金屬礦山破碎礦巖巷道穩定性分級與支護方式選擇

儲瀟姝　孔　令　徐　恒　李芳芳　王貽明　張　元　王朝壘

(1.北京科技大學土木與環境工程學院；2.中礦資源勘探股份有限公司)

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金屬礦山破碎礦巖巷道穩定性分級與支護方式選擇

儲瀟姝1,2孔令1,2徐恒1李芳芳1王貽明1張元1,2王朝壘1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院；2.中礦資源勘探股份有限公司)

摘要針對某銅礦礦巖條件復雜、巷道穩定性差異大、支護難等問題，結合礦山5個工程地質巖組的分區，采用Q系統分級法和修正BQ分級法，對該礦山巷道所通過的礦巖工程進行質量分級評價，并根據已穿鑿巷道所揭露的圍巖實際跨冒情況，將礦山各區出現跨冒的危險分為5級，對應為巷道的5個支護等級。根據礦山支護工藝特點及施工技術條件，針對不同的巷道支護等級，以樹脂錨桿、長錨索、鋼筋網以及濕噴混凝土為基礎，分別形成了5類不同的支護方案。工程實踐表明：巷道礦巖穩定性分級結果可靠，支護方案操作性強、支護效果好，有效提高了巷道成型率，滿足了巷道生產要求，且大大降低了礦山支護成本。

關鍵詞破碎礦巖巷道冒頂穩定性危險性分級支護工藝

礦巖穩定性是金屬礦山開采的重點關注對象，是礦山開采設計、地壓控制和安全管理的主要依據，開展礦巖穩定性評價，對于礦山地下開采具有十分重要的現實意義[1]。礦巖穩定性的主要影響因素可分為地質和非地質2類，前者包括相關的工程地質條件、水文地質條件、礦區地應力場和礦巖力學特性等，后者主要與礦山所采用的采礦工藝、施工技術等因素有關。礦巖的穩定性既決定了礦山采礦工藝和施工工藝的選擇，同時在后續過程中又會受到采礦和施工作業的影響。由于地下工程地質條件紛繁復雜，因而礦巖穩定性評價工作需貫穿于地下開采作業的始終，對巷道和采場圍巖的穩定性分析是其中的重要內容。工程巖體質量分級是礦巖穩定性評價的核心，巖體質量分級結果對于井巷工程的穩定性估計、支護及維護有一定的指導意義[2]。尤其在礦山工程地質條件異常復雜，采用單一的巷道支護手段難以滿足巖體穩定性要求的情況下，基于圍巖巖體質量分級結果進行圍巖分類分級并制定相應的支護標準，可在確保支護高效安全的同時降低支護成本[3]。

某銅礦工程地質、水文地質條件復雜，礦巖破碎，部分圍巖遇水泥化，巷道形狀、尺寸不一，支護困難。隨著礦山開采深度的加大，礦巖工程質量迅速下降，且由于該礦山支護方式單一、支護參數選擇不合理，導致礦山巷道垮冒非常嚴重。為確保回采巷道的穩定性，有必要合理選擇支護方式和參數進行巷道維護。本研究對該礦回采揭露的礦巖進行工程調查(巖性描述、結構面調查、巷道垮冒情況等)，并對采集的礦巖試樣進行巖石力學試驗，獲得相應的礦巖物理力學參數，對礦巖重新進行工程質量分級，基于分級結果進行圍巖分區，并推薦相應的支護方法。

