秦紹龍,趙興東,張武

(東北大學(xué) 深部金屬礦采動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

0 引言

井巷支護(hù)工作是保證礦山企業(yè)安全高效生產(chǎn)的前提[1-2],隨著我國(guó)金屬礦開采深度的增加,地質(zhì)條件也愈發(fā)復(fù)雜多變,受高地應(yīng)力的影響,圍巖物理力學(xué)性質(zhì)與淺部巷道存在明顯不同,深部圍巖往往完整性較差,且易出現(xiàn)圍巖塑性變形、冒頂片幫和巖爆等地質(zhì)災(zāi)害[3],既嚴(yán)重阻礙了礦山的安全生產(chǎn),又給巷道支護(hù)帶來(lái)了困難。在我國(guó),頂板冒落事故在礦山安全事故中的占比約為27%[4],且因其具有突發(fā)性和沖擊能較大的特點(diǎn),往往會(huì)帶來(lái)極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失,因此,頂板支護(hù)對(duì)于礦山井巷支護(hù)工作尤為重要[5]。

考慮到經(jīng)濟(jì)性原則,目前大部分金屬礦山的支護(hù)方式往往較為單一,而單一支護(hù)形式對(duì)于完整性較好的圍巖,可能會(huì)存在過(guò)度支護(hù)問(wèn)題,導(dǎo)致支護(hù)成本增大。而對(duì)于巖體質(zhì)量較差的圍巖,則可能會(huì)出現(xiàn)支護(hù)不足,導(dǎo)致圍巖與支護(hù)體沒(méi)有達(dá)到有效承載結(jié)構(gòu),出現(xiàn)支護(hù)失效等問(wèn)題。為保證圍巖支護(hù)的有效性,同時(shí)兼顧支護(hù)成本,劃分頂板支護(hù)等級(jí)十分重要。

本文以紗嶺金礦井下－1400 m 巷道為背景,基于RMR 分級(jí)和Q 系統(tǒng)分級(jí)對(duì)不同巖性巖體進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)[6],并基于評(píng)價(jià)結(jié)果提出三級(jí)頂板支護(hù)分級(jí),確定不同跨度和用途的巷道支護(hù)方案及參數(shù),可為巷道實(shí)際支護(hù)提供參考。

1 工程地質(zhì)

萊州匯金礦業(yè)投資有限公司紗嶺礦區(qū)位于萊州市北東部金城鎮(zhèn)與朱橋鎮(zhèn)境內(nèi),距離萊州市區(qū)直線距離約27 km。礦區(qū)屬丘陵與濱海平原過(guò)渡地帶,東高西低,地面標(biāo)高最低為9.30 m,最高為21.80 m。區(qū)內(nèi)巖漿巖廣布,以中生代燕山早期晚侏羅世玲瓏序列巖體為主體,斷裂構(gòu)造發(fā)育為其突出特征,按其展布方向的差異將其大致分為北東向和近南北向兩組。其中北東向斷裂構(gòu)造區(qū)內(nèi)最為發(fā)育,為膠西北伸展拆離控礦構(gòu)造的重要組成部分,也是區(qū)內(nèi)最重要的金礦控礦構(gòu)造。

礦區(qū)深部圍巖主要巖性包括二長(zhǎng)花崗巖、變輝長(zhǎng)巖、黃鐵絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖及黃鐵絹英巖化碎裂巖,頂、底板的巖石以塊狀巖類的巖漿巖、變質(zhì)巖為主,巖石的力學(xué)強(qiáng)度較高,屬堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬巖石,局部受構(gòu)造裂隙影響較軟弱。巖體結(jié)構(gòu)較完整,以整體塊狀結(jié)構(gòu)為主,頂板總體穩(wěn)定性一般,現(xiàn)場(chǎng)圍巖狀況如圖1所示。通過(guò)測(cè)線法獲得長(zhǎng)花崗巖、變輝長(zhǎng)巖、黃鐵絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖的RQD 值分別為54%、67%、49%、41%、74%。

圖1 深部圍巖形態(tài)

2 巖體質(zhì)量分級(jí)

2.1 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)

選取現(xiàn)場(chǎng)完整性較好的不同巖性的巖石試樣,根據(jù)巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)推薦的巖石試件尺寸要求,將試件分別加工成Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)件和Φ50 mm×25 mm 的圓盤,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和剪切強(qiáng)度試驗(yàn),圓盤則進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)。為減小試驗(yàn)誤差,提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,每種巖性分別進(jìn)行5組平行試樣,并取平行試驗(yàn)的均值以此獲得完整巖石的物理力學(xué)參數(shù)。

