井下高應(yīng)力膨脹破碎軟巖巷道穩(wěn)定性措施研究與應(yīng)用

張 虎，王 成，楊曉東，李 強，許道學(xué)

（赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024039）

高應(yīng)力膨脹破碎軟巖巷道支護(hù)一直是巷道支護(hù)領(lǐng)域的難題，到目前為止，仍然沒有從根本上解決。赤峰柴胡欄子金礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層分布廣泛且其巖體多具有松軟、破碎、膠結(jié)差，遇水易崩解發(fā)生軟化，屬于典型的高應(yīng)力膨脹破碎軟巖。遇水易崩解發(fā)生軟化后體積急劇膨脹，產(chǎn)生較大的膨脹壓力，使得巷道產(chǎn)生大變形。

該礦山經(jīng)歷由淺入深的發(fā)展過程，隨著由淺到深地壓也越來越大，在該類圍巖中掘進(jìn)巷道時，頻繁發(fā)生冒頂和片幫等現(xiàn)象，造成該類巷道支護(hù)困難。針對該類巷道的支護(hù)，柴胡欄子金礦原采用傳統(tǒng)的澆筑混凝土支護(hù)方式，但這種支護(hù)方法存在成本高，勞動強度大，作業(yè)流程復(fù)雜，作業(yè)周期長，安全隱患大等問題。采礦生產(chǎn)過程中的爆破振動，會使得原本變形的巖體發(fā)生進(jìn)一步的損傷變形，加劇巷道的變形破壞。赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦高應(yīng)力軟巖巷道穩(wěn)定性措施研究需要從爆破參數(shù)優(yōu)化及支護(hù)方式兩個方面進(jìn)行。

1 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦目前采用的裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥。爆破時選擇不耦合裝藥的結(jié)構(gòu)，能有效降低爆破的地震效應(yīng)，也可以有效的降低爆破時炮孔內(nèi)部產(chǎn)生的初始沖擊壓力，實際上就是利用炮孔內(nèi)部的剩余空間作為爆破沖擊波的緩沖層，能削弱沖擊波波峰壓力，進(jìn)而減少爆破地震效應(yīng)。赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦進(jìn)行開采爆破設(shè)計時，全部推廣應(yīng)用用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步降低爆破的地震效應(yīng)。

2 巷道支護(hù)優(yōu)化

2.1 軟巖巷道變形機制

在特殊環(huán)境下，高應(yīng)力軟巖巷道的變形機制相對較復(fù)雜，容易發(fā)生明顯的塑性變形，其原因有很多種。經(jīng)過實踐研究與理論分析得到，軟巖的變形機制主要有以下三種：物化膨脹性、應(yīng)力擴(kuò)容性、結(jié)構(gòu)變形型。

2.2 軟巖巷道支護(hù)原理

因高應(yīng)力軟巖巷道具有塑性變形的特點，所以在支護(hù)過程中，必須要考慮其巨大的塑性能，軟巖巷道在支護(hù)過程中需要釋放出塑性能。假設(shè)巷道開挖后圍巖受到的合力：

式中：FT—開挖后促使圍巖受到的合力，N；FD—塑性能轉(zhuǎn)化的工程力，N；FR—圍巖自身承載力，N；FS—支護(hù)工程力，N。

一般軟巖自身承載能力較小，即FR較小，導(dǎo)致FT-FD要大于FR，需要對軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)，使得FR+FS大于FTFD，此時巷道趨于穩(wěn)定。需要選取合適的支護(hù)時間和變形能釋放的時間。軟巖巷道的支護(hù)需要做到以下兩點：

（1）最佳的支護(hù)時間和時段。最佳支護(hù)時間是指同時使圍巖自身承載力和變形能轉(zhuǎn)化的工程力最大的支護(hù)時間，支護(hù)時段一般是在最佳支護(hù)時間的附近時段。

（2）關(guān)鍵部位的耦合支護(hù)。對關(guān)鍵部位耦合支護(hù)主要是指對影響軟巖巷道支護(hù)效果的關(guān)鍵部位進(jìn)行耦合支護(hù)，包括支護(hù)體和圍巖的耦合支護(hù)。

2.3 赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦井下高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)變形分析

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司高應(yīng)力軟巖巷道目前多采用工字鋼支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。

隨著開采的進(jìn)行，因受到采動支撐壓力的影響，部分巷道多出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，工字鋼彎曲變形程度較大，巷道斷面收斂量較大。

在不改變赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司高應(yīng)力軟巖原有巷道支護(hù)設(shè)計上，可以從三個方面提高支護(hù)的穩(wěn)定性：

①提高圍巖強度；②改善支架受力情況；③改善支架結(jié)構(gòu)。

2.4 改善的支護(hù)方式

針對赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦高應(yīng)力軟巖巷道的地質(zhì)條件和巷道變形破壞的特征，以及上述對原有支護(hù)穩(wěn)定性的分析，可在巷道底部對U型鋼棚壁后充填來增加反拱支護(hù)的方式，實現(xiàn)高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)。利用U型鋼支架代替原有的工字鋼，充填加固原有的松散礦巖，完成關(guān)鍵部位的耦合支護(hù)。將其與原有的體系進(jìn)行比較，在巷道底部對U型鋼棚壁后充填來增加反拱支護(hù)的方式優(yōu)點如下：

①加大了圍巖的承載能力：充填加固了松散破碎的圍巖，把圍巖變成整體，使圍巖的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角得到了提升，同時又將圍巖中原有的裂隙進(jìn)行了封閉，巖體強度得到了明顯的提高。②更加合理化的支護(hù)結(jié)構(gòu)：U型鋼采用拱形的頂部鋼梁，它的承載能力比工字鋼的水平橫梁要大，發(fā)生彎曲變形的幾率較小，同時利用反拱支護(hù)解決高應(yīng)力區(qū)內(nèi)巷道出現(xiàn)底鼓問題。③耦合支護(hù)：U型鋼壁后充填支護(hù)方式使得支架與圍巖的接觸更為良好，耦合支護(hù)避免了支架局部受力的情況，提高了支護(hù)的整體性，因此穩(wěn)定性會更好。

經(jīng)過近1年的成熟應(yīng)用，開采爆破設(shè)計時裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥來進(jìn)一步降低爆破的地震效應(yīng)，采用U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護(hù)方式來解決峰柴礦公司井下高應(yīng)力膨脹破碎軟巖巷道穩(wěn)定性。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司柴胡欄子金礦自2016年3月開始在3#盲豎井八中段、3#盲豎井九中段、3#盲豎井十中段經(jīng)過15月時間的高應(yīng)力膨脹破碎軟巖巷道裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥、U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護(hù)方式成功實施后，赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司每年要穿過高應(yīng)力膨脹破碎軟巖巷道2.2×2.35m的巷道120m，2.6×2.4m的巷道150m，4.0×3.0m的巷道100m。

（1）采用裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥、U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護(hù)方式，使3#盲豎井八中段、3#盲豎井九中段、3#盲豎井十中段縮短建設(shè)工期98天，帶來的間接經(jīng)濟(jì)效益也是非常明顯的。

（2）高應(yīng)力膨脹破碎軟巖巷道裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化為不耦合裝藥、U型鋼棚壁后充填巷道底部增加反拱支護(hù)方式已在赤峰當(dāng)?shù)夭糠值V山推廣應(yīng)用，得到施工單位的高度評價，社會效益顯著。