復雜破碎巷道支護效果分析與評價*

何建元，賈 峰，程繼輝，張明軍

(1.金川集團有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100;2.金川集團有限公司二礦區，甘肅 金昌 737100)

1 引言

金川集團有限公司是我國最大的有色采、選、冶聯合企業，也是我國最大的鎳鈷生產和鉑族金屬提煉中心。金川龍首礦是我國大型露天轉地下開采礦山，露天坑于1990年7月閉坑后轉為地下開采。由于經歷了多次地質構造活動，礦區地應力較高，巖體節理裂隙發育，流變特性十分顯著，具有巖體復雜破碎、巖體變形量大、變形持續時間長的特點[1－2];為有效控制巷道變形量，礦山采用了雙層噴錨網支護的支護加固方式。為有效分析評價巷道支護加固效果，礦山在1460m水平回風巷道進行了錨桿應力狀態和巷道收斂變形規律監測，以探究巷道圍巖流變規律，判斷圍巖穩定性，為礦山巷道支護參數優化提供指導。

2 錨固作用機理及巖體流變特性

2.1 錨固作用機理

錨固力是指錨桿對于圍巖的約束力，其是隨著圍巖變形而產生和發展的。根據錨桿和圍巖作用力的方向可分為徑向錨固力(包括托錨力和粘錨力)和切向錨固力[3]。其中，托錨力通過托盤對圍巖施加徑向支護力，阻止圍巖徑向位移;粘錨力是通過圍巖與錨桿間的粘結劑的粘結作用來抑制圍巖變形;切向錨固力為借助于錨桿桿體限制巖體的弱面發生切向滑移和擴展。

巷道圍巖變形分為彈塑性變形和剪脹變形兩個階段[4]。一般而言，高應力構造影響下的巖體的碎脹流變現象較為明顯[5]。巷道開挖完成后，錨固圍巖蘊含著大量破壞弱面，且已經過彈塑性變形階段，產生峰后剪脹變形，呈現低圍壓脆性應變軟化現象[6]。峰后圍巖變形主要是由于巖體沿著弱面錯動剪脹引起的，隨著剪脹變形的逐漸發展，錨桿產生的徑向力切向力提高了松動破碎圍巖的殘余強度，以有效限制圍巖變形，使其處于高應力條件下的穩定狀態。一般而言，圍巖剪脹變形越大，錨桿的徑向和切向的錨固力越高。假設單元體膨脹率大于0.004時，進入剪脹變形區。錨桿錨固圍巖的峰后剪脹變形分析如圖1所示。

圖1 錨固圍巖峰后剪脹變形分析

這里以巷道圍巖峰后剪脹變形模型為基礎，將錨桿錨固作用均勻的分布到圍巖中，則在支護錨固范圍內，每一個微小的單元體都是通過“單位錨桿”來加固;假設錨桿間排距分別為l、s，錨桿直徑為d，則單元體上的“單位錨桿”為。錨桿錨固力可用式(1)、式(2)表示。

(a)徑向錨固力σbr:

式中，E為錨桿桿體的彈性模量;[σ]為錨桿桿體的抗拉強度。

式中，G，[τ]為錨桿桿體的抗剪模量和抗剪強度;ε為單元體錯動程度，對于某一類巖石ε與α有函數關系，ε=f(a)，f反映了巖石本身的屬性。

2.2 巖體流變特性

巖石流變特性是巖石與時間因素有關的變形、流動和破壞的規律，即巖石的時效性，包括巖石的蠕變、松弛和彈性后效等。由于巖石的流變性質，在外界載荷的長期作用下，巖石物理力學參數將產生一定程度的時間效應;其中巖石強度和彈性模量皆為隨著時間的延長而呈現逐漸降低趨勢，從而引起巖石強度指標如內聚力、內摩擦角等發生弱化現象，造成巖石內部微觀結構的不斷損傷，工程中宏觀表現為圍巖的變形失穩破壞。