將上述各組巖石力學(xué)試樣所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理,最終獲得不同巖性巖石的密度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比,并統(tǒng)計(jì)于表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、地質(zhì)巖芯數(shù)據(jù)和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,采用RMR 分級(jí)和Q 分級(jí)對(duì)紗嶺礦區(qū)深部的不同巖性圍巖進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。RMR 巖體地質(zhì)力學(xué)分級(jí)是Bieniawski根據(jù)大量工程地質(zhì)條件和工程實(shí)例提出的,其通過(guò)將巖塊強(qiáng)度、RQD 值、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件、地下水及節(jié)理方向?qū)こ逃绊懙男拚齾?shù)等6個(gè)指標(biāo)參數(shù)相加計(jì)算得出[7]。Q 分類法是由Barton等于1974年基于200個(gè)工程實(shí)例提出的隧道開挖質(zhì)量分類方法,經(jīng)過(guò)多次修正完善后,Q 值可以由式(1)確定[8]。

式中,RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù);Jr為節(jié)理粗糙系數(shù);Ja為節(jié)理蝕變系數(shù);Jw為節(jié)理水折減系數(shù);SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算獲得各巖性圍巖的RMR 值和Q值,結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表2。由表2可知,紗嶺金礦深部圍巖RMR 分級(jí)結(jié)果為Ⅱ至Ⅲ級(jí),Q 系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果為Ⅲ級(jí),圍巖整體質(zhì)量一般。

表2 巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果

3 頂板分級(jí)支護(hù)方案

3.1 頂板分級(jí)依據(jù)

基于現(xiàn)場(chǎng)操作的可行性和實(shí)用性考慮,通過(guò)上述巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,將深部巷道頂板分為三級(jí)支護(hù)強(qiáng)度,Ⅰ級(jí)可視為穩(wěn)固頂板;Ⅱ級(jí)為中等穩(wěn)固頂板,Ⅲ級(jí)為不穩(wěn)固頂板?？紤]到不同巖體質(zhì)量分級(jí)指標(biāo)的差異性,將頂板分級(jí)與RMR 分級(jí)、Q 分級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)于表3。

表3 基于RMR 分級(jí)的頂板分級(jí)

3.2 分級(jí)支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2.1 巷道自穩(wěn)時(shí)間和跨度

巷道支護(hù)方式的確定需要估算其最大無(wú)支護(hù)跨度和時(shí)間。在不同開挖跨度和不同質(zhì)量等級(jí)的巖體中,巷道自穩(wěn)時(shí)間差別很大,巷道自穩(wěn)時(shí)間與巷道的服務(wù)年限關(guān)系也是確定支護(hù)方式的重要條件。紗嶺金礦深部巷道根據(jù)斷面尺寸和用途共分為5種,巷道跨度包括3.3 m、4.5 m、4.2 m、3.6 m和4.6 m。

從表2巖體質(zhì)量分級(jí)可知,巖體的RMR 值為54～79,將其范圍在圖2中描繪出來(lái)。由圖2可知,當(dāng)RMR 數(shù)值為54 時(shí),巷道最大自穩(wěn)跨度為2.7 m;RMR 數(shù)值為79 時(shí),巷道最大自穩(wěn)跨度為3.9 m。對(duì)于最小跨度為3.3 m 的巷道,當(dāng)RMR 數(shù)值為54時(shí),巷道自穩(wěn)時(shí)間約為2個(gè)月,對(duì)于最大跨度為4.6 m 的巷道,當(dāng)RMR 數(shù)值為54時(shí),巷道自穩(wěn)時(shí)間約為20 d。圍巖的自穩(wěn)時(shí)間無(wú)法滿足巷道正常生產(chǎn)作業(yè)的服務(wù)年限,需采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

圖2 無(wú)支護(hù)巷道自穩(wěn)時(shí)間和跨度

3.2.2 巷道支護(hù)參數(shù)

Q 系統(tǒng)支護(hù)圖表法需根據(jù)開挖體的當(dāng)量尺寸和Q 值進(jìn)行支護(hù)方式和參數(shù)的選取,其中,當(dāng)量尺寸De可根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算:

式中,B為開挖跨度;ESR為開挖支護(hù)比,跟巷道的用途有關(guān),本文取1.0。

將不同支護(hù)等級(jí)的頂板和不同斷面尺寸的巷道分別在Q 系統(tǒng)支護(hù)圖表中進(jìn)行描繪,本文以Ⅲ級(jí)頂板和4.6 m 跨度的巷道為例,如圖3所示。由圖3可知,對(duì)于Ⅲ級(jí)頂板和4.6 m 跨度的巷道,Q 系統(tǒng)支護(hù)圖表推薦的支護(hù)方式為錨噴支護(hù),噴射混凝土厚度為150 mm,錨桿間排距為1 m,錨桿長(zhǎng)度為2.4 m。支護(hù)參數(shù)需根據(jù)工程類比法和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行校核,獲得最終支護(hù)參數(shù)為:噴射混凝土厚度為100 mm,錨桿間排距為0.8 m,錨桿長(zhǎng)度為2.4 m。

