摘要：針對(duì)焦家金礦深部巷道現(xiàn)有支護(hù)體系無法有效防止巷道局部破壞的問題，結(jié)合巖石力學(xué)理論與工程實(shí)踐展開了深入研究。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與典型破壞模式分析，采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)面三維掃描技術(shù)，系統(tǒng)掌握了巷道巖體破壞特征及其成因。采用3DEC離散元軟件建立了三維巷道開挖數(shù)值模型，對(duì)不同支護(hù)方案的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。研究提出了具有創(chuàng)新性的斜交錨桿支護(hù)方案，針對(duì)巷道圍巖復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)體系顯著提升了巷道整體和局部穩(wěn)定性，有效抑制了破壞的發(fā)生，為深部巷道的安全運(yùn)營提供了可靠保障。該方案不僅提升了支護(hù)效率，還降低了施工成本，為焦家金礦深部破碎巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供了重要的參考和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：巖體力學(xué)；結(jié)構(gòu)面掃描；巖體穩(wěn)定；巷道破壞；支護(hù)設(shè)計(jì)；圍巖控制

[中圖分類號(hào)：TD353 文章編號(hào)：1001-1277（2025）04-0025-05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250405 ]

引言

巷道支護(hù)技術(shù)是確保地下礦山安全和高效生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，尤其是在深部開采中，復(fù)雜的地質(zhì)條件和高地應(yīng)力環(huán)境對(duì)支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求［1］。近年來，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，深部礦產(chǎn)資源開采已成為研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。深部開采面臨的主要問題包括高地應(yīng)力、軟弱巖層、水浸等，這些問題對(duì)巷道的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，眾多學(xué)者和工程師進(jìn)行了大量的研究，提出了多種創(chuàng)新性的支護(hù)技術(shù)和方法。駱秀生等［2］針對(duì)巷道中錨索裝卸的安全問題進(jìn)行了深入探討，指出了操作過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的安全管理措施，這對(duì)于提高巷道施工的安全水平具有重要意義。與此同時(shí)，YANG等［3］研究了高應(yīng)力和軟巖條件下水浸巷道的破壞機(jī)理及控制技術(shù)，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出了有效的支護(hù)方案，為解決類似地質(zhì)條件下的巷道穩(wěn)定性問題提供了科學(xué)依據(jù)。

支護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新和優(yōu)化也是研究的熱點(diǎn)。劉許亭［4］研究了某礦山破碎巷幫中錨索錨固力的提高技術(shù)，通過優(yōu)化錨索參數(shù)和施工工藝，顯著提升了支護(hù)效果。張延磊［5］將錨索框架梁技術(shù)應(yīng)用于滑坡的加固，結(jié)合預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡災(zāi)害的有效預(yù)防。武帥［6］研究了飽和黏土層中錨索錨固段長度對(duì)支護(hù)效果的影響，提出了基于工程優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了新思路。吳蒸［7］對(duì)某礦山3號(hào)工作面的巷道錨桿支護(hù)方案進(jìn)行了合理性分析，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了現(xiàn)有支護(hù)方案的有效性，并提出了改進(jìn)措施。單仁亮等［8］綜述了國內(nèi)外巷道支護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展，總結(jié)了不同類型巷道支護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)和適用條件，為選擇合適的支護(hù)方案提供了參考。

此外，深部開采的特殊地質(zhì)條件也對(duì)支護(hù)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。周保精［9］研究了充填體與圍巖之間的協(xié)調(diào)變形機(jī)制，提出了沿空留巷技術(shù)。張忠輝等［10］針對(duì)焦家金礦巷道圍巖松動(dòng)圈的特性，開展了支護(hù)技術(shù)研究，提高了巷道的穩(wěn)定性和安全性。陳洪凱等［11］研究了徑向錨釘與斜交錨桿復(fù)合支護(hù)技術(shù)，證明了該技術(shù)在提高圍巖穩(wěn)定性方面的有效性。王云生［12］對(duì)三山島金礦西山深部北區(qū)礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了合理的支護(hù)方案，有效提高了采場(chǎng)的穩(wěn)定性和安全性。王輝等［13］綜述了深井開采地壓基礎(chǔ)理論與防控研究進(jìn)展，為深井開采的安全管理提供了理論支持。趙興東［14］總結(jié)了黃金礦山深井開采的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)，指出了未來研究方向。沈泉生等［15］研究了高海拔破碎圍巖排水巷道錨索支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，提出了適用于高海拔地區(qū)的支護(hù)方案。臧冀川［16］對(duì)高水平應(yīng)力礦巖接觸帶巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了有效的支護(hù)措施。鑒于巖體非連續(xù)性及多因素制約的力學(xué)行為，錨桿支護(hù)成為常用策略，但針對(duì)破碎圍巖的有效支護(hù)設(shè)計(jì)仍具挑戰(zhàn)。山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）深部巷道面臨圍巖破碎問題，傳統(tǒng)增密錨桿雖能提升承載力，但成本增加且效果有限，凸顯個(gè)性化支護(hù)設(shè)計(jì)的重要性。本文針對(duì)焦家金礦14中段巷道受深部應(yīng)力及開采擾動(dòng)影響顯著的現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有支護(hù)效果，借鑒成熟支護(hù)體系［17-21］，旨在提出優(yōu)化策略，以增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)支護(hù)成本的經(jīng)濟(jì)性。