通過巖石流變試驗可以為建立流變模型、揭示流變機理提供參考依據，進而為工程圍巖變形失穩控制奠定理論基礎。目前巖石蠕變試驗是巖石流變特性研究最常用、最廣泛的方法。巖石蠕變特性與圍巖大小存在直接關系，在低圍壓條件下，表現為衰減蠕變;在高應力條件下則為不穩定蠕變，最終產生加速蠕變導致巖石的破壞。大量試驗研究表明，典型的巖石蠕變曲線可以分為過渡蠕變、等速蠕變和加速蠕變三個階段[7]。根據新奧法現代支護理論，遵循先柔后剛、先讓后抗的原則，允許圍巖發生一定程度的變形，因此需要選擇合理的支護時機是取得良好支護效果的關鍵之一，而將圍巖控制在穩定蠕變狀態，而不讓其達到破壞過程加劇的加速蠕變是較為理想的支護時間[8]。

3 現場工程監測

3.1 巷道工程監測方案

巷道監測內容為分別采用MGH型錨桿測力計和JSS30A型數顯收斂計進行貧礦開采區域錨桿受力變化規律和巷道收斂變形規律監測。通過對錨桿工況的監測，及時掌握錨桿實際工作狀態，了解圍巖的穩定狀況;同時結合位移量測，達到修正錨桿的設計參數的目的。通過巷道收斂監測，了解圍巖和襯砌的變化形態，可以達到研究圍巖及支護的變形發展規律、探索支護效果、評定工程穩定狀態的目的。

由于受到礦山現場施工條件的限制，選取了1460m水平回風巷道作為現場監測巷道，在該巷道16行線和28行線處設置測點，在巷道斷面兩幫和頂板各布置一個監測點;該巷道掘進過程中采用雙層噴錨網支護形式，具有較好的代表性。雙層噴錨網支護參數為:錨桿為Φ18mm螺紋鋼錨桿，長度2.25m，網度 1000mm ×1000mm，梅花形布置;金屬網采用 φ6.5mm鋼筋編制而成，網度 150mm×150mm;噴射混凝土強度等級為C20，雙層總體支護厚度200mm。測點布置情況和現場監測圖如圖2～圖4所示。

圖2 1460m水平測點布置圖

3.2 錨桿應力變化規律分析

各行線錨桿托錨力變化曲線如圖5、圖6所示，其中左幫指靠近礦體一側的巷道壁。

由圖5、圖6可知，整體而言，各行線錨桿托錨力基本為先降低后逐漸增加趨勢，只有16行和28行線頂板表現為一直下降狀態。在錨桿應力計安裝初期，通過墊板施加一定的托錨力改善了圍巖的應力狀態，將圍巖由平面雙向受壓狀態改變為三向受壓狀態，從而使圍巖環向抗壓強度得到提高，隨后隨著應力的釋放和轉移，應力值皆出現不同程度的降低現象;然后隨著托錨力的增加，支護阻力不斷增大，錨桿的支護作用得到有效發揮。

由于監測區域距離采場較遠，受礦體開采影響程度有限，地壓活動不太顯著;錨桿當前的實際托錨力整體不足，一般為4～14kN，即錨桿錨固能力的6.67% ～23.33%，只有1460m水平16行左幫來壓更為明顯，最大托錨力34.96kN，達到錨桿錨固力的58.26%。錨桿基本處于被動支護狀態，沒有充分發揮預應力錨桿的主動加固支護作用，因此，改善錨桿安裝工具、提高錨桿預應力以充分發揮錨桿的阻力作用是改善錨桿支護效果的關鍵。這里建議采用錨桿扭矩放大器安裝錨桿，以更好地提高噴錨網支護的主動性和有效性。同時，為了提高錨桿的預應力，需要配套的錨桿桿體、托盤和螺母等滿足相應的剛度要求。當前采用的HRB335的Φ18mm螺紋鋼剛度有限，桿體提供的錨固力較低，建議采用剛度較高的HRB400鋼作為錨桿桿體材料，并適當提高錨桿直徑。

