孟慧媚，劉武團(tuán)，高 忠

(西北礦冶研究院， 甘肅 白銀市 730900)

小鐵山礦深部開(kāi)采巷道變形監(jiān)測(cè)與分析

孟慧媚，劉武團(tuán)，高 忠

(西北礦冶研究院， 甘肅 白銀市 730900)

隨著小鐵山礦采礦作業(yè)向深部拓展，受地應(yīng)力和巖性分布的影響，地壓活動(dòng)頻繁，引發(fā)的地壓活動(dòng)危害問(wèn)題更為突出。為減少深部開(kāi)采地壓災(zāi)害的不利影響，通過(guò)對(duì)礦山開(kāi)采巷道圍巖的變形監(jiān)測(cè)，分析深部高應(yīng)力條件下巷道圍巖變形特征，制定出適合礦山的支護(hù)措施，有效減少了二次支護(hù)成本，對(duì)保證礦山安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

深部開(kāi)采；變形監(jiān)測(cè)；巷道支護(hù)；松動(dòng)圈

近年來(lái)隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力不斷上升，給深部開(kāi)采巷道圍巖的穩(wěn)定性帶來(lái)巨大的威脅[1-11]。為了使小鐵山礦山安全高效生產(chǎn)，通過(guò)深部開(kāi)采巷道的收斂變形監(jiān)測(cè)，以及巷道圍巖松動(dòng)圈厚度的測(cè)試與分析評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，提供巷道支護(hù)最佳時(shí)間段；成功指導(dǎo)了礦山支護(hù)措施的制定。

小鐵山礦是國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的地下開(kāi)采多金屬中型礦山，該礦礦床為多成因、多期成礦的復(fù)合型海相火山巖層控礦床，現(xiàn)已生產(chǎn)到八中段(1424 m)及以下礦體。該地段內(nèi)賦存有大小礦體8個(gè)，礦體上盤(pán)圍巖為硅質(zhì)千枚巖、綠泥石片巖、凝灰質(zhì)千枚巖、石英角斑巖，硅化強(qiáng)烈，片理不發(fā)育，巖石抗壓強(qiáng)度及硬度系數(shù)較大，穩(wěn)固性較高。礦體下盤(pán)圍巖一般為石英角斑凝灰?guī)r，絹云母化強(qiáng)烈，硅化中等，片理發(fā)育，巖性較軟，巖石抗壓強(qiáng)度及硬度系數(shù)較小，穩(wěn)固性較差。含礦巖組為綠泥石化石英角斑巖，巖石破碎，片理發(fā)育，為不穩(wěn)定巖組，在采礦過(guò)程中易冒頂及片落。破碎帶巖組主要為下盤(pán)石英鈉長(zhǎng)斑巖與石英角斑凝灰?guī)r的接觸帶，該巖帶的穩(wěn)定性差，片落、冒頂、跨塌現(xiàn)象常見(jiàn)。隨著采礦作業(yè)向深部拓展，引發(fā)的地壓活動(dòng)危害問(wèn)題將變得更為突出，為減少深部開(kāi)采地壓災(zāi)害的不利影響，加強(qiáng)小鐵山礦圍巖巷道變形監(jiān)測(cè)，測(cè)試巷道圍巖松動(dòng)圈厚度以及分析深部高應(yīng)力條件下巷道圍巖變形特征，制定適合礦山的支護(hù)措施等是非常必要的[12]。

1 工程概況

1.1 監(jiān)測(cè)原理

本次巷道圍巖收斂監(jiān)測(cè)使用JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)，用于量測(cè)隧道、巷道、峒室及其它工程圍巖周邊任意方向兩點(diǎn)間的距離微小變化，達(dá)到評(píng)定工程穩(wěn)定性，研究工程圍巖及支護(hù)的變形發(fā)展規(guī)律，確定合理支護(hù)參數(shù)的目的。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)過(guò)與礦山討論并實(shí)地勘察，最終確定小鐵山巷道圍巖收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置共4處，分別監(jiān)測(cè)巷道的水平位移和垂直位移變化情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如下：1416 m水平1200穿脈；1416 m水平1050穿脈；1364 m水平1000穿脈；1304 m水平斜坡道聯(lián)絡(luò)道。在每個(gè)觀測(cè)斷面分別設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，即在巷道兩邦、頂?shù)装甯髟O(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，巷道圍巖收斂監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 巷道圍巖收斂監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移和水平位移如圖2和圖3所示。

2 巷道松動(dòng)圈測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

巷道松動(dòng)圈測(cè)試采用SR-RCT松動(dòng)圈測(cè)試儀，本儀器應(yīng)用于巖體測(cè)試，通過(guò)對(duì)被測(cè)巖體聲波參數(shù)的測(cè)試，可以對(duì)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷巖體內(nèi)部破壞情況，確定巷道松動(dòng)圈范圍。