1工程背景

焦家金礦床屬破碎帶蝕變巖型金礦床。焦家金礦主要有焦家礦區(qū)、望兒山礦區(qū)和寺莊礦區(qū)3個(gè)礦區(qū)。其中，焦家礦區(qū)是主要的開采區(qū)域，目前已開采至14中段（-630 m水平），礦區(qū)內(nèi)主要為玲瓏花崗巖，位于礦體下盤及深部，礦體呈淺肉紅色，中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀、片麻狀構(gòu)造。礦體上盤圍巖為斜長角閃巖，穩(wěn)固性差，暴露面積較大或滯留時(shí)間較長易發(fā)生塌落。礦體下盤為絹英巖化、硅化和鉀化花崗巖，其內(nèi)也發(fā)育有相互交錯(cuò)的裂隙節(jié)理，造成局部圍巖破碎。

14中段為目前焦家金礦焦家礦區(qū)主要開拓中段，標(biāo)高-630 m，已進(jìn)入深部開采階段，主要采用上向進(jìn)路充填采礦法，單采場(chǎng)回采能力達(dá)94 t/d。在巷道開拓過程中，圍巖狀況較差的區(qū)域時(shí)常發(fā)生巷道圍巖失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重干擾正常工期與生產(chǎn)安全?，F(xiàn)有支護(hù)方案對(duì)于圍巖破碎區(qū)的控制效果不夠理想，亟須對(duì)現(xiàn)有支護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化以提升圍巖破碎區(qū)域巷道的穩(wěn)定性。

1.1現(xiàn)有支護(hù)措施下圍巖典型破壞特征

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，14中段巷道圍巖破壞形式主要表現(xiàn)為頂拱巖石的冒落、拱腳巖石的壓剪型破壞、沿構(gòu)造面擠出及兩幫的片幫破壞（如圖1所示）。其中，頂板巖石的三角形冒落多出現(xiàn)在交叉節(jié)理發(fā)育地段，而在2條垂直巷道的交叉口及周邊小范圍區(qū)域，拱腳的壓剪型破壞與側(cè)幫沿構(gòu)造面擠出的現(xiàn)象更為明顯。

14中段巷道形狀主要為直墻拱頂形巷道，頂部拱形基本可認(rèn)為是三心拱，巷道的初始斷面尺寸為3.5 m×3.5 m。三心拱巷道周邊應(yīng)力較大的區(qū)域通常為巷道頂板和拱角。這2處地方最容易因?yàn)閴毫^大而出現(xiàn)巖體破壞，又由于區(qū)域地應(yīng)力的影響，垂直于巷道的地應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，使得巷道側(cè)幫巖體中同樣容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。同時(shí)，節(jié)理的存在會(huì)極大程度地劣化圍巖自身的承載能力。巷道主要破壞模式力學(xué)狀態(tài)如圖2所示。由圖2可知：頂板冒落一般發(fā)生在節(jié)理交叉發(fā)育的地方，巖石被交叉的節(jié)理組切割成楔形體，楔形體會(huì)在自重（G）作用下沿著節(jié)理面下滑，兩側(cè)的圍巖會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)擠壓力（N），從而使其在沿節(jié)理面的方向產(chǎn)生摩擦力（F）；而當(dāng)開挖活動(dòng)影響到構(gòu)造面的穩(wěn)定時(shí)，擠壓力（N）就會(huì)減弱，進(jìn)而弱化周圍巖體對(duì)楔形體的摩擦力（F），巖塊就會(huì)冒落從而形成三角形的冒落空間。當(dāng)巷道兩側(cè)節(jié)理較為發(fā)育，巖體中存在多組交叉節(jié)理面，相互交叉的節(jié)理面將兩幫圍巖切割成獨(dú)立的巖塊，這些巖塊在重力分量和摩擦力（F）的作用下保持平衡狀態(tài)；當(dāng)有爆破擾動(dòng)或地下水滲入節(jié)理面時(shí)，巖塊與節(jié)理面之間的摩擦系數(shù)減小，從而使得重力分量大于摩擦力（F），巖塊沿著節(jié)理面發(fā)生移動(dòng)，即片幫。

