儲(chǔ)瀟姝　孔　令　徐　恒　李芳芳　王貽明　張　元　王朝壘

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.中礦資源勘探股份有限公司)

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金屬礦山破碎礦巖巷道穩(wěn)定性分級(jí)與支護(hù)方式選擇

儲(chǔ)瀟姝1,2孔令1,2徐恒1李芳芳1王貽明1張?jiān)?,2王朝壘1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.中礦資源勘探股份有限公司)

摘要針對(duì)某銅礦礦巖條件復(fù)雜、巷道穩(wěn)定性差異大、支護(hù)難等問(wèn)題，結(jié)合礦山5個(gè)工程地質(zhì)巖組的分區(qū)，采用Q系統(tǒng)分級(jí)法和修正BQ分級(jí)法，對(duì)該礦山巷道所通過(guò)的礦巖工程進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)，并根據(jù)已穿鑿巷道所揭露的圍巖實(shí)際跨冒情況，將礦山各區(qū)出現(xiàn)跨冒的危險(xiǎn)分為5級(jí)，對(duì)應(yīng)為巷道的5個(gè)支護(hù)等級(jí)。根據(jù)礦山支護(hù)工藝特點(diǎn)及施工技術(shù)條件，針對(duì)不同的巷道支護(hù)等級(jí)，以樹(shù)脂錨桿、長(zhǎng)錨索、鋼筋網(wǎng)以及濕噴混凝土為基礎(chǔ)，分別形成了5類(lèi)不同的支護(hù)方案。工程實(shí)踐表明：巷道礦巖穩(wěn)定性分級(jí)結(jié)果可靠，支護(hù)方案操作性強(qiáng)、支護(hù)效果好，有效提高了巷道成型率，滿(mǎn)足了巷道生產(chǎn)要求，且大大降低了礦山支護(hù)成本。

關(guān)鍵詞破碎礦巖巷道冒頂穩(wěn)定性危險(xiǎn)性分級(jí)支護(hù)工藝

礦巖穩(wěn)定性是金屬礦山開(kāi)采的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，是礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)、地壓控制和安全管理的主要依據(jù)，開(kāi)展礦巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)于礦山地下開(kāi)采具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。礦巖穩(wěn)定性的主要影響因素可分為地質(zhì)和非地質(zhì)2類(lèi)，前者包括相關(guān)的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)和礦巖力學(xué)特性等，后者主要與礦山所采用的采礦工藝、施工技術(shù)等因素有關(guān)。礦巖的穩(wěn)定性既決定了礦山采礦工藝和施工工藝的選擇，同時(shí)在后續(xù)過(guò)程中又會(huì)受到采礦和施工作業(yè)的影響。由于地下工程地質(zhì)條件紛繁復(fù)雜，因而礦巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作需貫穿于地下開(kāi)采作業(yè)的始終，對(duì)巷道和采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性分析是其中的重要內(nèi)容。工程巖體質(zhì)量分級(jí)是礦巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的核心，巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果對(duì)于井巷工程的穩(wěn)定性估計(jì)、支護(hù)及維護(hù)有一定的指導(dǎo)意義[2]。尤其在礦山工程地質(zhì)條件異常復(fù)雜，采用單一的巷道支護(hù)手段難以滿(mǎn)足巖體穩(wěn)定性要求的情況下，基于圍巖巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果進(jìn)行圍巖分類(lèi)分級(jí)并制定相應(yīng)的支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，可在確保支護(hù)高效安全的同時(shí)降低支護(hù)成本[3]。

某銅礦工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦巖破碎，部分圍巖遇水泥化，巷道形狀、尺寸不一，支護(hù)困難。隨著礦山開(kāi)采深度的加大，礦巖工程質(zhì)量迅速下降，且由于該礦山支護(hù)方式單一、支護(hù)參數(shù)選擇不合理，導(dǎo)致礦山巷道垮冒非常嚴(yán)重。為確保回采巷道的穩(wěn)定性，有必要合理選擇支護(hù)方式和參數(shù)進(jìn)行巷道維護(hù)。本研究對(duì)該礦回采揭露的礦巖進(jìn)行工程調(diào)查(巖性描述、結(jié)構(gòu)面調(diào)查、巷道垮冒情況等)，并對(duì)采集的礦巖試樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的礦巖物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)礦巖重新進(jìn)行工程質(zhì)量分級(jí)，基于分級(jí)結(jié)果進(jìn)行圍巖分區(qū)，并推薦相應(yīng)的支護(hù)方法。

