王志修，于世波，黃發(fā)凱，鄭志杰

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司，新疆 哈密 839000)

近年來，隨著礦山開采深度不斷增加，地質(zhì)環(huán)境趨于復(fù)雜，地下礦山巷道圍巖穩(wěn)定性問題逐漸突出，尤其地下礦山的軟弱破碎巷道常面臨片幫、垮冒等工程災(zāi)害問題，嚴(yán)重制約了礦山發(fā)展。因此，針對破碎圍巖穩(wěn)定性問題，很多學(xué)者對其進(jìn)行了深入研究。國內(nèi)外學(xué)者先后提出了新奧法支護(hù)理論，聯(lián)合法支護(hù)理論、圍巖強度強化理論及松動圈支護(hù)理論等[1-4]，其中圍巖松動圈理論經(jīng)過多年的實踐與理論發(fā)展，已獲得眾多研究成果。

趙彥缽等[5]利用極限抗拉準(zhǔn)則對松動圈進(jìn)行數(shù)值模擬分析；黃鋒等[6]運用損傷理論對圍巖(特別是低級別圍巖)松動圈進(jìn)行分析得到較準(zhǔn)確結(jié)果；李政林等[7]提出了基于損傷理論的隧道圍巖松動圈的界定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為完全損傷區(qū)即為隧道圍巖松動破壞區(qū)；孟波等[8]采用大比例尺物理模型試驗的研究方法探討了軟巖巷道松動圈形成及其發(fā)展過程中圍巖破裂與應(yīng)力演化規(guī)律；楊艷國等[9]利用聲波進(jìn)行松動圈測試，得到合理的錨桿支護(hù)參數(shù)。綜上可知，解析法和數(shù)值模擬法的發(fā)展為研究人員提供了確定圍巖松動圈范圍的手段，但當(dāng)前的兩種方法均有一定的應(yīng)用局限性。目前，相關(guān)研究人員主要依靠現(xiàn)場聲波測試法確定軟弱圍巖松動圈范圍。

本文以新疆黃山銅鎳礦490 m中段1#脈外運輸巷道為工程背景，針對其典型破碎膨脹性巖體，開展現(xiàn)場巖體質(zhì)量分級及超聲波測試工作；結(jié)合圍巖松動圈結(jié)果與巖體質(zhì)量等級，進(jìn)行巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)的選擇，研究成果可為哈密黃山銅鎳礦巷道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù)。

1 工程概況

新疆哈密黃山銅鎳礦是一大型鎳礦床、中型銅礦床，設(shè)計規(guī)模4 000 t/d。主礦體東西長700 m，平均厚度51.57 m。礦體圍巖主要為斜長角細(xì)碧玢巖夾綠泥滑石千糜巖等，礦體主要為橄欖輝石巖，礦巖體節(jié)理裂隙極為發(fā)育，目前該礦山采用自然崩落法進(jìn)行開采。

490 m中段1#脈外運輸巷道為(寬×高) 4.2 m×3.9 m，采用7根間排距為2 m管縫式錨桿(直徑40 mm，內(nèi)徑36 mm)+雙筋條+噴射混凝土支護(hù)方式。由于礦巖破碎且綠泥滑石千糜巖具有膨脹性，同時受到長期動態(tài)應(yīng)力擾動的多重影響，導(dǎo)致該礦山巷道災(zāi)害問題頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)。圖1為黃山銅鎳礦巷道圍巖典型破壞示意圖。現(xiàn)場采用Q系統(tǒng)巖體質(zhì)量評級方法，得到礦體上、下盤圍巖指標(biāo)值分別為0.7、0.6，礦體指標(biāo)值為0.7，圍巖及礦體質(zhì)量均為Ⅲ級。圍巖細(xì)碧玢巖單軸抗壓強度為139.5 MPa，礦體橄欖輝石巖單軸抗壓強度為102.5 MPa，綠泥滑石千糜巖其單軸抗壓強度僅為14.9 MPa，并且這種巖石類型富含黏土礦物，在巷道揭露后容易發(fā)生膨脹性變形破壞。

圖1 巷道圍巖片幫垮塌Fig.1 Collapse of roadway surrounding rock

2 圍巖松動圈現(xiàn)場測量與分析

2.1 聲波測試原理

根據(jù)彈塑性介質(zhì)中的波動理論，在圍巖中，超聲波的波速與圍巖的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)有關(guān)。具有波速隨圍巖裂隙越發(fā)育、密度越降低、聲阻抗增大而降低的特性。

