金屬礦山深部巷道穩(wěn)定性測(cè)試與分析

張鵬強(qiáng)，李 鳳，朱大銘

(1.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100；2.鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 金昌 737100)

礦山深部原巖所處的各向異性原巖應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境是引起巖體破壞的根本潛在因素，隨著礦山開采深度的增加，地應(yīng)力值和分布狀態(tài)都會(huì)發(fā)生明顯變化，深部巷道及采場(chǎng)的收斂變形機(jī)理與淺部區(qū)別較大，這種區(qū)別的根源在于巖石所處的應(yīng)力環(huán)境以及由此導(dǎo)致的巖體力學(xué)性質(zhì)的變化，淺部表現(xiàn)為彈性變形的巖石在深部會(huì)表現(xiàn)為彈塑性或塑性變形特征。因此，深部巷道圍巖松動(dòng)圈的分布范圍和分布特征較淺部更加復(fù)雜，而準(zhǔn)確掌握松動(dòng)圈的范圍和特征對(duì)深部巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。深部高地應(yīng)力環(huán)境下的巷道支護(hù)，除了考慮巖石強(qiáng)度性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)重視巷道所處的應(yīng)力分布特征和因掘進(jìn)造成的次生斷裂結(jié)構(gòu)面的影響[1，2]，更加強(qiáng)調(diào)圍巖峰后破壞巖體殘余強(qiáng)度的利用。這些支護(hù)理論和技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都要基于準(zhǔn)確測(cè)定巷道松動(dòng)圈的范圍和特征。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)松動(dòng)圈的測(cè)試方法主要有滲流法、地震聲學(xué)、超聲測(cè)井方法、深基點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量方法等，但各種測(cè)試方法的特征和適用條件有所不同。本文針對(duì)金川二礦區(qū)深部巷道松動(dòng)圈的測(cè)定問題，在現(xiàn)有測(cè)試方法的基礎(chǔ)上將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，在獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)分析其分布和變化規(guī)律，為深部巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用提供科學(xué)的預(yù)判依據(jù)。

1 金川礦山深部巖體現(xiàn)狀

金川礦山工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育并呈現(xiàn)出明顯的高地應(yīng)力強(qiáng)流變特性。研究結(jié)果表明金川礦區(qū)以水平應(yīng)力為主，轉(zhuǎn)入深部開采后水平應(yīng)力隨開采深度增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，水平最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值也隨之增大，即剪切應(yīng)力增大，巷道失穩(wěn)破壞現(xiàn)象加劇。目前，金川二礦區(qū)開采深度已達(dá)1000m以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二礦區(qū)井下巷道返修量由1999年的3200m急增至2017年的15617m，并且還有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)，隨之而來的是巷道維護(hù)費(fèi)用的大幅增加，對(duì)深部資源的經(jīng)濟(jì)性開采已經(jīng)產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的影響。因此，準(zhǔn)確測(cè)定深部裸露巷道松動(dòng)圈的范圍和分布特征，對(duì)促進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)的改進(jìn)具有深遠(yuǎn)的影響。

金川礦山科研成果普遍表明[3-7]，其井下巷道變形規(guī)律表現(xiàn)為：巷道分布位置和橫斷面具有變形特征的差異性；巷道變形的時(shí)間效應(yīng)十分顯著；巷道變形量大；變形破壞的巷道分布范圍廣；深部巷道圍巖變形收斂值與其附近軟弱巖層的厚度有關(guān)等。本文根據(jù)金川礦山巷道變形規(guī)律，對(duì)二礦區(qū)深部開采工程上盤分斜坡道松動(dòng)圈范圍和分布特征通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相結(jié)合的方法進(jìn)行確定，為深部巷道支護(hù)技術(shù)改進(jìn)提供參考。二礦區(qū)深部開采工程上盤分斜坡道巷道凈斷面尺寸為4.0m×4.0m（寬×高）。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 力學(xué)模型

數(shù)值模擬采用三維有限元軟件，選擇莫爾庫倫（Mohr-Coulomb）塑性模型[8]，該理論認(rèn)為巖石的破壞是由剪應(yīng)力引起，而且?guī)r體所受的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間存在下列的函數(shù)關(guān)系。

式中，τ為巖體所受到的剪應(yīng)力；σ為巖體所受到的法向應(yīng)力，即正應(yīng)力。

莫爾庫倫（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則是一系列極限莫爾圓的包絡(luò)線，見圖1。該本構(gòu)模型表明，在莫爾應(yīng)力圓到包絡(luò)線上及包絡(luò)線以外則巖體發(fā)生破壞，在包絡(luò)線以內(nèi)巖體不發(fā)生破壞。

圖1 完整巖石的莫爾庫倫強(qiáng)度曲線

2.2 力學(xué)參數(shù)

金川礦區(qū)工程地質(zhì)與巖石力學(xué)研究過程中已經(jīng)獲得了比較客觀準(zhǔn)確的巖石力學(xué)參數(shù)[3]，數(shù)值模擬計(jì)算所采用的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模擬計(jì)算所采用的參數(shù)表

2.3 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)巷道的開挖斷面規(guī)格，并結(jié)合實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù)與選定的破壞理論準(zhǔn)則，建立三維有限元模型[4]。巷道斷面為直墻半圓拱，斷面規(guī)格4.0×4.0m。模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 模擬巷道開挖形態(tài)圖

