云南勐兴铅锌矿巷道围岩稳定性研究.pdf

第34卷 第8期 2016年8月 河 南 科 学 HENAN SCIENCE Vol.34 No.8 Aug. 2016 收稿日期2016-05-09 基金项目国家自然科学基金青年项目 （41402212） 作者简介赵红利 （1990-） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为水文地质与工程地质 通信作者高建国 （1954-） ， 男， 教授， 博士生导师， 主要研究方向为综合信息成矿预测. 文章编号 1004-3918 （2016） 08-1278-05 云南勐兴铅锌矿巷道围岩稳定性研究 赵红利， 高建国， 蹇龙， 王文元， 侬阳霞 （昆明理工大学 国土资源工程学院， 昆明650093） 摘要云南勐兴铅锌矿是滇西南规模较大的多金属硫化物矿床， 随着开采深度的不断增大， 围岩稳定情况越来 越复杂， 巷道稳定性问题已经成为制约矿山安全生产的主要问题之一. 在对矿区地质条件研究， 底板含水层构造 裂隙对巷道围岩影响的分析， 围岩变形特征及室内力实验的基础上， 采用工程岩体分级标准、 水利水电围岩工程地 质分类和岩体RMR分类方法对680采矿巷道中段围岩进行分类研究， 并对各个分类结果进行了一致性、 相关性和 适用性分析， 得出围岩质量分级. 运用FLAC3D软件对巷道围岩进行三维数值模拟， 对围岩分类和数值模拟的结果 进行对比， 得出定性分析与定量计算的结果基本一致. 关键词围岩稳定性；FLAC3D数值模拟；深部开采；勐兴矿区 中图分类号P 642.3文献标识码A Research of the Tunnel Surrounding Rock Stability of Mengxing Lead-Zinc Mine in Yunnan Zhao Hongli， Gao Jianguo， Jian Long， Wang Wenyuan， Nong Yangxia （Faculty of Land Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China） AbstractThe Mengxing Lead-Zinc Mine of Yunnan is a sweeping polymetallic sulfide ore deposit discovered in southwest of Yunnan， along with augment of the mine mining depth， the stability of surrounding rock is more and more complicated， the tunnel stability problem already became one of restriction mine safety production main question. Based on the research of the geological conditions of mining area， the analysis of the influence of the structural fissures of the aquifer on the surrounding rock， the deation characteristics of the surrounding rock and the experimental results of the interior stress， we used the project rock mass graduation standard， the hydropower engineering geology surrounding rock classification and the rock mass RMR classification to classify the surrounding rock classification research of 680 center-sections of Mengxing lead-zine mine， and carried out the analysis of the uniity， the pertinence and the applicability to the different classification result ， then got the surrounding rock quality classification. The three dimensional numerical simulation of the tunnel