三山島金礦上覆斷層賦存狀態對巷道穩定性的影響

田莉梅 張 英 張景華(.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 0008；2.廊坊師范學院建筑工程學院，河北 廊坊 065000；.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

結構面與結構體在巖體內通過不同的組合和排列而形成不同的巖體結構，不同的巖體結構其物理力學性質、力學效應以及對工程穩定性的影響有所差異。巖體內部賦存的原生節理在長期復雜地質作用下形成節理、斷層、劈裂等不良結構面。井下巷道的開拓過程中會遇到各種不良地質現象，其中斷層最為常見，掘進穿越斷層破碎帶時，圍巖易出現大變形、塌方、突水等一系列地質災害，支護難度大，加固措施不當會導致巷道失穩坍塌，危害到人員和設備安全，同時造成巨大經濟損失[1-2]。

分析斷層區域工程地質條件，研究斷層附近圍巖的強度和不同斷層賦存狀態下巷道的穩定性，采取針對性的巷道掘進過斷層帶支護方案，對巷道安全施工和穩定性保障具有重要的意義。大量工程實踐和研究表明，斷層傾角、斷層與巷道頂板的距離、斷層厚度對巷道圍巖穩定性均有直接影響[3-4]，本研究以三山島金礦深部開采巷道為工程背景，采用數值模擬的方法，模擬不同賦存狀態斷層下巷道掘進施工過程，分析斷層傾角、距離、厚度對巷道穩定性的影響，確保作業安全并制定合理的支護加固方案。

1 工程概況及模擬方案

1.1 工程概況

三山島礦區附近賦存3個主要斷層為F1、F2和F3。F1位于斷裂帶中偏上部，寬6～40 cm，由斷層泥、糜棱巖及構造角礫巖組成；斷層的走向40°，傾角35～40°，主斷面延展穩定，兩側發育有1～10 m厚的碎裂巖帶。F2位于在三山島—倉上斷裂的西側(下盤)約300 m處，發育1條長900 m的分枝斷裂，總體走向為50°，呈舒緩波狀。構造巖帶寬度為5～20 m，有絹云母化、硅化、絹英巖化熱液蝕變及石英脈充填，構成構造蝕變帶。F3位于三山島—三元斷裂的西北端，在礦區內長1 500 m，向北西伸向萊州灣，向南東延長到礦區之外；斷層于32線與36線間通過，橫貫礦區。延深大于600 m。斷層走向290°～300°，傾向主要為北東，局部反傾，傾角80°以上；斷層構造破碎帶寬10～25 m，由充填其中的數條煌斑巖等基性脈巖及碎裂巖、角礫巖組成。

1.2 模擬方案及數值模型

為分析三山島金礦深部開采巷道過斷層掘進過程的圍巖穩定性并制定加固方案，同時研究斷層傾角、距離、厚度變化對巷道穩定性的影響，本研究通過數值模擬[5-7]斷層傾角0°、50°、90°，水平斷層距巷道頂板5、10、15 m，斷層厚度10、15、20 m等工況下的巷道掘進過程，分析巷道兩幫、頂板的收斂、沉降及應力分布。在巷道頂板中點、底板中點及左右兩幫布置變形和應力監測點，采用分步開挖的方式模擬掘進過程，總共10步開挖，每次進尺5 m。

模型以水平垂直于巷道走向方向為X軸，平行于巷道走向方向為Y軸，鉛垂方向為Z軸，巷道截面為三心拱，巷道凈寬4.5 m，凈高3.2 m。巷道埋深為780 m，模型在各軸上的尺寸分別為50 m、50 m和60 m，如圖1所示。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

依照現場地應力實測結果，對模型施加應力邊界條件，模型其余邊界為單向邊界。最大水平主應力、最小水平主應力、垂直主應力隨深部的變化規律依照下式計算：

σh,max=1.433+0.043H，

(1)

σh,min=1.304+0.024H，

(2)

σv=0.07+0.028H，

(3)

