某銅礦深部巷道變形特征和破壞機理研究

張志飛

（紫金礦業集團股份有限公司 上杭 364200）

1 引言

某銅礦伴隨著地下開采深度逐年增加，開采深度已超過800m，地質環境越顯復雜，主要體現在地壓加大、巷道變形增大等，對深部資源的開發利用產生巨大的困擾。為此，對深部巷道的變形特征及圍巖破壞機理展開了深入的分析研究，為下一步支護方案的設計提供理論基礎，同時保障礦山的安全生產和經濟效益。

2 深部巷道變形特征分析

為了能夠更深入地了解深部巷道圍巖的變形特征，開展了深部主運輸巷道表面位移監測，對現場進行了長時間的觀察和分析。巷道斷面形式為三心拱，寬4.5m，高4m，采用錨噴支護方式。對現場開挖后巷道共選取2 個觀測斷面，斷面間距約為20m，采用十字交叉法布點，每個斷面布置4 個測點，測量儀器用JSS30A-30 型數顯收斂儀。經過長達兩個月時間的觀測后，變形監測結果如圖1-4所示，具體變形特征分析如下：

圖1 1#觀測斷面巷道收斂曲線

圖2 1#觀測斷面巷道收斂速率曲線

圖3 2#觀測斷面巷道收斂曲線

圖4 2#觀測斷面巷道收斂速率曲線

（1）變形量大

根據監測結果，深部巷道圍巖總的變形量是比較大的，最大可達到十幾厘米。由監測數據顯示，在進行為期兩個月時間的監測后，兩個觀測斷面的巷道變形量都很大，其中頂板下沉加上底鼓總量約163mm，巷壁移近總量約132mm。

（2）變形持續時間長

深部巷道圍巖都有較明顯的流變特性，而且變形體現在時間效應上。通過現場實測數據顯示，巷道施工開挖后圍巖要經過20 多天的劇烈變形，之后變形幅度越來越小，但持續時間卻要數月甚至更長才能完成。巷道在開挖兩個月后，1#測點巷道頂底板的收斂速率降至0.5mm/d，巷壁移近速率降至0.3mm/d；2#測點巷道頂底板收斂速率降為0.7mm/d，巷壁移近速率降為0.4mm/d。由此可見，在巷道施工開挖兩個月后，巷道仍有較大幅度的變形趨勢。

3 深部巷道變形破壞機理分析

分析研究巷道的變形破壞原因對巷道的掘進和支護以及將來的使用和維護是很有必要的，然而巷道的變形破壞是多方面因素共同作用的結果。眾多的理論研究和工程實踐經驗表明巷道變形破壞不僅與巖性、地應力、地質構造等自然因素有關，而且還與巷道的開挖方式、圍巖支護形式等工程因素有關。通過認識這些因素的作用，就能更實際的對巷道變形破壞機理進行研究并采取相應的技術措施來控制其變形。以下就以某銅礦深部主運輸巷道特定的地質條件分析該道變形破壞的影響因素。

（1）巖性

巷道由于長期處在巖漿巖體中，致使圍巖和地質結構異常復雜。已揭露巷道圍巖主要為花崗巖，局部穿插有英安玢巖巖脈，巖石破碎松散，多處分布破碎帶、嚴重地開石蝕變的軟質巖，淺部以風化裂隙為主；巷道沿線斷裂較發育，局部斷裂、巖脈發育及地開石蝕變嚴重段，巖體質量差，以Ⅳ～Ⅴ級為主。在巷道掘進時引發的荷載集中作用在塊狀結構的巖體上很容易使其變為碎裂結構的巖體，從而造成圍巖體的整體強度降低，以此圍巖產生一定量的膨脹變形量。

（2）地質構造

該巷道所穿越的巖層地質構造非常復雜，多見大小不一的斷層，節理和裂隙相當發育。礦區范圍內的斷裂構造有5 條，巷道掘進在穿越斷層、構造裂隙時所受壓力很大，巷道變形量也急劇上升，支護相當困難。當巖體受開挖擾動后，會經歷一個卸壓階段，之后圍巖體自身出現穩定并且維持一段時期，倘若支護結構遭到破壞，失去平衡，此時就會加劇巷道的變形，這在斷層下盤最容易發生冒頂事故。此外，巷道在穿越斷層掘進時，在斷層附近的巷幫往往會發生較嚴重的變形，此時在巷道中采用錨桿支護時會使其受較大剪應力而所受拉應力卻較小，錨桿極易出現彎曲變形現象。

（3）地應力作用

根據礦區前期斷裂構造的地質條件研究表明，該礦區具有復雜多變的構造應力。由現場巷道破壞形式發現，不同方向巷道破壞嚴重程度不同，表明礦區實測地應力以水平應力為主，應力值也較大。就巷道目前的深度而言，巷道垂直應力只有水平應力的一半，表現出強烈的礦壓特性，頂板冒落和底板上突嚴重。巷道施工開挖后，圍巖釋放壓力，受上覆巖層重力、支撐壓力及構造應力的影響，使支護工作舉步維艱。又水平應力大，使巷道頂底板巖層容易出現擴容剪脹變形，頂底板巖層的破壞將進一步加大。

（4）地下水的影響

根據水文地質資料顯示，深部巷道揭露地下水類型包括風化裂隙水、巖脈裂隙水、斷層破碎帶內地下水和構造裂隙帶地下水四種。從巷道掘進工作面圍巖可以看出該處巖體異常破碎，呈泥質膠結狀，受水的侵蝕、流動影響非常大。地下水對巷道圍巖的侵蝕、溶解及沖刷作用使巖石疏松、軟化，或產生動、靜水壓力，改變巖石的力學狀態，泥石物塊的充填，降低了巖石的強度和承載能力，巖體也變得不完整，圍巖的穩定級別下降，明顯達不到支護設計的要求。

（5）巷道支護方式

深部巷道的支護方式，一般有錨噴支護、錨網噴支護、混凝土支護等。因為支護結構的支撐抵抗作用，直接影響巷道圍巖的應力、應變狀態，使開挖引起的巷道變形得到有效控制，減小圍巖塑性區范圍。大量工程實踐證實，采用正確的支護方式、選擇合理的支護參數能夠使支護效果得到最佳體現，所以，支護結構對圍巖穩定性的影響至關重要甚至起決定作用。巷道前期采用250mm厚的混凝土支護方式，混凝土支護結構頂部出現裂縫、掉塊現象。造成這一現象的主要原因是混凝土支護屬剛性支護，在巷道開挖初期不能起到柔性讓壓的作用，原支護結構的支護阻力偏低，無法抵抗作用在支護結構上的外力。

4 結論和建議

（1）巷道所處在構造破碎巖層區，巖石非常破碎軟弱，蝕變嚴重，又處在高地應力環境中。在錨噴支護方式下，巷道主要表現為大變形、長時間變形的特征。

（2）影響深部巷道變形破壞的因素有很多，但客觀的自然因素是人為無法改變的，因此，要控制巷道的變形，改善圍巖的穩定程度唯有從支護因素入手。