因此，可以根據(jù)超聲波在同一鉆孔不同位置下的波速變化情況來判斷圍巖松動圈的范圍，以測得的聲波波速高則說明圍巖完整性好，波速低說明圍巖存在裂隙，受到損傷；因此連續(xù)鉆孔測量的波速突變值區(qū)域就是松動圈的范圍。

基于超聲波在圍巖中傳播規(guī)律，利用縱波波速變化的梯度值判別圍巖松動圈范圍，計算公式見式(1)。

(1)

式中：▽v為縱波波速梯度；vt1為t1時刻測點的縱波波速，km/s；vt2為t2時刻測點的縱波波速，km/s；Δl為t1時刻與t2時刻測點的距離差，m，在測點的縱波波速中，縱波波速梯度的最大數(shù)值即為松動圈的值。

2.2 測點布置方案

由于巖體的完整性與巖體自身特征、巷道尺寸、爆破擾動及方位有關(guān)，基于這一原則并根據(jù)前期勘查結(jié)果得出，490 m中段1#脈外運輸巷巖體受破碎接觸帶影響較大，巷道片幫嚴(yán)重，支護(hù)效果較差，存在多處片幫、噴層開裂現(xiàn)象。因此，在490 m中段1#水平脈外運輸巷道布置5個測試孔，測試孔均位于巷道幫部，測試孔深均為5 m，孔口距離底板高度約1.5 m，鉆孔向下傾斜3°～5°，鉆孔具體布置位置及參數(shù)見圖2。

圖2 松動圈測試孔布置圖Fig.2 Layout of loosening ring test hole

2.3 測量結(jié)果分析

各測孔點的縱波波速及波速梯度如圖3所示，其中2#測孔和5#測孔出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，無法測量。

分析圖3測孔可以看出，1#測孔、3#測孔和4#測孔的波速梯度數(shù)值的最大值分別在2 m、2 m和1.8 m處，當(dāng)距離孔口位置分別小于2 m、2 m和1.8 m時， 1#測孔、2#測孔和4#測孔的波速顯著降低， 波速基本穩(wěn)定在2.1～2.6 km/s區(qū)間范圍， 而超過測孔各自對應(yīng)的波速梯度最大位置的波速，基本穩(wěn)定在4.0 km/s左右，因此可以確定490 m中段1#脈外運輸巷道的松動圈在1.8～2.0 m范圍內(nèi)。

圖3 縱波波速(VP)-鉆孔深度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between VP and borehole depth

3 運輸巷道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

490 m中段1#脈外運輸巷道實測松動圈的范圍為1.8～2 m，現(xiàn)場采用2 m管縫式錨桿已不滿足支護(hù)要求，同時踏勘巷道現(xiàn)場可見管縫式錨桿受到嚴(yán)重腐蝕，部分管縫式錨桿管環(huán)已脫落，因此急需優(yōu)化先支護(hù)方式。

根據(jù)黃山銅鎳礦的巖體質(zhì)量分級結(jié)果及生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)場測試松動圈結(jié)果，利用工程類比法及理論計算法確定支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)。方案采用以錨桿為主體，輔以噴射混凝土加金屬網(wǎng)聯(lián)合的支護(hù)手段。錨桿主要用于控制圍巖的碎脹變形，金屬網(wǎng)加混凝土支護(hù)相結(jié)合的方式主要防止圍巖脫落同時封閉。

錨桿長度計算。結(jié)合現(xiàn)場圍巖松動圈的測量結(jié)果，采用懸吊理論確定錨桿長度，見式(2)。

Ls≥L1+LP+L2

(2)

式中：Ls為設(shè)計錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，一般取0.1 m；L2為錨桿錨入圍巖松動圈外的長度，按經(jīng)驗L2≥0.3 m；LP為松動圈的厚度，根據(jù)黃山銅鎳礦巷道圍巖松動圈范圍1.8～2.0 m，考慮圍巖具有膨脹性及多次應(yīng)力擾動因素，取值為2.0 m；綜合以上因素，采用2.5 m的錨桿滿足設(shè)計要求。

根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)，錨桿選擇樹脂錨桿，錨固長度為1.6 m，錨桿的間距不宜大于錨桿長度的1/2，因此可取錨桿間距為1.2 m。結(jié)合“三徑”合理區(qū)配原則及現(xiàn)場實際工況及技術(shù)裝備，鉆孔直徑與錨桿直徑相差6～8 mm最佳，因此鉆孔直徑為28 mm。參考規(guī)范，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)設(shè)計厚度不應(yīng)小于80 mm，因此厚度取100 mm，設(shè)計標(biāo)號為C20，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計如圖4所示。