式中，σh,max、σh,min、σv分別為最大水平主應力、最小水平主應力、垂直主應力，MPa；H為深度，m。

三山島金礦存在豐富的地下水和古海水，圍巖長期處于這種高礦化度，顯弱酸性的地下水中，考慮損傷效應并參考地質資料，數值計算模型選取的物理力學參數如表1所示。

表1 物理力學參數Table 1 Physical mechanics parameters

2 斷層傾角對巷道圍巖穩定性的影響

斷層傾角是影響巷道圍巖穩定性的重要因素[8-9]，傾角變化對巷道的圍巖變形和強度特征有直接的影響。研究斷層傾角變化對巷道圍巖穩定性的影響規律，可通過數值模擬實現多種傾角的工況對比。模擬方案：斷層厚度15 m，距離頂板的豎直距離為10 m，選取3個傾角不同的模型進行數值模擬并對比分析無斷層情況下圍巖的穩定性，如圖2所示，模型中監測點位移和應力監測結果如表2、表3所示。

相對于無斷層的情況下，隨著斷層傾角的增加，巷道頂板沉降逐漸變大，兩幫圍巖也有明顯的收斂。傾角增大過程中，各監測點的應力值也隨之加大。傾角90°時巷道的各個監測點的位移值激增，此時巷道直穿斷層，頂板嚴重破壞，說明斷層破碎狀況及力學性質對巷道圍巖的穩定性具有控制作用。實際掘進施工過程中，尤其是巷道直穿或者斜穿斷層時，必須對圍巖和頂板進行安全監測，必要時采取合理的支護加固措施，確保施工作業安全。

圖2 模擬方案1Fig.2 Simulation model

表2 不同傾角工況監測點位移變化Table 2 Displacement of key points in different case of dip angle mm

表3 不同傾角工況監測點應力變化Table 3 Stress of key points in different dip angle MPa

3 斷層厚度對巷道圍巖穩定性的影響

厚度是斷層的主要特征之一，在不同的地質條件下斷層的厚度有所不同，而斷層厚度對巷道掘進過程中的圍巖穩定性有重大影響[10]。通過模擬傾角0°，距巷道頂板10 m，厚度分別為10、15、20 m的斷層下方巷道的掘進過程，研究斷層厚度對巷道圍巖穩定性的影響規律，如圖3所示，監測點監測結果如表4、表5所示。

隨斷層厚度的增加，監測點的位移增加并且增長速率加快。由于斷層具有高壓縮性，厚度增加后，巷道開挖引起斷層附近出現應力集中，導致壓縮變形急劇加大，因此巷道頂部沉降和巷道底部鼓起變形均增大；斷層附近應力集中導致兩側圍巖體受壓，在水平方向上向巷道臨空面的變形增加，巷道斷面收斂變形嚴重。模擬結果說明，隨著厚度的增加，斷層對巷道穩定性的影響在增大。在實際工程中，當遇到厚度較大的斷層時，需要重點注意巷道頂板穩定性控制[11-12]。

圖3 模擬方案2Fig.3 Simulation model 2

表4 不同厚度工況監測點位移變化Table 4 Displacement of key points in different thickness mm

表5 不同厚度工況監測點應力變化Table 5 Stress of key points in different thickness MPa

4 斷層與頂板距離對圍巖穩定性的影響

巷道掘進遇斷層，應當避開斷層影響區域，若設計和施工條件不允許，則有必要研究上覆斷層與巷道頂板不同距離時，其對巷道穩定性的影響。以傾角0°，厚度15 m斷層為研究對象，模擬斷層距離巷道頂板分別為5、10、15 m 這3種工況下巷道掘進圍巖變形和應力的影響區域和范圍，模擬方案如圖4所示，監測點位移和應力見表6和表7。

圖4 模擬方案3Fig.4 Simulation model 3

表6 不同距離工況監測點位移變化Table 6 Displacement of key points in different distance mm

表7 不同距離工況監測點應力變化Table 7 Stress of key points in different distance MPa

結合本工程實際，斷層距巷道的距離為5 m時，巷道監測點位移和應力值影響最大，隨著距離的增加，影響程度逐漸減弱。當達到15 m時，斷層對巷道圍巖變形和穩定性基本沒有影響。斷層與巷道距離的變化對巷道不同點的影響程度不同，其對巷道兩幫的水平位移影響較大，對巷道邊幫應力的影響相對較弱，同時其對巷道頂底板中的垂直位移和應力值均產生明顯的影響。

5 結 論

(1)當傾角小于90°時，隨著傾角的增大，巷道頂底板位移量、邊幫收斂量也隨之增大；巷道頂底板和兩幫的應力值也會隨著傾角的增大而增加，其中巷道頂板應力變化最為明顯。當傾角為90°時巷道發生破壞，此時掘進過程為巷道穿斷層施工，必須進行安全監測并采取合理的支護加固措施，確保施工安全和巷道的穩定性。

