崩解实验， 实验 结果表明该铜矿矿岩为非膨胀岩， 围岩遇水膨胀产 生的变形不考虑。但矿岩中含有10～25的绿泥石 成分， 导致矿岩偏软， 与水长期接触后强度更低， 因 此巷道开掘后要做好防排水措施。 该铜矿矿岩非常破碎， RMR分类为Ⅳ类围岩， 岩 体的力学参数详见表2， 其中Ⅱ类和Ⅲ类围岩的力学 参数根据文献 ［11］ 选取。 Ⅱ类、 Ⅲ类、 Ⅳ类围岩的巷道变形和塑性区体积 统计如图2。 由图2可知， Ⅱ类围岩巷道的变形量和塑性区体 积与Ⅲ类围岩基本相同。Ⅱ、 Ⅲ类围岩巷道的变形 量都小于 10 mm， 而Ⅳ类围岩变形量超过 600 mm； Ⅱ、 Ⅲ类围岩巷道的塑性区体积都小于50 m3， 而Ⅳ类 围岩塑性区体积超过500 m3； Ⅳ类围岩巷道位移和塑 性区体积明显高于其他2类围岩 ［12］。 2. 3侧压系数的影响 侧压力系数λ为0.5、 1.0、 1.5、 2.0时巷道位移和塑 性区体积如图3。 由图3可知，λ由0.5增大到2时， 巷道变形加速 2019年第6期郭进平等 高侧压软岩巷道破坏机理及控制技术研究 87 ChaoXing 增长， 塑性区体积先减后增，λ1时最小。顶板、 底板 和侧帮位移分别从初始值3.05 cm、 2.28 cm和3.64 cm 增加到 11.21 cm、 12.39 cm 和 9.97 cm。增幅分别为 267.5、 434.4和173.9。表明水平应力对运输巷 道变形有显著的影响， 其中影响最大的是运输巷道 的底板。区域内以水平应力为主， λ1.56， 巷道收敛 变形基本与数值模拟结果一致。 2. 4巷道断面形状的影响 巷道顶板下沉不明显， 为研究方便， 控制顶板结 构形状不变。 2. 4. 1底板形状的影响 巷道顶板矢跨比 （弧高与弧跨之比） 为0.33， 两帮 矢跨比为0时， 得出巷道位移、 塑性区体积与底板矢 跨比的关系见图4。 由图4可知， 直墙三心拱巷道底板矢跨比从0增 加至0.3时， 侧鼓量从6.42 cm上升至7.04 cm， 增幅为 9.7， 底鼓量从 7.84 cm 下降至 5.89 cm， 降幅为 24.9， 塑性区体积先降后增， 底板矢跨比0.2时最 小。增大底板矢跨比可以使底鼓量减小， 却会使侧 鼓量增加。同时巷道底板矢跨比大于0.2， 会使得塑 性区体积显著增加。进入塑性状态后， 岩体承载能 力会大幅度下降。故而直墙三心拱最优底板矢跨比 应为0.2， 此时底鼓量为6.69 cm， 比平底降低14.7； 塑性区体积为436.9 m3， 比平底降低17.6。 2. 4. 2侧帮形状的影响 通过控制巷道顶板矢跨比为0.33； 侧帮由直墙改 曲墙矢跨比为0.09； 底板矢跨比为0。顶板下沉量为 7.03 cm， 比直墙下降4.0； 底鼓量为7.13 cm， 比直墙 下降9.1； 帮鼓量为5.53 cm， 比直墙下降13.9； 塑 性区体积为443.4 m3， 比直墙下降16.4。 金属矿山2019年第6期总第516期 88 ChaoXing 2. 4. 3巷道形状优化 采用底拱能减少底鼓， 采用曲墙能减少帮鼓， 因 此控制顶板和侧帮矢跨比分别为0.33、 0.09， 并保持 巷道有效高度和宽度不变， 优化马蹄形巷道的底板 形状， 巷道变形和塑性区如图5。 由图5可知， 通过从初始值0增加至0.3改变马 蹄形巷道底板矢跨比， 底鼓量和侧鼓量从初始值 7.13 cm和5.53 cm变为5.93 cm和5.98 cm。底鼓量降 幅为16.8， 侧鼓量增幅为8.1； 塑性区体积变化为 先减小后增大， 当底板矢跨比为0.2时最小。可以得 出马蹄形巷道最优底板矢跨比为0.2， 这时顶板下沉 量为6.82 cm， 比直墙平底三心拱下降6.8； 底鼓量 为6.22 cm， 比直墙平底三心拱下降20.7； 侧鼓量为 5.73 cm， 比直墙平底三心拱下降10.7； 塑性区体积 为314.2 m3， 比直墙平底三心拱下降59.3， 优于单独 采用底拱或曲墙。 