3.3 巷道圍巖流變規律分析

各行線的巷道收斂曲線如圖7、圖8所示，其中測線1為巷道兩幫的相對收斂變形量，測線2為巷道左幫與頂板之間收斂量，測線3為巷道右幫與頂板之間收斂量。

圖7 16行巷道收斂曲線

圖8 28行巷道收斂曲線

根據圖7、圖8巷道收斂曲線可知，雖然各行線各時段的收斂速率表現出一定的差異，但整體變化規律基本一致，即巷道收斂量呈現逐漸增加趨勢，變形速率(曲線的斜率)有減緩的趨勢，這也反映出了金川礦區巖體的明顯流變特性，同時也說明了當前的支護方式對于改善圍巖應力狀態，進而控制圍巖變形起到了較好的支護效果。各行線巷道收斂變形情況如表1所示。

表1 各行線巷道收斂變形情況

根據現場加測得到的位移－時間曲線，即可以看出各個時間段的巷道總收斂變形量、收斂速度及其加速度趨勢等。然而衡量巷道圍巖的穩定性情況，除了監測變形量外，還需要采用變形速率或變形加速度等判別準則表示，并參考巖體工程地質條件等因素[9]。不穩定圍巖的位移速率，其變化規律基本與典型的蠕變曲線一致，先緩慢減速，然后等速變化，最后加速發展而致破壞。因此，在圍巖未穩定前出現等速過程，則預示圍巖存在發生不穩定變形的風險，而出現顯著的加速過程則表示圍巖已出現明顯的破壞，需要及時進行加強支護錨固工作。

我國錨噴支護規范中以收斂速率為0.1～0.2 mm/d，拱頂下沉速率為0.07～0.15mm/d作為圍巖穩定的標志之一。依據金川礦山巷道前期收斂變形監測的實踐，并參照國內外經驗，收斂速率－時間曲線可以分為3個階段:(1)急劇變形，收斂速率＞0.25mm/d;(2)減速變形，收斂速率≤0.25mm/d;(3)趨于穩定，收斂速率＜0.1mm/d，并最終低于0.02mm/d。見圖 9。

圖9 典型收斂速率－時間曲線

根據表1及圖9可以看出，巷道各行線表現為全斷面收斂，且以水平收斂為主，水平方向收斂大于垂直方向收斂，巷道累計變形量為3.95～8.80mm，平均收斂速率為0.09～0.19mm/d，并且巷道變形已經過劇烈變形階段尚處于減速變形階段，部分地段為趨于穩定階段，巷道穩定狀態良好，說明礦山采用的雙層噴錨網支護的圍巖變形控制效果明顯。

4 結論

(1)通過錨桿應力計監測表明，錨桿的實際托錨力整體不足，一般為4～14kN，即錨桿錨固能力的6.67% ～23.33%，只有1460m水平16行左幫最大托錨力34.96kN，到達錨桿錨固力的58.26%，預應力錨桿的主動加固支護作用沒有得到充分發揮。

(2)改善錨桿安裝工具、提高錨桿預應力以充分發揮錨桿的阻力作用是改善錨桿支護效果的關鍵;建議采用錨桿扭矩放大器安裝錨桿，同時，為了提高錨桿的預應力，需要配套的錨桿桿體、托盤和螺母等滿足相應的剛度要求。建議采用剛度較高的HRB400鋼作為錨桿桿體材料，并適當提高錨桿直徑。

(3)巷道流變特性明顯，且以水平收斂為主，水平方向收斂大于垂直方向收斂;巷道平均收斂速率0.09 ～0.19mm/d，處于減速變形階段，累計收斂量仍然呈現緩慢上升狀態，但變形速率有減緩趨勢。綜合而言，巷道整體穩定狀態良好，礦山采用的雙層噴錨網支護取得了較好的支護加固效果。

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