(2)本工程條件下，斷層在巷道頂板5 m范圍內時，圍巖穩定性極為不好，必須進行支護加固。5～10 m范圍內時，有效控制頂板沉降即可，超出15 m時，斷層對巷道掘進不產生影響。同時，斷層厚度越大，其對巷道圍巖的穩定性越不利，因此在開拓設計過程中需重點考慮斷層賦存狀態對巷道布置的影響。

[1] 宋衛東，趙增山,王 浩.斷層破碎帶與采準巷道圍巖作用機理模擬研究[J].金屬礦山,2004(2):11-13.

Song Weidong,Zhao Zengshan,Wang Hao.Simulation study on interaction mechanism between fault fracture zone and rock surrounding straight work[J].Metal Mine,2004(2):11-13.

[2] 盧邦穩,劉長武,謝 輝,等.不等長工作面覆巖活動及回采巷道采動影響變形規律[J].金屬礦山,2016(1):34-38.

Lu Bangwen,Liu Changwu,Xie Hui,et al.Law of overburden strata movement and mining roadway deformation under mining influence in the unequal length of working face[J].Metal Mine,2016(1):34-38.

[3] 于 泳.過大型斷層巷道設計方案優化與工程實踐[J].煤炭工程,2015,47(8):44-46.

Yu Yong.Design and engineering practice on method of roadway crossing the faults[J].Coal Engineering,2015,47(8):44-46.

[4] 王文杰.高應力區巷道卸壓支護技術及應用[J].金屬礦山,2010(3):23-25.

Wang Wenjie.Depressurized support method and application in the development working of high stress area[J].Metal Mine,2010(3):23-25.

[5] 徐前衛,程盼盼,朱合華,等.跨斷層隧道圍巖漸進性破壞模型試驗及數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2016,35(3):433-445.

Xu Qianwei,Cheng Panpan Zhu Hehua et al.Experimental study and numerical simulation on progressive failure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(3):433-445.

[6] 姜耀東,王 濤,趙毅鑫,等.采動影響下斷層活化規律的數值模擬研究[J].中國礦業大學學報，2013(1):1-5.

Jiang Yaodong,Wang Tao,Zhao Yixin,et al.Numerical simulation of fault activation pattern induced by coal extraction[J].Journal of China University of Mining & Technology,2013，42(1):1-5.

[7] 勾攀峰,胡有光.斷層附近回采巷道頂板巖層運動特征研究[J].采礦與安全工程學報,2006,23(3):285-288.

Gou Panfeng,Hu Youguang.Effect of faults on movement of roof rock strata in gateway[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(3):285-288.

[8] 魏久傳,高 敏,張 禮.斷層傾角對工作面超前支承壓力影響的數值模擬研究[J].煤炭技術,2014(6):135-137.

Wei Jiuchuan,Gao Min,Zhang Li.Influence of fault dip angle of coal face abutment pressure numerical simulation research[J].Coal Technology,2014(6):135-137.

[9] 李守國,呂進國,姜耀東,等.逆斷層不同傾角對采場沖擊地壓的誘導分析[J].采礦與安全工程學報,2014,31(6):369-375.

Li Shouguo,lu Jinguo,Jiang Yaodong,et al.Coal bump inducing rule by dip angles of thrust fault[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2014，31(6):869-875.

[10] 閆 帥,柏建彪,張自政,等.含水層上巷道過斷層圍巖破壞機制及控制[J].采礦與安全工程學報,2016,33(6):979-984.

Yan Shuai,Bai Jianbiao,Zhang Zizheng，et al.Failure mechanism and ground control of a main entry above aquifers crossing fault zone[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(6):979-984.

[11] 戎建偉.大巷過斷層帶加固圍巖與增強支護研究[J].煤炭工程,2013(9):38-40．

Rong Jianwei.Support and reinforcement research on roadway crossing faults[J].Coal Engineering,2013(9):38-40．

[12] 萬 飛,譚忠盛,馬 棟.關角隧道 F2-1 斷層破碎帶支護結構優化設計[J].巖石力學與工程學報,2014,33(3):531-538.

Wan Fei,Tan Zhongsheng,Ma Dong.Optimizing design of support structure for Guanjiao Tunnel in fault-rupture zone F2-1[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(3):531-538.