圖2 各測(cè)點(diǎn)垂直位移

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)小鐵山巖性和地應(yīng)力場(chǎng)分析，結(jié)合小鐵山生產(chǎn)現(xiàn)狀并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，確定小鐵山巷道松動(dòng)圈測(cè)試地點(diǎn)6處，分別為：1452 m水平775穿脈(Mπ3)；1416 m水平850穿脈(Mπ3)；1416 m水平850線以西沿脈巷(Mπ3)；1364 m水平850穿脈(Mπ3)；1364 m水平800線以東沿脈巷(Mπ3)；1316 m水平斜坡道(Mπ0)。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)小鐵山礦巷道進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，得到各測(cè)孔的聲波曲線，由該曲線可以判斷沿孔深方向不同測(cè)點(diǎn)的聲速(聲時(shí))，以測(cè)孔中不同深度的縱波速度為縱坐標(biāo)，孔深為橫坐標(biāo)，做出沿孔深方向不同測(cè)點(diǎn)的聲波曲線，即Vp-L曲線，找出曲線上的突變點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的孔深就為該孔的松動(dòng)圈范圍值[13]。各測(cè)試地點(diǎn)的松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 各測(cè)試地點(diǎn)的松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果

2.4 巷道圍巖松動(dòng)圈理論分析

當(dāng)工程巖體處在巖石應(yīng)力-應(yīng)變彈塑性階段時(shí)，可釆用彈塑性力學(xué)的方法進(jìn)行分析，則可以應(yīng)用到超過(guò)脆-延轉(zhuǎn)化圍巖的全部應(yīng)力-應(yīng)變曲線區(qū)域。針對(duì)高應(yīng)力圍巖進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，本文將做出如下假設(shè)：深埋圓形平巷且巷道近似無(wú)限長(zhǎng)；原巖應(yīng)力各向等壓；圍巖為理想彈塑性體；符合一般理想塑性材料的體積應(yīng)變?yōu)榱愕募僭O(shè)，不考慮剪脹效應(yīng)。

在基本理論方程和邊界條件下，經(jīng)計(jì)算得到破碎區(qū)半徑：

(1)

式中，R0為巷道等效半徑，m；p為原巖應(yīng)力，MPa；C為巖體內(nèi)聚力，MPa；φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)。

小鐵山各中段的運(yùn)輸巷道采用下盤(pán)沿脈平巷與穿脈組成的盡頭式運(yùn)輸方式，各運(yùn)輸巷道主要布置在礦體下盤(pán)，因此本次計(jì)算以礦體下盤(pán)的石英角斑凝灰?guī)r作為主要考慮對(duì)象，石英角斑凝灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 石英角斑凝灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，小鐵山巷道破壞情況以1416 m水平沿脈巷道最有代表性，因此本次計(jì)算以1416 m水平為例。根據(jù)小鐵山地形地質(zhì)圖可知，1416 m水平950～825線沿脈巷道的埋深約為484 m，根據(jù)小鐵山地應(yīng)力水平最大應(yīng)力與垂直應(yīng)力擬合公式，計(jì)算出1416 m水平最大應(yīng)力為31.85 MPa，垂直應(yīng)力為21.33 MPa。

由于分段沿脈平巷布置在礦體下盤(pán)與輔助斜坡道相連，斷面3.6 m×4.0 m，根據(jù)面積等效原理，計(jì)算出巷道的等效半徑R0=2.14 m；那么小鐵山1416 m水平沿脈巷道圍巖松動(dòng)圈理論計(jì)算值Rp為：

同理，八中段及以下圍巖松動(dòng)圈計(jì)算值見(jiàn)表3，圍巖松動(dòng)圈計(jì)算值與垂直應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)圖4。

表3 八中段以下圍巖松動(dòng)圈計(jì)算值

圖4 八中段以下圍巖松動(dòng)圈計(jì)算值與垂直應(yīng)力關(guān)系

3 小鐵山礦深部礦壓顯現(xiàn)分析[14]

3.1 巷道收斂變形監(jiān)測(cè)分析

由圖2和圖3可以看出，小鐵山斷面的水平位移和垂直位移在斷面開(kāi)挖1周后，圍巖變形加速，明顯的變形約在開(kāi)挖后的7～21 d，因此支護(hù)應(yīng)該在變形加速前及時(shí)進(jìn)行，從而以支護(hù)構(gòu)件的支護(hù)反力約束圍巖變形。分析小鐵山巷道位移變形的斜率，巷道斷面位移在14 d的時(shí)候變形加速明顯，因而巷道斷面支護(hù)時(shí)間應(yīng)在14 d之前，而本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)多數(shù)位于穿脈巷道中，且穿脈巷道的長(zhǎng)度較短，周?chē)拈_(kāi)挖影響范圍較小，考慮到正常的采動(dòng)影響，建議小鐵山穿脈巷道的支護(hù)時(shí)間為斷面開(kāi)挖后8～10 d。