1工程地質(zhì)概況

該銅礦工程地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)礦體巷道通過(guò)采區(qū)周邊礦巖的分布狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造和圍巖蝕變情況，結(jié)合礦巖物理力學(xué)參數(shù)，將工程所轄地區(qū)的巖石按建造、改造特性及組合規(guī)律進(jìn)行分組，每一巖組可由1種巖石組成，也可由幾種巖石組成，為工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)、分區(qū)和工程規(guī)劃提供依據(jù)[4]?？蓪⒉蓽?zhǔn)巷道通過(guò)區(qū)域的巖體分為基底花崗巖組、長(zhǎng)石石英巖組、礦化板巖組、礫巖組、砂層等5個(gè)工程地質(zhì)巖組。其中基底花崗巖主要由片麻狀花崗巖、花崗片麻巖、花崗巖組成，RQD值為65～80，巖體完整性較好，塊狀結(jié)構(gòu)，硬度一般，節(jié)理不發(fā)育，但局部巖體破壞較嚴(yán)重，布置巷道時(shí)曾出現(xiàn)局部冒落。長(zhǎng)石石英巖組主要賦存于礦體上下盤(pán)，RQD值為32～78，層理面較發(fā)育，巖體完整性一般。礦化板巖組為礦區(qū)的主要含礦層位，巖性主要為泥質(zhì)板巖和砂質(zhì)板巖，RQD值為0～52，一般小于30，該巖組巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為層狀碎裂結(jié)構(gòu)，層理、片理發(fā)育，巖體穩(wěn)定性差。礫巖巖組為礦體直接頂?shù)装?，包括底礫巖、卵石礫巖和下盤(pán)礫巖，RQD值為0～66，絕大多數(shù)小于30，含泥質(zhì)高，遇水泥化嚴(yán)重，巖石質(zhì)量較差，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響較大。砂層巖組在礦體和上下盤(pán)圍巖之間都有存在，巖體結(jié)構(gòu)松散，遇水成泥，極易垮塌，對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響最大，該巖組鉆孔取芯率為0，RQD值為0。各巖組節(jié)理總體較發(fā)育，且相互切割，共同破壞巖體的完整性，其中礦體及頂?shù)装宸€(wěn)定性最差，對(duì)巷道及采場(chǎng)穩(wěn)定性均有重要影響。

2工程巖體分級(jí)

2.1分級(jí)方法

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了穩(wěn)定性指數(shù)公式、穩(wěn)定性系數(shù)公式、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)QB公式、Q系統(tǒng)分級(jí)法、RMR分級(jí)法、RQD值分級(jí)法等工程巖體分級(jí)方法[5-7]。本研究在礦山前期工程地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)巖體分類(lèi)的基礎(chǔ)上，按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218-94)，選用Q系統(tǒng)分級(jí)法和修正BQ分級(jí)法進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分級(jí)。

2.1.1Q系統(tǒng)分級(jí)法

Q系統(tǒng)分級(jí)法考慮的因素主要包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理間距、節(jié)理形狀、地下水狀態(tài)、節(jié)理產(chǎn)狀與巷道軸線的關(guān)系等。采用乘積法對(duì)該6個(gè)因素進(jìn)行計(jì)算，公式為

(1)

式中，RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)，%；Jn為節(jié)理組數(shù)系數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)(最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組)；Ja為節(jié)理蝕變度(變異)系數(shù)(最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組)；Jw為節(jié)理滲水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

根據(jù)Q值確定的巖體級(jí)別見(jiàn)表1。

2.1.2修正BQ分級(jí)法

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc和巖體完整性指數(shù)Kv進(jìn)行計(jì)算，公式為