1.2巷道圍巖結(jié)構(gòu)面分布特征調(diào)查

為了能夠更貼近真實(shí)的構(gòu)建該區(qū)域的巖體數(shù)值計(jì)算模型，使用結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)ShapeMetriX 3D對(duì)14中段巷道圍巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析（如圖3所示），將現(xiàn)場(chǎng)所獲取左視圖、右視圖導(dǎo)入軟件分析系統(tǒng)，可以構(gòu)建得到巖體表面的三維視圖及結(jié)構(gòu)面分布情況。

統(tǒng)計(jì)匯總巷道范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面調(diào)查信息，得出分析區(qū)域內(nèi)2組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

2現(xiàn)有支護(hù)方案下巷道圍巖變形特性

根據(jù)上文中得到的巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)14中段典型穿脈巷道區(qū)域進(jìn)行建模，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查結(jié)果，利用3DEC離散元軟件與DFN方法，構(gòu)建符合實(shí)際節(jié)理產(chǎn)狀的隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型（如圖4所示），模型尺寸為50 m×30 m×30 m，底部邊界固定，其余邊界施加法向約束，以巷道軸向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向，則按照地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果向模型施加應(yīng)力場(chǎng)[σx]=26.75 MPa，[σy]=32.47 MPa，[σz]=25.46 MPa。

14中段現(xiàn)有支護(hù)方式為錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如表2所示，建立的現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖5所示。

巷道采用分步開挖的模式，以2 m為一個(gè)進(jìn)尺，共開挖5次，在巷道軸向1 m位置的頂拱與右?guī)吞幵O(shè)置位移與應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，開挖完成后，監(jiān)測(cè)記錄的位移與應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖6所示?，F(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)下，頂拱與側(cè)幫位移在開挖完成后以較快的速度增長并隨著巷道推進(jìn)減緩增速，達(dá)到3 mm后仍在緩慢增長；巷道淺層圍巖的拉應(yīng)力值最大達(dá)2.8 MPa，已超過巖石自身的抗拉能力，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

巷道圍巖塑性區(qū)的分布情況如圖7所示。由圖7可知：現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)下，在構(gòu)造面較為發(fā)育的部位，塑性區(qū)會(huì)沿著構(gòu)造面繼續(xù)延伸，有多組構(gòu)造面交叉的部位，巷道極易形成崩落或向臨空面擠出的塊體，影響巷道的穩(wěn)定性。

在現(xiàn)有支護(hù)體系下，巷道圍巖的頂拱沉降量和邊幫擠出量均在合理范圍邊緣，且表層圍壓承受的拉應(yīng)力也十分接近巖體的抗拉極限，一旦遇到節(jié)理的弱化作用，則極易沿著構(gòu)造面產(chǎn)生大變形，嚴(yán)重威脅巷道的正常運(yùn)營，因此需要對(duì)現(xiàn)有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以維護(hù)巷道的穩(wěn)定性與安全性。

3斜交錨桿支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

巖體中的天然結(jié)構(gòu)面容易相互交錯(cuò)延伸形成楔形體，而傳統(tǒng)徑向錨桿很難錨固小傾角徑向結(jié)構(gòu)面。當(dāng)某一相鄰排錨桿之間經(jīng)過巷道壁面任一點(diǎn)的徑向裂隙不能被錨桿有效攔截的區(qū)域即為錨固盲區(qū)（如圖8所示），其大小可用式（1）進(jìn)行定量化描述。

式中：M為錨固盲區(qū)（m）；[Sj]為圍巖體內(nèi)部相鄰排錨桿端頭間距（m）；[θmax ]為盲區(qū)最大掃掠角度（°）。

針對(duì)現(xiàn)有支護(hù)方式對(duì)錨固盲區(qū)內(nèi)圍巖構(gòu)造缺乏有效控制的缺點(diǎn)，提出斜交錨桿支護(hù)方案，斜交錨桿支護(hù)技術(shù)中錨固盲區(qū)可按式（2）計(jì)算，計(jì)算模型如圖9所示。

式中：[h]為斜交錨桿頂端距巷道斷面的距離（m）。

根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)方案，相鄰排錨桿端頭間距為1.65 m，因此，計(jì)算得現(xiàn)有支護(hù)錨固盲區(qū)為0.872 m。優(yōu)化后支護(hù)錨桿端頭間距為0.32 m，錨固盲區(qū)為0.34 m，減小幅值約61 %。