圖4 運輸巷道標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)方案Fig.4 Standard support scheme for transport lanes

4 支護(hù)優(yōu)化方案效果分析

4.1 數(shù)值模擬方案

采用數(shù)值模擬手段，以黃山銅鎳礦490 m中段1#運輸巷道為背景建立工程地質(zhì)模型，模型尺寸(長×寬×高)為40 m×24 m×40 m，巷道尺寸(寬×高)為4.2 m×3.9 m，計算采用理想彈塑性本構(gòu)模型，摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，巖體的力學(xué)參數(shù)見表1，參考文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]給出支護(hù)材料的計算力學(xué)參數(shù)，見表2，施加實測地應(yīng)力值。在巷道頂部及右肩部各設(shè)置一個變形監(jiān)測點。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of rock mass

表2 支護(hù)材料參數(shù)Table 2 Parameters of support material

4.2 模擬結(jié)果分析

圖5為現(xiàn)場支護(hù)方案和優(yōu)化后支護(hù)方案的最小主應(yīng)力分布圖，圖6為現(xiàn)場支護(hù)方案和優(yōu)化后支護(hù)方案的巷道圍巖移動變形圖。由圖5可知，兩種支護(hù)方式在巷道圍巖臨空位置均出現(xiàn)拉應(yīng)力，優(yōu)化后的支護(hù)方案在應(yīng)力擾動的影響范圍小于現(xiàn)場支護(hù)方案。由圖6可知，原支護(hù)方案巷道幫部及底部最大位移量為7.3 mm，而優(yōu)化后支護(hù)方案后最大位移量為4.5 mm，位移降低了38%。

圖5 巷道圍巖最小主應(yīng)力分布圖Fig.5 Minimum principal stresses of surrounding rock in roadway

圖6 巷道圍巖變形圖Fig.6 Deformation of surrounding rock in roadway

圖7為現(xiàn)場支護(hù)方案及優(yōu)化后支護(hù)方案的塑性區(qū)分布圖?，F(xiàn)場支護(hù)方案塑性區(qū)分布圖如圖7(a)所示，塑性區(qū)破壞體積達(dá)到844.1 m3；支護(hù)優(yōu)化方案塑性區(qū)分布圖如圖7(b)所示，塑性區(qū)破壞體積僅為401.9 m3。優(yōu)化后的方案極大地減小了塑性區(qū)的分布范圍，尤其是邊幫區(qū)域，對比現(xiàn)場采用的支護(hù)方式的塑性區(qū)范圍明顯降低，整體塑性區(qū)范圍降低了52.3%，支護(hù)效果較為明顯。

圖7 塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic zones distribution

圖8為現(xiàn)場支護(hù)方案及優(yōu)化后支護(hù)方案的監(jiān)測點變形量趨勢圖?，F(xiàn)場支護(hù)方案中頂部圍巖變形量達(dá)到17 cm，在右肩部變形量為4 cm，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，頂板圍巖變形量變?yōu)? cm，降低了47%，在巷道右肩部圍巖變形量為2 cm。 采用優(yōu)化的支護(hù)方案可以有效降低圍巖變形量，加強圍巖本身自穩(wěn)定能力，由此可見優(yōu)化支護(hù)方案具有良好的支護(hù)效果。

圖8 監(jiān)測點變形量趨勢圖Fig.8 Trend of deformation at monitoring points

5 結(jié) 論

1) 通過對哈密黃山銅鎳礦490 m中段1#運輸巷道現(xiàn)場測試圍巖松動圈范圍，采用波速梯度最大數(shù)值判別準(zhǔn)則，確定巷道圍巖松動圈為1.8～2.0 m。

2) 采用現(xiàn)場踏勘、巖體質(zhì)量分級并結(jié)合現(xiàn)場實測松動圈范圍，分析得出現(xiàn)有支護(hù)方案中2 m管縫式錨桿不能錨固到穩(wěn)定巖層中，無法達(dá)到加固效果。

3) 提出了樹脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)方式，樹脂錨桿長2.5 m，錨桿間排據(jù)均為1.2 m，噴射混凝土厚度為100 mm，通過數(shù)值模擬手段，對比分析現(xiàn)場支護(hù)方案與優(yōu)化后的支護(hù)方案，結(jié)果可知優(yōu)化后的支護(hù)方案可使圍巖破壞范圍減小，對比現(xiàn)場支護(hù)方案的模擬結(jié)果塑性區(qū)降低達(dá)52.3%，頂板變形量降低了47%，可見優(yōu)化后的支護(hù)方案和參數(shù)可有效保證黃山銅鎳礦巷道的穩(wěn)定性。