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果[3,5-7]，金川礦區(qū)地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，目前金川二礦區(qū)開采深度1000m的水平應(yīng)力為45.5MPa，垂直應(yīng)力為29.4MPa。根據(jù)巖石應(yīng)力分布特征設(shè)置模型邊界條件，對(duì)模型四周邊界節(jié)點(diǎn)的x、y、z方向分別設(shè)置速度約束，相當(dāng)于固定支座約束。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬模型以及所選擇的力學(xué)參數(shù)，巷道數(shù)值模擬分析云圖見圖3。模擬計(jì)算結(jié)論顯示，金川礦區(qū)深部上盤分斜坡道最大主應(yīng)力為50.3MPa，最大位移為2.95m，剪應(yīng)力為18.8MPa，最大塑性區(qū)分布于巷道左側(cè)幫和底板，巷道的松動(dòng)圈深度為1.5m-2.95m。

圖3 數(shù)值分析云圖

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了研究二礦區(qū)深部開采工程主要巷道松動(dòng)圈范圍和分布特征，選擇其上盤分斜坡道工程為實(shí)測(cè)對(duì)象，并在上盤分斜坡道合理位置布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)布置圖

3.2 測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM-SY7型超聲波自動(dòng)循測(cè)儀進(jìn)行單孔測(cè)試[9，10]。單孔測(cè)試法是利用雙發(fā)探頭在所處鉆孔中測(cè)量孔壁滑行波的波速來實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖破碎情況的判斷。在此過程中利用清水作為耦合劑，沿測(cè)試孔徑向每隔0.2m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)來對(duì)整孔進(jìn)行依次測(cè)試。所測(cè)得的參數(shù)即為縱波的傳播時(shí)間，而后結(jié)合兩個(gè)接收器之間的距離來求得波速的大小。根據(jù)所選擇的測(cè)點(diǎn)位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置8個(gè)測(cè)試孔，測(cè)試孔深3m，測(cè)試孔布置方式見圖5。

表2 各測(cè)試孔松動(dòng)圈深度及聲速測(cè)試表

3.3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)每個(gè)測(cè)試孔中聲速在探頭入孔深度不同位置時(shí)接近于水中速率值的原理來確定測(cè)試孔松動(dòng)圈的深度，即證明該處圍巖裂隙較其它部位發(fā)育。現(xiàn)場(chǎng)布置的各測(cè)點(diǎn)得出的松動(dòng)圈深度及聲速見表2，各測(cè)試孔松動(dòng)圈深度變化折線圖見圖6，由表2和圖6可以看出，4、6測(cè)試孔松動(dòng)圈深度最大，達(dá)到2.85m，即巷道左側(cè)幫和底板的松動(dòng)圈發(fā)育程度最高，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果分析，目前金川礦山采用的長(zhǎng)2.25m的錨桿已無法滿足深部巷道支護(hù)的需要。因此，必須針對(duì)深部巷道圍巖松動(dòng)圈的實(shí)際特征進(jìn)一步改進(jìn)支護(hù)技術(shù)、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，以滿足深部巷道支護(hù)的需要。

松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果表明，巷道底板松動(dòng)圈發(fā)展程度較大，其深度均超過了1.5m。由此說明，巷道兩幫和底板圍巖中的塑性區(qū)已基本貫通，在高地應(yīng)力作用下巷道兩幫圍巖會(huì)向臨空面產(chǎn)生較大移動(dòng)，進(jìn)而擴(kuò)大該區(qū)域的松動(dòng)圈范圍，在遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力的持續(xù)作用下最終發(fā)生塑性滑移而導(dǎo)致巷道整體破壞。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果研究表明，在各測(cè)點(diǎn)布置的4和6號(hào)測(cè)試孔松動(dòng)圈深度較大，最大達(dá)到2.85m；從數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，巷道松動(dòng)圈范圍主要位于巷道左側(cè)幫和底板，松動(dòng)圈深度為1.5m-2.95m。因此，本次數(shù)值模擬研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基本吻合，同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究結(jié)果在金川礦區(qū)深部巷道研究中的可行性。

5 結(jié)論

金川二礦區(qū)深部開采工程上盤分斜坡道為主要的運(yùn)輸巷道，承擔(dān)著深部開采基建施工廢石和礦石運(yùn)輸任務(wù)，人員、車輛通行量大，運(yùn)輸任務(wù)繁重，設(shè)計(jì)采用雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿為Φ22mm滾壓直螺紋錨桿，長(zhǎng)2.25m。通過巷道松動(dòng)圈深度和分布特征數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析研究，得出以下結(jié)論。

（1）數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，金川礦區(qū)深部巷道松動(dòng)圈范圍較大的部位集中在巷道的左側(cè)幫和底板，深度達(dá)到1.5m-2.95m。

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，金川礦區(qū)深部巷道松動(dòng)圈范圍主要位于巷道兩幫和底板，深度為1.1m-2.85m。

（3）通過研究表明，驗(yàn)證了數(shù)值模擬在金川礦區(qū)深部巷道松動(dòng)圈確定中的可行性。

（4）從數(shù)值模擬研究結(jié)果可以看出，金川礦區(qū)深部巷道底臌現(xiàn)象明顯，今后在深部巷道的支護(hù)研究中還應(yīng)該重點(diǎn)探究經(jīng)濟(jì)、合理的巷道底板封底加固措施。

（5）數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，金川深部巷道圍巖松動(dòng)圈深度以兩幫及底板為最大且超過了2.95m，頂板次之，這表明目前所采用的2.25m錨桿長(zhǎng)度已無法滿足深部巷道支護(hù)的需要，應(yīng)在后續(xù)的研究中根據(jù)支護(hù)需要，進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，確定合理的錨桿長(zhǎng)度。

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