圖3 Q 系統(tǒng)支護(hù)圖表

通過(guò)以上支護(hù)設(shè)計(jì)方法,最終獲得不同跨度的巷道三種等級(jí)頂板的錨噴支護(hù)參數(shù)(見(jiàn)表4)。根據(jù)工程類比法可知,對(duì)于深度超過(guò)1000 m 的巷道,為預(yù)防高應(yīng)力可能帶來(lái)的頂板壓裂破壞,巷道需加裝50 mm×50 mm 網(wǎng)度的菱形鍍鋅金屬網(wǎng),托盤選取8 mm 厚鐵板制作,中部要沖壓成碗狀,尺寸為120 mm×120 mm。同時(shí),為提高錨桿的抗腐蝕性能、使用壽命和錨固能力,錨桿宜采用樹脂錨桿。對(duì)于局部極破碎巖體,必要時(shí)增設(shè)長(zhǎng)錨索、采取壁后注漿等支護(hù)手段。

表4 巷道支護(hù)參數(shù)

4 支護(hù)數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型和邊界條件

針對(duì)表4的支護(hù)方案,可采取有限元數(shù)值模擬對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。為最大程度地表征支護(hù)的有效性,本文選取跨度為4.6 m 巷道的Ⅲ級(jí)頂板進(jìn)行驗(yàn)證。首先假設(shè)圍巖為均質(zhì)、各向同性彈塑性材料,且符合摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。圍巖邊界尺寸為39 m×39 m,圍巖邊界添加零位移約束條件,圍巖所受最大主應(yīng)力為35.14 MPa,最小主應(yīng)力為28.07 MPa,垂直應(yīng)力為30.2 MPa。采用三節(jié)點(diǎn)三角形劃分網(wǎng)格,分級(jí)因數(shù)為0.15,建立如圖4所示巷道數(shù)值模型。

圖4 巷道數(shù)值計(jì)算模型

4.2 模擬結(jié)果分析

由圖5可知,在巷道開挖后,圍巖出現(xiàn)了較大范圍的變形,變形量從巷道邊界往深部遞減,且水平方向的圍巖變形范圍更大,其中,巷道兩幫和底板出現(xiàn)了明顯的變形破壞區(qū),左右兩幫圍巖最大總位移量分別為19 mm 和22 mm,底板最大總位移量為21 mm,頂板最大總位移量為18 mm,由此可知,巷道可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的片幫和底鼓破壞。在支護(hù)以后,圍巖變形范圍和變形量明顯減小,頂板最大總位移量?jī)H為9 mm,能滿足實(shí)際安全生產(chǎn)需求。

圖5 巷道圍巖總位移

由圖6可以看出,巷道開挖后,圍巖四周出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū),且塑性區(qū)范圍較大,支護(hù)前頂板、左幫、右?guī)偷乃苄詤^(qū)范圍分別為1.248 m、1.325 m 和1.370 m。采取支護(hù)措施后,塑性區(qū)頂板和左右?guī)头秶謩e減小至0.392 m、0.650 m 和0.820 m,分別減少了69%、51%和40%。且錨桿有效錨固長(zhǎng)度皆超過(guò)50%,證明所選支護(hù)方式可有效保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖6 巷道塑性區(qū)范圍

4 結(jié)論

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),獲取了紗嶺金礦深部巷道不同巖性巖石的物理力學(xué)參數(shù),采用RMR 分級(jí)和Q 系統(tǒng)分級(jí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),獲得其RMR 值為54～79,Q值為1.53～5.40,圍巖整體質(zhì)量一般。

(2)基于巖體質(zhì)量分級(jí)將巷道頂板分為三級(jí)支護(hù)強(qiáng)度,通過(guò)RMR 值估算獲得巷道最大自穩(wěn)跨度為2.7～3.9 m。最大自穩(wěn)時(shí)間為20 d至2個(gè)月不等。采用Q 系統(tǒng)巷道支護(hù)圖表法對(duì)井下不同用途和斷面尺寸的巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì),通過(guò)工程類比法對(duì)其進(jìn)行校核,最終獲得各巷道不同等級(jí)頂板的支護(hù)參數(shù)。

(3)采用有限元數(shù)值模擬軟件Phase2對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證,可知在采取支護(hù)措施以后,巷道圍巖的變形量明顯減小,頂板和左右兩幫塑性區(qū)范圍分別減少了69%、51%和40%,驗(yàn)證了所選支護(hù)方案的有效性。