表1　由Q值確定的巖體級(jí)別

(2)

當(dāng)Rc>90Kv+30時(shí)，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入式(2)計(jì)算；當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時(shí)，應(yīng)以Kv>0.04Rc+0.4和Kv代入式(2)計(jì)算。

當(dāng)進(jìn)行巖體詳細(xì)分級(jí)時(shí)，需對(duì)BQ值進(jìn)行修正，其修正值[BQ]的計(jì)算公式為

(3)

式中，K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

基于計(jì)算得到的Q值和[BQ]值，綜合巷道揭露圍巖的實(shí)際情況，可將工程巖體分為5級(jí)(表2)，其中Ⅰ級(jí)穩(wěn)定性最好，Ⅴ級(jí)最差。

表2　由[BQ]值確定的巖體級(jí)別

2.2分級(jí)結(jié)果及巷道支護(hù)分類(lèi)2.2.1分級(jí)結(jié)果

根據(jù)Q系統(tǒng)分級(jí)法和修正BQ分級(jí)法對(duì)該礦巷道通過(guò)的巖體工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表3、表4所示。

表3　巷道所通過(guò)的工程巖體基本質(zhì)量(Q值)

在綜合考慮了地下水、結(jié)構(gòu)面與應(yīng)力場(chǎng)對(duì)礦巖工程質(zhì)量的影響后，對(duì)礦山巷道通過(guò)的礦巖區(qū)域進(jìn)行了礦巖工程質(zhì)量分級(jí)。根據(jù)計(jì)算得到的Q值和修正[BQ]值，按兩者的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可知礦體主要工程巖組的穩(wěn)定性狀況：①基底花崗巖、長(zhǎng)石石英巖Ⅱ級(jí)，穩(wěn)定性良，主要受節(jié)理裂隙類(lèi)型結(jié)構(gòu)面的影響。②礦化板巖、礫巖和砂層為Ⅴ級(jí)，穩(wěn)定性劣，其中礦化板巖受層面和層里面等結(jié)構(gòu)面影響，同時(shí)被各類(lèi)節(jié)理裂隙斜交，破壞了礦體的完整性，而礫巖和砂層節(jié)理裂隙因含泥量較高，受地下水影響較大，遇水泥化情況嚴(yán)重，但受應(yīng)力場(chǎng)影響較小，幾乎對(duì)工程巖體無(wú)影響。

表4　巷道所通過(guò)的工程巖體基本質(zhì)量表([BQ]值)

2.2.2巷道支護(hù)分類(lèi)

(1)無(wú)冒落危險(xiǎn)。一般對(duì)應(yīng)區(qū)域的圍巖巖性較好，巖性以基底花崗巖為主，基本無(wú)需進(jìn)行較大強(qiáng)度的支護(hù)即可滿(mǎn)足不冒落要求。

(2)弱冒落危險(xiǎn)。對(duì)應(yīng)區(qū)域分布的巖組以基底花崗巖、長(zhǎng)石石英巖為主，局部分布有礦化板巖和砂巖組，巖性欠穩(wěn)固，或巷道頂板無(wú)滲水的區(qū)域，需采取一定的措施進(jìn)行冒頂防護(hù)，并進(jìn)行一定強(qiáng)度的支護(hù)，可采用錨桿或錨索對(duì)需要支護(hù)的區(qū)段進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)頂板圍巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)處理巷道掘進(jìn)或后期維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的冒落問(wèn)題。

(3)中等冒落危險(xiǎn)。區(qū)域以礫巖層為主，巖性局部不穩(wěn)固，或巷道圍巖有滲水，受滲水影響巖壁出現(xiàn)泥化現(xiàn)象的區(qū)域，需對(duì)巷道進(jìn)行錨桿或錨索支護(hù)，并采取措施進(jìn)行巷道排水，避免出現(xiàn)大規(guī)模的泥化、失穩(wěn)、片幫問(wèn)題，局部滲水較嚴(yán)重的區(qū)域可采用濕噴混凝土進(jìn)行封閉處理。