surrounding rock was carried out by using of FLAC3D software. The results of surrounding rock classification and numerical simulation are compared， and the results of qualitative analysis and quantitative calculation are basically consistent. Key wordsstability of surrounding rock；FLAC3D numerical simulation；deep mining；Mengxing mining area 近20年来， 随着采矿技术的不断提高， 对矿床开采深度也不断增大， 勐兴铅锌矿从地表出露矿体开采到 地下450 m左右的680采矿中段， 已出现砂岩底部软弱夹层较多、 含水性及吸水性较好的现象.层纹灰岩段 与千枚岩 （尤其是含炭千枚岩） 易风化， 遇水软化， 层间断层及揉皱发育，“X” 节理发育， 裂隙产状较陡， 易产 2016年8月 生塑性形变及冒顶、 片帮、 侧胀、 底鼓等不良工程现象， 随着开采深度不断加深地应力相应的增大、 易产生塑 性形变， 采矿中改变天然应力场亦可导致岩层失稳 ［1-2］ ， 在工程地质条件较差的地方布置坑道， 巷道难以成 型， 且建成后易变形.所以， 在进行巷道工程布置时必须考虑软弱岩层和层间破碎带对巷道围岩稳定性的影 响.勐兴铅锌矿开采多年， 尚未进行专门的矿山工程地质研究， 因此针对勐兴铅锌矿680中段巷道围岩稳定 性进行定性到定量的研究， 对巷道围岩稳定性进行评价， 可为矿山地下开采和工程设计提供依据. 1矿区地质条件 勐兴铅锌矿区位于云南保山镇康地体中部姚关酒房复式向斜南缘， 处于近南北向的勐糯次级向斜 构造之东翼，区内主要出露古生代寒武系公养河群 （∈gn） 、 奥陶系 （O） 、 志留系 （S） 、 泥盆系 （D） 与中生代三叠系 （T） 地层， 其中志留系中统上仁和桥组为区内主要地层与赋矿层位.其岩性特征为 上仁和桥组上段 （S 2 2） 为 细粒长石石英砂岩和薄层状千枚岩； 下段 （S 1 2） 为层纹状灰岩、 泥灰岩及夹含碳千枚岩、 沉晶屑凝灰岩.底部 夹灰色、 深灰色中厚层块状生物碎屑结晶灰岩透镜体.矿区为一单斜构造， 走向由北东向转为南北向， 以 中等倾斜之单斜构造转为陡立乃至倒转的褶曲构造以及与之匹配的纵向和横向断层， 反映了区域应力场力 学性质， 纵向断层还可能是导矿断层.由此褶皱构造所产生的层间滑动和破劈理带， 是本区铅锌矿体呈似层 状产出和细脉产出的重要控矿、 贮矿构造.按其赋存空间位置的不同， 划分为Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ及Ⅳ矿群.Ⅰ、 Ⅱ号 矿群产于志留系下统上段 （S 2 1） 层纹灰岩的中上部， Ⅲ号矿群产于志留系下统上段 （S 2 1） 的底部， Ⅳ号矿群产 于志留系下统 （S1） 顶部， 铅锌金属资源储量上万吨的矿体共有10个， 为一大型铅锌矿床. 2工程地质条件 矿区位于怒江与勐兴坝子夹持的近南北向分水岭西侧的斜坡地带， 受地层产状及构造制约， 构成单斜 自流盆地， 为独立的水文地质单元 ［3-4］. 矿区范围内有2个含水层和3个隔水层， 之间均为整合接触.其中， 志留系下统下仁和桥组上段 （S 2 1） 为矿床地板直接充水的含水层， 构造裂隙发育， 含水丰富， 直接影响围岩的 完整性及稳定性. 含矿围岩主要有微晶灰岩、 生物碎屑灰岩、 生物点礁灰岩、 层纹灰岩、 千枚岩、 石英千枚岩、 含钙千枚岩、 细粒长石石英砂岩以及含炭千枚岩.岩性的差异性导致岩层易变形， 其变形特征 大部分严重变形段岩性都 为含炭千枚岩段， 黑灰色薄层状含炭千枚岩软弱层发生片帮， 岩石整体发生柔性破坏， 软弱岩石变形量较 大， 变形持续时间长， 坚硬薄层千枚岩发生脆性破坏， 如图1 （a）（b） 所示.层纹状灰岩出露的巷道相对较稳 图1680中段巷道围岩变形情况 Fig.1The deation of tunnel surrounding rock in 680 center-sections （a） 千枚岩夹炭质软弱层发生柔性破坏（b） 坚硬薄层千枚岩发生脆性破坏 （c） 层纹状灰岩部位水泥浇灌支护被压裂（d） 洞轴垂直岩层产状的层纹灰岩渗水但巷道稳定 赵红利， 等 云南勐兴铅锌矿巷道围岩稳定性研究--1279 第34卷 第8期河 南 科 学 定， 局部发育断层破碎带或结构面较密集时， 将导致围岩稳定性变差， 如图1 （c）（d） 所示.总体来说， 顶拱及 底板以垂向位移为主， 边墙以水平位移为主.