1工程地質概況

該銅礦工程地質條件復雜，根據礦體巷道通過采區周邊礦巖的分布狀態、地質構造和圍巖蝕變情況，結合礦巖物理力學參數，將工程所轄地區的巖石按建造、改造特性及組合規律進行分組，每一巖組可由1種巖石組成，也可由幾種巖石組成，為工程地質條件評價、分區和工程規劃提供依據[4]。可將采準巷道通過區域的巖體分為基底花崗巖組、長石石英巖組、礦化板巖組、礫巖組、砂層等5個工程地質巖組。其中基底花崗巖主要由片麻狀花崗巖、花崗片麻巖、花崗巖組成，RQD值為65～80，巖體完整性較好，塊狀結構，硬度一般，節理不發育，但局部巖體破壞較嚴重，布置巷道時曾出現局部冒落。長石石英巖組主要賦存于礦體上下盤，RQD值為32～78，層理面較發育，巖體完整性一般。礦化板巖組為礦區的主要含礦層位，巖性主要為泥質板巖和砂質板巖，RQD值為0～52，一般小于30，該巖組巖體結構類型為層狀碎裂結構，層理、片理發育，巖體穩定性差。礫巖巖組為礦體直接頂底板，包括底礫巖、卵石礫巖和下盤礫巖，RQD值為0～66，絕大多數小于30，含泥質高，遇水泥化嚴重，巖石質量較差，對采場穩定性影響較大。砂層巖組在礦體和上下盤圍巖之間都有存在，巖體結構松散，遇水成泥，極易垮塌，對采場穩定性影響最大，該巖組鉆孔取芯率為0，RQD值為0。各巖組節理總體較發育，且相互切割，共同破壞巖體的完整性，其中礦體及頂底板穩定性最差，對巷道及采場穩定性均有重要影響。

2工程巖體分級

2.1分級方法

自20世紀50年代以來，國內外學者先后提出了穩定性指數公式、穩定性系數公式、巖體基本質量指標QB公式、Q系統分級法、RMR分級法、RQD值分級法等工程巖體分級方法[5-7]。本研究在礦山前期工程地質調查和工程地質巖體分類的基礎上，按《工程巖體分級標準》(GB 50218-94)，選用Q系統分級法和修正BQ分級法進行巖體穩定性分級。

2.1.1Q系統分級法

Q系統分級法考慮的因素主要包括巖石單軸抗壓強度、巖石質量指標RQD、節理間距、節理形狀、地下水狀態、節理產狀與巷道軸線的關系等。采用乘積法對該6個因素進行計算，公式為

(1)

式中，RQD為巖石質量指標，%；Jn為節理組數系數；Jr為節理粗糙度系數(最不利的不連續面或節理組)；Ja為節理蝕變度(變異)系數(最不利的不連續面或節理組)；Jw為節理滲水折減系數；SRF為應力折減系數。

根據Q值確定的巖體級別見表1。

2.1.2修正BQ分級法

巖體基本質量指標(BQ)根據巖石單軸飽和抗壓強度Rc和巖體完整性指數Kv進行計算，公式為

表1　由Q值確定的巖體級別

(2)

當Rc>90Kv+30時，應以Rc=90Kv+30和Kv代入式(2)計算；當Kv>0.04Rc+0.4時，應以Kv>0.04Rc+0.4和Kv代入式(2)計算。

當進行巖體詳細分級時，需對BQ值進行修正，其修正值[BQ]的計算公式為

(3)

式中，K1為地下水影響修正系數；K2為主要軟弱結構面產狀影響修正系數；K3為初始應力狀態影響修正系數。

基于計算得到的Q值和[BQ]值，綜合巷道揭露圍巖的實際情況，可將工程巖體分為5級(表2)，其中Ⅰ級穩定性最好，Ⅴ級最差。

表2　由[BQ]值確定的巖體級別

2.2分級結果及巷道支護分類2.2.1分級結果

根據Q系統分級法和修正BQ分級法對該礦巷道通過的巖體工程地質調查結果進行分析計算，結果如表3、表4所示。

表3　巷道所通過的工程巖體基本質量(Q值)

在綜合考慮了地下水、結構面與應力場對礦巖工程質量的影響后，對礦山巷道通過的礦巖區域進行了礦巖工程質量分級。根據計算得到的Q值和修正[BQ]值，按兩者的分級標準，可知礦體主要工程巖組的穩定性狀況：①基底花崗巖、長石石英巖Ⅱ級，穩定性良，主要受節理裂隙類型結構面的影響。②礦化板巖、礫巖和砂層為Ⅴ級，穩定性劣，其中礦化板巖受層面和層里面等結構面影響，同時被各類節理裂隙斜交，破壞了礦體的完整性，而礫巖和砂層節理裂隙因含泥量較高，受地下水影響較大，遇水泥化情況嚴重，但受應力場影響較小，幾乎對工程巖體無影響。