(4)強(qiáng)冒落危險(xiǎn)。區(qū)域巖組分布復(fù)雜，對(duì)應(yīng)圍巖巖性不穩(wěn)固，或圍巖滲水嚴(yán)重，或幾條巷道交錯(cuò)的“十字口”、“T字口”等特殊區(qū)域，需采用錨桿、錨索或濕噴混凝土進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，并注意圍巖滲水的抽排，同時(shí)避免在“十字口”、“T字口”等特殊區(qū)域附近布置大型硐室、留下采場(chǎng)空區(qū)等，減少后續(xù)爆破或應(yīng)力轉(zhuǎn)移對(duì)該類(lèi)區(qū)域的擾動(dòng)，在日常巷道維護(hù)過(guò)程中也需對(duì)支護(hù)質(zhì)量和巷道圍巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)或封閉處理。

(5)極端冒落危險(xiǎn)。對(duì)應(yīng)區(qū)域圍巖條件極差，巖性以礦化板巖和砂層為主，遇水泥化嚴(yán)重，或存在大的斷層、破碎帶等構(gòu)造的特殊地段，巷道附近存在較大的富水巖層。針對(duì)該類(lèi)區(qū)域，需加大支護(hù)強(qiáng)度，一般采用聯(lián)合支護(hù)，采用注漿等措施封堵涌水通道，并對(duì)該部分巷道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，盡量縮短其存在時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)巷道區(qū)域冒落危險(xiǎn)性、工程重要程度，對(duì)相應(yīng)巷道區(qū)段進(jìn)行了等級(jí)劃分，以確定支護(hù)區(qū)域位置和相應(yīng)的支護(hù)等級(jí)，將支護(hù)區(qū)域劃分為Ⅰ～Ⅴ 5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表5。

表5　礦體采切巷道冒頂危險(xiǎn)等級(jí)及對(duì)應(yīng)區(qū)域

3巷道分級(jí)支護(hù)方式

針對(duì)不同等級(jí)的巷道礦巖情況，結(jié)合礦山生產(chǎn)技術(shù)條件和工藝特點(diǎn)，制定了不同標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)方案，見(jiàn)表6。表6中噴射混凝土采用濕噴工藝，利用濕噴臺(tái)車(chē)高效濕噴混凝土支護(hù)技術(shù)施工，可極好地封閉圍巖，解決礦山泥質(zhì)板巖和礫巖巖組易風(fēng)化、遇水易泥化崩解的問(wèn)題，有效提高圍巖的自承能力和巷道穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某銅礦礦巖條件，將巷道通過(guò)區(qū)域的礦巖劃分為基底花崗巖組、長(zhǎng)石石英巖組、礦化板巖組、礫巖組、砂層組等5個(gè)工程地質(zhì)巖組，并在巷道穩(wěn)定性調(diào)查和節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用Q系統(tǒng)分級(jí)法和修正BQ分級(jí)法對(duì)該礦山礦巖質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行了劃分。以礦巖質(zhì)量分級(jí)結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合開(kāi)采實(shí)際情況，將巷道圍巖出現(xiàn)垮冒的危險(xiǎn)性劃分為5個(gè)等級(jí)(無(wú)冒落危險(xiǎn)、弱冒落危險(xiǎn)、中等冒落危險(xiǎn)、強(qiáng)冒落危險(xiǎn)和極端冒落危險(xiǎn))，得到對(duì)應(yīng)的巷道支護(hù)等級(jí)。針對(duì)不同的危險(xiǎn)性分區(qū)，進(jìn)行了相應(yīng)的支護(hù)方案設(shè)計(jì)。礦山實(shí)踐結(jié)果表明，本研究推薦的支護(hù)方案可有效控制巷道圍巖變形、冒落，巷道成型率高，有助于大幅度降低礦山支護(hù)成本。

表6　不同等級(jí)的巷道支護(hù)方案

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(收稿日期2015-08-12)

儲(chǔ)瀟姝(1984—)，女，工程師，經(jīng)濟(jì)師，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。