经过现场取样进行室内抗压强度测试， 获得的矿体及顶底板主 要岩性的抗压强度见表1. 表1矿体主要围岩抗压强度表 Tab.1The main surrounding rock compressive strength of ore 分别对巷道围岩采用工程岩体分级标准、 水利水电围岩工程地质分类、 岩体RMR分类3种方法对围岩 进行分类研究 ［5-11］. 为了把握勐兴铅锌矿巷道围岩的整体特征， 将不同岩体质量分级结果进行了一致性、 相 关性和适用性分析 ［12-14］. 结合巷道实际变形破坏情况、 支护情况， 综合考虑3种分类结果， 最终确定巷道围 岩类别. 志留系中统上仁和桥组下段 （S 1 2） 灰色深灰色层纹状灰岩、 泥灰岩的岩体结构比较简单， 岩性单一， 节理 裂隙不发育， 岩心完整， 无地下水活动迹象， 为矿区两个含水层的隔水顶底板， 大多为Ⅲ-IV类岩体. 志留系下统下仁和桥组上段 （S 2 1） 灰色-深灰色石英千枚岩夹薄层黑灰色千枚岩呈不稳定、 不连续透镜 体的层间构造裂隙， 多为脆性岩体， 构造裂隙较为发育， 大多为V类岩体. 3围岩稳定性数值模拟分析 3.1建立计算模型 在围岩分类基础之上， 根据巷道围岩的变形情况， 分别选取典型的V类围岩和IV类围岩建立模型， 采用 FLAC3D进行数值模拟 ［15-19］. V类围岩选取千枚岩， IV类围岩选取层纹灰岩.由岩石力学的理论分析可知， 开挖圆形洞室的影响范围是3倍洞高.考虑到巷道断面形状为马蹄形及其他因素的影响 ［20］ ， 将模型的计算 范围扩大为5倍洞高， 勐兴铅锌矿典型巷道断面尺寸为2.6 m2.75 m， 所以选取的计算断面为30 m30 m.沿 洞轴线方向取40 m长， 模型尺寸为30 m30 m40 m. 对计算域边界采取位移约束， 即模型6个面的位移均为0.在模型6个面上分别施加应力.由于没有实 测地应力资料， 故选取竖向应力为岩体自重应力， 水平方向应力采用孙家聪等在该地区所做构造应力场数 值模拟结果 ［21］ ， 取得最大水平向最大主应力为14 MPa， 方向近东西向， 自重应力取12.5 MPa， 水平向最小主 应力取5 MPa， 方向近南北向. 根据矿区实际情况， 采用了适用于普通土壤和岩石的力学行为的摩尔-库仑塑性模型， 摩尔-库仑模型 所需材料参数及具体取值见表2. 表2围岩物理力学性质参数表 Tab.2Physical and mechanical properties parameter list of the surrounding rock 3.2模拟结果与分析 在模型计算过程中， 分别记录巷道围岩的应力、 位移和最大不平衡力， 并绘制应力等值线图、 位移等值 线图.为详细了解围岩的变形情况， 在巷道横断面上设定了5个观测点， 计算过程记录了各点的应力和位 移， 最大位移见表3和表4. 样 号 12、 13 14 16 30、 31 工程位置 CK2205 CK2410 CK1607 CK2014 岩石名称 方铅矿， 闪锌矿 （矿体） 层纹灰岩 （矿体上盘） 石英千枚岩 （矿体下盘） 细砂岩 （上盘） 石英千枚岩 （下盘） 试样规格/cm3 555 555 555 5.65.65.6 5.65.65.6 抗压强度/ （kgcm-3） 水平方向 667 509 1567 2019 537 竖直方向 1241 1283 1556 岩性 千枚岩 层纹灰岩 体积模量/MPa 2.87 22.6 内聚力/MPa 0.48 6.72 内摩擦角/ （） 19 42 切变模量/GPa 1.72 11 抗压强度/MPa 15.2 57.5 密度/ （kgm-3） 2350 2580 泊松比 0.25 0.29 弹性模量/GPa 4.3 28.5 --1280 2016年8月 由图2中 （a）（b） 两图分析可知， 千枚岩巷道围岩变形较大的区域主要集中在顶拱中部、 两侧边墙中上 部和底板中部， 其他部位距巷道壁越近， 位移量越大.水平向最大位移产生于边墙中上部， 最大位移量为 10 cm； 竖直向最大位移产生于底板中部， 最大位移量9.4 cm； 顶板最大变形量为7.94 cm， 位于顶拱中心处. 由图2中 （c）（d） 两图可知， 水平应力在距顶拱和底板23 m处相对集中， 最大应力值为16.8 MPa； 竖直应力在 距两侧边墙34 m处相对集中， 最大应力值为14.3 MPa. 其他部位距巷道壁越远， 应力值越小. 层纹灰岩巷道围岩变形较大的区域主要集中在顶拱中部、 两侧边墙中上部和底板中部， 其他部位距巷 道壁越近， 位移量越大.水平向最大位移产生于边墙中上部， 最大位移量为1.65 mm； 竖直向最大位移产生 于底板中部， 最大位移量1.45 mm； 顶板最大位移量为1.11 mm， 位于顶拱中心处.