2. 5支护条件的影响 目前脉内运输巷道支护主要存在以下问题 ① 支架与围岩之间2～4 cm的间隙未作充填， 不能形成 支架与围岩的共同承载体； ②钢支架拱脚未作处理， 结构整体和局部的稳定都会受到影响， 从而导致不 能对巷道两帮形成有效支护； ③巷道底鼓变形因底 板未支护而得不到限制。针对上述问题， 采用与现 场相同的支架间距进行数值模拟， 耦合支护通过将 支架单元beam与围岩zone进行link来实现。耦合支 护时巷道位移如图6。 由图6可知， 耦合支护后巷道底鼓量为5.60 cm， 与现场不耦合支护相比降低 34.1； 侧鼓量为 4.25 cm， 与现场不耦合支护相比降低41.4。底板支护后 巷道底鼓量为4.46 cm， 与底板不支护相比降低底鼓 量20.4； 侧鼓量为3.59 cm， 与底板不支护相比降低 15.5。可知， 采用耦合支护和对底板进行支护不仅 可以增强支架的结构稳定性， 而且可以显著降低底 鼓量和侧鼓量。但仅采用钢架支护是不能有效控制 巷道变形。 3高侧压软岩巷道支护技术研究 依据对脉内运输巷道顶底板和两帮的矢跨比进 行分析， 认为脉内运输巷道顶板矢跨比为0.33； 底板 矢跨比为0.2； 侧帮矢跨比为0.09时， 对运输巷道变形 控制是最优的。故而支护技术研究应首先以巷道断 面形状的优化为基础进行。 3. 1支护方式选择 通过研究和实践表明 多种支护方式的联合和 耦合可以有效地支护软弱破碎围岩。针对现存在的 支护问题， 以 “先柔后刚” 为规则， 选择 “喷锚网全断 面钢架” 。基本思路为 首先进行柔性支护， 巷道开 挖后立即喷射一层素混凝土以封闭围岩， 并进行锚 网支护； 然后进行刚性支护， 利用钢支架的大强度和 大刚度限制围岩的有害变形架设全断面钢支架； 最 后进行第二次喷射混凝土支护， 增强支护的整体性 并防止支护受到腐蚀。 要使支架与围岩形成共同的承载体， 消除全断 面钢支架与巷道的空隙是关键。本研究设计用袋装 充填圈填充钢支架与巷道周边的空隙， 利用聚氨酯 与松散体材料混合装袋后体积增大， 使钢支架可以 与岩体接触更为紧密， 在使钢支架均匀受力的同时 起到耦合支护的效果。 3. 2支护参数和现场运用效果 通过工程类比和FLAC3D数值模拟的方法， 现场 试验采用的主要支护参数见表3。 2019年第6期郭进平等 高侧压软岩巷道破坏机理及控制技术研究 89 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ 850 m中段脉内运输巷道采用 “喷锚网全断面 钢架支架壁后袋装充填圈” 的支护后， 经30 d变形 收敛， 顶底板移近量为 14.5 mm， 两帮移近量为 32 mm， 能保证巷道的稳定。 4结论 （1） 某铜矿巷道底鼓和侧鼓的根本原因是围岩 软弱破碎和水平地压大， 与围岩遇水膨胀关系不明 显。 （2） 采用底拱和曲墙能有效降低巷道底鼓和侧 鼓量。该铜矿脉内运输巷道顶板矢跨比为0.33； 底板 矢跨比为0.2； 侧帮矢跨比为0.09时， 对控制脉内运输 巷道的变形最有利。 （3） 采用耦合支护的同时对底板进行支护不仅 可以加强支架的稳定性， 而且可以显著地降低底鼓 量和侧鼓量。与不耦合支护相比， 耦合支护后底鼓 量降低34.1、 侧鼓量降低41.4。与底板不支护相 比， 底板支护后底鼓量降低 20.4； 侧鼓量降低 15.5。但单一采用钢架支护不能有效控制巷道变 形。 （4） 利用支架壁后袋装充填圈可以形成支架与 围岩共同的承载体， 并配合喷锚网和全断面钢架后， 运输巷道的顶底板和两帮移近量分别为14.5 mm和 32 mm， 可以有效控制巷道底鼓和侧鼓。 参 考 文 献 陈炎光， 陆士良.中国煤矿巷道围岩控制 ［M］ .徐州中国矿业大 学出版社， 1994. 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