表4　巷道所通過的工程巖體基本質量表([BQ]值)

2.2.2巷道支護分類

(1)無冒落危險。一般對應區域的圍巖巖性較好，巖性以基底花崗巖為主，基本無需進行較大強度的支護即可滿足不冒落要求。

(2)弱冒落危險。對應區域分布的巖組以基底花崗巖、長石石英巖為主，局部分布有礦化板巖和砂巖組，巖性欠穩固，或巷道頂板無滲水的區域，需采取一定的措施進行冒頂防護，并進行一定強度的支護，可采用錨桿或錨索對需要支護的區段進行支護，并對頂板圍巖進行動態監測，及時處理巷道掘進或后期維護過程中出現的冒落問題。

(3)中等冒落危險。區域以礫巖層為主，巖性局部不穩固，或巷道圍巖有滲水，受滲水影響巖壁出現泥化現象的區域，需對巷道進行錨桿或錨索支護，并采取措施進行巷道排水，避免出現大規模的泥化、失穩、片幫問題，局部滲水較嚴重的區域可采用濕噴混凝土進行封閉處理。

(4)強冒落危險。區域巖組分布復雜，對應圍巖巖性不穩固，或圍巖滲水嚴重，或幾條巷道交錯的“十字口”、“T字口”等特殊區域，需采用錨桿、錨索或濕噴混凝土進行聯合支護，并注意圍巖滲水的抽排，同時避免在“十字口”、“T字口”等特殊區域附近布置大型硐室、留下采場空區等，減少后續爆破或應力轉移對該類區域的擾動，在日常巷道維護過程中也需對支護質量和巷道圍巖進行動態監測，及時進行二次支護或封閉處理。

(5)極端冒落危險。對應區域圍巖條件極差，巖性以礦化板巖和砂層為主，遇水泥化嚴重，或存在大的斷層、破碎帶等構造的特殊地段，巷道附近存在較大的富水巖層。針對該類區域，需加大支護強度，一般采用聯合支護，采用注漿等措施封堵涌水通道，并對該部分巷道進行實時監測，盡量縮短其存在時長。

根據巷道區域冒落危險性、工程重要程度，對相應巷道區段進行了等級劃分，以確定支護區域位置和相應的支護等級，將支護區域劃分為Ⅰ～Ⅴ 5個等級，見表5。

表5　礦體采切巷道冒頂危險等級及對應區域

3巷道分級支護方式

針對不同等級的巷道礦巖情況，結合礦山生產技術條件和工藝特點，制定了不同標準的支護方案，見表6。表6中噴射混凝土采用濕噴工藝，利用濕噴臺車高效濕噴混凝土支護技術施工，可極好地封閉圍巖，解決礦山泥質板巖和礫巖巖組易風化、遇水易泥化崩解的問題，有效提高圍巖的自承能力和巷道穩定性。

4結語

結合某銅礦礦巖條件，將巷道通過區域的礦巖劃分為基底花崗巖組、長石石英巖組、礦化板巖組、礫巖組、砂層組等5個工程地質巖組，并在巷道穩定性調查和節理裂隙統計的基礎上，采用Q系統分級法和修正BQ分級法對該礦山礦巖質量等級進行了劃分。以礦巖質量分級結果為基礎，綜合開采實際情況，將巷道圍巖出現垮冒的危險性劃分為5個等級(無冒落危險、弱冒落危險、中等冒落危險、強冒落危險和極端冒落危險)，得到對應的巷道支護等級。針對不同的危險性分區，進行了相應的支護方案設計。礦山實踐結果表明，本研究推薦的支護方案可有效控制巷道圍巖變形、冒落，巷道成型率高，有助于大幅度降低礦山支護成本。

表6　不同等級的巷道支護方案

參考文獻

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[5]王劍波，李釗，趙亮.基于BQ法與Q系統法的三山島金礦深部巖體質量分級[J].現代礦業，2015(9)：126-127.

[6]于學馥.地下工程圍巖穩定性分析[M].北京：煤炭工業出版社，1983.

[7]李兆權.應用巖石力學[M].北京：冶金工業出版社，1994.

(收稿日期2015-08-12)

儲瀟姝(1984—)，女，工程師，經濟師，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。