水平应力在距顶拱0.1 1.0 m处相对集中， 最大应力值为26.1 MPa； 竖直应力在距两侧边墙0.11.1 m处相对集中， 最大应力值为 20.1 MPa.由于篇幅有限仅给出千枚岩位移及应力等值线图. 图2千枚岩位移及应力等值线图 Fig.2The displacement and stress contour of phyllite 表3千枚岩计算模型记录点最大位移统计表 Tab.3The maximum displacement record statistics table of phyllite calculation model 点号 1 2 3 4 5 点位 顶拱中点 边墙顶角 边墙中点 边墙底角 底板中点 水平向最大位移 810-4 9.05 9.14 4.89 410-4 竖直向最大位移 7.94 2.96 5.710-4 3.610-2 9.4 点号 1 2 3 4 5 点位 顶拱中点 边墙顶角 边墙中点 边墙底角 底板中点 水平向最大位移 410-3 1.46 1.65 0.72 310-3 竖直向最大位移 1.1 0.33 4.9810-3 0.57 1.45 表4层纹灰岩计算模型记录点最大位移统计表 Tab.4The maximum displacement record statistics table of layer limestone calculation model cmcm （a） 千枚岩水平方向位移等值线图（b） 千枚岩竖直方向位移等值线图 （c）千枚岩水平方向应力等值线图（d） 千枚岩竖直方向应力等值线图 赵红利， 等 云南勐兴铅锌矿巷道围岩稳定性研究--1281 第34卷 第8期河 南 科 学 4结论 通过对勐兴铅锌矿680坑采矿中段巷道围岩采用定性分析和定量计算相结合的方法， 对巷道围岩稳定 性进行了较深入的分析研究， 主要取得以下结论 1） 巷道开挖导致应力集中， 集中区位于巷道开挖面外侧附近， 同时在洞壁内侧产生成临空面形成应力 释放区.临空面外侧局部形成应力集中区， 产生应力集中现象.由于千枚岩抗压强度较低， 易产生塑性变 形， 围岩易发生破坏.层纹灰岩围岩强度较高， 一般不会产生破坏. 2） 巷道开挖后， 由于应力释放， 围岩产生指向洞室内部的弹塑性变形， 顶底板以垂向位移为主， 边墙以 水平位移为主.巷道围岩变形最大区域都位于顶底板及边墙中部.其中层纹灰岩变形相对较小， 以弹性变 形为主.千枚岩变形幅度较大， 以塑性变形为主， 围岩极不稳定. 3） 由以上分析可知， IV类围岩局部地段会因地下水、 地质构造等因素的影响而产生破坏， 一般情况稳 定； V类围岩变形大， 岩石力学性质较差， 围岩易破碎， 较不稳定.数值模拟定量计算结果与围岩分类定性分 析结果一致， 都反映了勐兴铅锌矿巷道围岩的稳定性情况. 参考文献 ［1］ 徐文彬， 宋卫东， 杜建华， 等. 金属矿山底部结构巷道群开挖扰动稳定性分析 ［J］ . 地下空间与工程学报， 2014， 10 （3） 559- 696. ［2］ 姜福兴， 姚顺利， 魏全德， 等. 重复采动引发矿震的机理探讨及灾害控制 ［J］ . 采矿与安全工程学报， 2015， 32 （3） 349-355. ［3］ 赵长江， 高建国， 王开林， 等. 云南勐兴铅锌矿矿体空间特征及预测前景 ［J］ . 云南地质， 2008， 27 （4） 496-501. ［4］ 高星刚， 臧小豹， 高建国， 等. 勐兴铅锌矿区水文地质条件及水质有害性分析 ［J］ . 云南地质， 2009， 28 （4） 430-436. ［5］ 齐三红， 杨继华， 郭卫新， 等. 修正RMR法在地下硐室围岩分类中的应用研究 ［J］ . 地下空间与工程学报， 2013， 9 （2） 1922-1925. ［6］ 王广德， 石豫川， 刘汉超， 等. 深埋隧洞围岩分类方法-JPHC分类 ［J］ . 成都理工大学学报 自然科学版， 2006， 33 （2） 168- 175. ［7］ 王文波， 王瑞云， 张霞， 等. 基于数据库系统对岩石成因分类及围岩分级上的应用 ［J］ . 河南科学， 2012， 30 （5） 614-616. ［8］ 申艳军， 徐光黎， 宋胜武， 等. 高地应力区水电工程围岩分类系统研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2014， 33 （11） 2267- 2275. ［9］ 葛华， 吉峰， 李攀峰. 某水电站地下厂房岩体质量分级研究 ［J］ . 地质找矿从论， 2007， 22 （2） 157-160. ［10］ 中华人民共和国国家标准. 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