4斜交錨桿支護(hù)效果驗(yàn)證

將斜交錨桿支護(hù)方案應(yīng)用于數(shù)值模型，并進(jìn)行開挖模擬，結(jié)果如圖10所示。

支護(hù)方案優(yōu)化后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖11所示。由圖11可知：斜交錨桿支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道頂板沉降、拉應(yīng)力增長、塑性區(qū)分布相較于原支護(hù)有好的控制效果，頂拱與側(cè)幫的位移處于安全范圍之內(nèi)，巷道表層圍巖的拉應(yīng)力也遠(yuǎn)小于圍巖的抗拉承載能力，巷道失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)降低，穩(wěn)固性提升。

巷道斷面塑性區(qū)分布如圖12所示。由圖12可知：優(yōu)化后的支護(hù)有效縮小了巷道頂拱與拱腳的塑性區(qū)集中程度，對(duì)塑性區(qū)會(huì)沿構(gòu)造面進(jìn)一步延伸的情況有了更好的控制，有效提升了巷道的整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性。

根據(jù)優(yōu)化后的支護(hù)方案，在14中段選擇一個(gè)獨(dú)頭位置進(jìn)行了小型工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，對(duì)巷道的變形情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖位移明顯減少，巷道輪廓保持了較好的幾何形狀，沒有出現(xiàn)明顯的塌陷或裂縫。試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的支護(hù)方案在多個(gè)方面表現(xiàn)優(yōu)異，能夠有效控制破碎圍巖的變形與破壞，顯著提升了巷道的穩(wěn)定性。雖然初期投入成本有所增加，但由于支護(hù)效果顯著，減少了后續(xù)的維護(hù)和修復(fù)工作，整體運(yùn)營成本得到了有效控制。此外，優(yōu)化后的支護(hù)方案還提高了作業(yè)安全系數(shù)，減少了因圍巖不穩(wěn)定導(dǎo)致的事故風(fēng)險(xiǎn)，為礦山的安全生產(chǎn)提供了有力保障。

5結(jié)論

1）通過對(duì)焦家金礦焦家礦區(qū)14中段巷道圍巖主要破壞模式展開調(diào)查，明確了巷道的破壞模式以頂板冒落、拱腳崩壞與片幫為主，并對(duì)破壞區(qū)域典型圍巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)面三維掃描，明確了區(qū)域優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。

2）通過3DEC離散元軟件構(gòu)建符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的裂隙巖體三維模型，分析現(xiàn)有支護(hù)方案下的巷道穩(wěn)定性，結(jié)果表明現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖位移與應(yīng)力均貼近安全值，且對(duì)節(jié)理構(gòu)造處的圍巖塑性區(qū)控制效果較差。

3）以縮小錨固盲區(qū)為基本思路，提出斜交錨桿支護(hù)技術(shù)，有效地提升了巷道整體的穩(wěn)定性及對(duì)于節(jié)理構(gòu)造發(fā)育的局部區(qū)域穩(wěn)定性的控制能力。

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Optimization study on stability control of surrounding rock in deep roadways

of the Jiaojia Gold Mine

Wang Xingya

（Jiaojia Gold Mine， Shandong Gold Mining Industry （Laizhou） Co.， Ltd.）

Abstract： To address the inefficiency of existing support systems in preventing localized failures in deep roadways at the Jiaojia Gold Mine， this study integrates rock mechanics theory and engineering practice. Through field investigations and analysis of typical failure patterns， advanced 3D structural plane scanning technology was employed to systematically master roadway rock mass failure characteristics and causes. A 3DEC discrete element software was used to develop a 3D numerical model for roadway excavation that simulates and analyzes the stability of various support schemes. An innovative diagonal bolt support scheme was proposed， specifically optimized for the complex stress environment of the surrounding rock. Numerical simulation results demonstrate that the optimized support system significantly enhances both global and local stability， effectively suppressing failure initiation and ensuring safe operations in deep roadways. This solution not only improves support efficiency but also reduces construction costs， providing critical references and technical insights for stability control in fractured surrounding rock under deep mining conditions at the Jiaojia Gold Mine.

Keywords： rock mechanics; structural plane scanning; rock mass stability; roadway failure; support design; surrounding rock control

收稿日期：2024-10-05；修回日期：2024-11-25

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFC3001300）

作者簡(jiǎn)介：王興亞（1988—），男，工程師，從事金屬礦山采礦技術(shù)研究工作；E?mail：106533252@qq.com