由于沿脈巷道擔(dān)任階段內(nèi)的運(yùn)輸任務(wù)，布置測(cè)點(diǎn)影響正常的出礦活動(dòng)，沿脈巷道沒(méi)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)之前小鐵山巷道現(xiàn)場(chǎng)破壞調(diào)查結(jié)果，沿脈巷道與最大水平應(yīng)力近似垂直，且?guī)r層層理方向與沿脈巷道方向近似平行，這樣造成沿脈巷道比穿脈巷道變形嚴(yán)重，因此沿脈巷道變形加速階段應(yīng)該比穿脈巷道更早，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)深井軟巖變形的文獻(xiàn)[15-17]，合理的支護(hù)時(shí)間約在1周左右，因此綜合考慮小鐵山沿脈巷道的支護(hù)時(shí)間應(yīng)為5～7 d。

3.2 巷道松動(dòng)圈測(cè)試分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試小鐵山巷道斷面圍巖松動(dòng)圈，結(jié)果表明穿脈巷道的多數(shù)圍巖松動(dòng)圈在1.5 m范圍以內(nèi)，與理論值相近；而沿脈巷道圍巖松動(dòng)圈在1.6 ～3.2 m范圍之內(nèi)，普遍大于理論值，這是由于巷道支護(hù)形式和支護(hù)方法單一，同時(shí)支護(hù)錨桿未進(jìn)入基巖，導(dǎo)致錨桿錨固不牢，另外支護(hù)措施沒(méi)有及時(shí)跟進(jìn)，沒(méi)有起到限制圍巖變形的效果，在原巖應(yīng)力的作用下，圍巖松動(dòng)圈繼續(xù)發(fā)展，裂隙逐漸發(fā)展為裂縫引起局部巖體松動(dòng)，甚至發(fā)生局部頂板冒頂，如1416 m水平850沿脈出現(xiàn)數(shù)次冒頂事件，因此，選擇合理的支護(hù)方式和支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)于限制圍巖松動(dòng)圈具有重要的意義。

3.3 巷道支護(hù)措施

根據(jù)以上巷道變形監(jiān)測(cè)與分析，結(jié)合小鐵山礦巷道圍巖特性、原巖應(yīng)力分布特征及巷道破壞特征，提出如下巷道支護(hù)方案：

穿脈巷道：在初期支護(hù)8～10 d后，首先在頂板和兩幫進(jìn)行打眼，然后進(jìn)行掛網(wǎng)和安裝錨桿，錨桿之間用W型鋼帶連接，這樣鋼帶能夠提高錨桿整體支護(hù)效果，最后進(jìn)行混凝土噴層，使凝灰?guī)r與外界水分進(jìn)行隔離，同時(shí)混凝土噴層使金屬網(wǎng)、錨桿、鋼帶與圍巖重新組合，形成加固拱，共同阻止拱外圍巖變形，限制巷道圍巖松動(dòng)。

沿脈巷道：在初期混凝土噴層支護(hù)5～7 d后進(jìn)行二次支護(hù)，首先在頂板和兩幫進(jìn)行打眼，然后進(jìn)行掛網(wǎng)，在頂板位置錨索與錨桿支護(hù)，把錨索錨固至圍巖深部，并施加預(yù)應(yīng)力。這樣在巷道支護(hù)中，錨桿、錨索配合使用，形成錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索的加固群體，相鄰的錨桿、錨索的作用力相互疊加，組合成一個(gè)“承載層”，這個(gè)新的承載層厚度比單用錨桿成倍增加，能使圍巖發(fā)揮出更大的承載作用。

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)巷道收斂監(jiān)測(cè)，分析數(shù)據(jù)得出小鐵山沿脈巷道最佳支護(hù)時(shí)機(jī)為5～7 d，穿脈巷道的最佳支護(hù)時(shí)機(jī)為8～10 d；

(2) 對(duì)巷道斷面圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明穿脈巷道的多數(shù)圍巖松動(dòng)圈在1.5 m范圍以內(nèi)，沿脈巷道圍巖松動(dòng)圈在2～3 m范圍之內(nèi)；

(3) 根據(jù)小鐵山巷道變形監(jiān)測(cè)與分析，結(jié)合巷道圍巖特性、原巖應(yīng)力分布特征及巷道破壞特征，穿脈巷道采用噴+網(wǎng)+錨支護(hù)方案，沿脈巷道采用噴+網(wǎng)+錨+索+帶支護(hù)方案。

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2017-06-14)

孟慧媚(1987-)，女，甘肅會(huì)寧人，助理工程師，主要從事采礦工程研究，Email：975773913@qq.com。