金川二礦區深部巷道支護穩定性數值模擬研究*

王賢來，崔繼強，張鵬強，趙興東

(1.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室， 甘肅 金昌市 737100；2.東北大學 深部金屬礦采動安全實驗室， 遼寧 沈陽 110819)

0 引言

金川銅鎳礦床是世界超大型硫化銅鎳礦床，礦石主要賦存于超基性巖體中，與片麻巖、大理巖、條帶狀混合巖等接觸，礦體呈不規則巖墻狀產出，長約6000 m 以上，寬約0～500 m，延深超1000 m以上，巖體走向約NW50°左右，傾向SW，傾角為50°～80°[1]。礦床根據勘探歷史劃分為4 個礦區，其中金川二礦區位于中部，占總儲量的76.5%，主礦體包括1#礦體和2#礦體，其中1#礦體是當前主要開采礦體。

1#礦體深部850 m 中段是在一期、二期以及礦山改擴建工程基礎上新建的接續工程，埋深約900 m 左右，采用機械化盤區下向水平進路膠結充填采礦法[2]。礦體賦存于區域性大構造的次級斷裂構造中，是典型的超基性巖型礦體，礦體圍巖主要為二輝橄欖巖，其次為大理巖。850 m 中段主要采準巷道布置在礦體上盤，巷道圍巖節理構造發育、巖體破碎且存在塑性蠕變現象；受多次地質構造活動影響，地應力大；為控制巷道圍巖穩定，采準巷道主要采用緊跟掌子面的噴錨網作為一次支護，隨后的二次支護主要采用U 型鋼拱架、圓形拱架、網構鋼架+噴錨網支護，以及雙層鋼筋或者單層鋼筋現澆混凝土支護，部分區段需要混凝土漿液注漿加固。上述支護形式都存在成本高、施工工藝復雜、工序時間長、工人勞動強度大等問題，一旦局部發生變形破壞，將導致采準巷道返修維護十分困難[3?5]。本文結合金川二礦區850 m 中段采準巷道工程地質資料，分別應用Q 分級方法、地質力學分類（RMR）、地質強度指標（GSI）進行巖體質量分級，采用經驗公式和理論分析法進行采準巷道支護設計，應用RS2 有限元軟件對支護巷道效果進行驗證分析，以期為金川二礦區采準巷道穩定性控制提供合理的支護方案。

1 工程地質條件

通過對850 m 中段采準巷道典型研究區域進行工程地質調查、結構面統計和分析，結果表明：巷道主體走向150°，富礦區域采準巷道圍巖巖石質量指標（RQD）值約為68%，某采場分層巷道具有明顯三組優勢節理，其產狀分別為：第1 組約235°∠22°、第2 組約62°∠15°、第3 組約260°∠49°，其中以NW 走向最為發育，其次為NE 方向，觀察到的大多數節理傾角均較小。結構面上多夾雜斷層泥和巖石碎屑。礦體中平均節理間距為2.20 m，且節理延伸性較差。根據以往在附近區域的地應力測試結果：σ1=45 MPa，方位為232°、傾角為5°；σ2=32 MPa，方位為?62.2°、傾角為?79°；σ3=24 MPa，方位為142°、傾角為?10°[6]。二礦富礦巖石物理力學參數見表1。

表1 二礦區850 m 中段富礦礦巖物理力學參數

2 巖體質量分級及巖體力學參數估算

基于850 m 中段富礦工程地質條件、巖體結構特征及巖石力學參數，應用Barton 的Q 分級方法，依據RQD、巖體節理組數Jn、巖體節理粗糙度Jr、節理蝕變程度Ja、地下水情況Jw以及應力折減系數（SRF），應用式（1）可以確定研究區域巖體質量Q 分級值為0.13，可見金川二礦區850 m 中段采準巷道研究區域內的巖體為非常差的巖體。Q 分級值計算基礎參數見表2。

表2 巖體質量Q 分級結果

式中，Q為Q 分級指標；A2為巖石質量指標，Jn為節理組數，Jr為節理粗糙度系數，Ja為節理蝕變系數，Jw為節理水折減系數，kSRF為應力折減系數[7]。

依據完整巖石強度（A1）、RQD（A2）、節理間距（A3）、節理條件（A4）、地下水（A5）以及節理產狀調整（B），根據式（2）～式（3）計算kRMR[8]，分級參數評分結果見表3，計算可得kRMR為56，研究區域內巖體評為一般巖體。根據現場工程地質條件，確定巖體相互鑲嵌程度和節理蝕變程度表征的巖體特征，依據RMR 地質力學分級結果并結合式（4）[9]可以確定kGSI為51。

表3 RMR 巖體分級參數評分結果

式中，kRMR為地質力學分級值；k89為RMR 分類法1989 版修正值；kGSI為地質強度因子。

巖體主要由結構面和結構體組成，其力學參數與完整巖塊的力學參數有較大差別，Hoek 等對大量巖石三軸試驗資料和巖體現場試驗成果進行統計分析，綜合考慮巖體結構、巖塊強度、應力狀態等多方面的影響，提出了Hoek-Brown 強度準則[10]。本文應用Roclab進行金川二礦區850 m中段巖體力學參數計算，折減后所得巖體力學參數見表4。

表4 巖體力學參數

3 采準巷道支護穩定性數值模擬

3.1 支護參數

為有效控制深部850 m 中段采準巷道圍巖穩定，分別采用經驗公式和理論分析法進行支護參數選擇。850 m 中段采準巷道設計斷面為直墻半圓拱形，巷道斷面尺寸（寬×高）為：4900 mm×4750 mm。根據圖1，當RMR 為56 時，跨度4.9 m 的巷道自穩時間不足1 個月，迫切需要選擇合理的支護方案進行支護參數設計。

圖1 850 m 中段采準巷道自穩時間

依據巖體質量Q 分級值確定850 m 中段采準巷道采用樹脂錨桿+金屬網+雙筋條+噴射混凝土進行支護[11]，樹脂錨桿直徑為20 mm，長度為2.4 m，錨桿間排距為1.2 m。

3.2 數值模型

根據選定區域中段采準巷道工程地質條件，采用RS2 有限元軟件建立數值分析模型。考慮到計算速度、內存要求及計算精度等問題，僅對巷道周圍網格進行加密處理。模型寬度為44.90 m，高度為44.75 m，單元類型為6 節點三角形單元，共劃分為3104 個三角形單元，6492 個節點，模型采動位移約束見圖2。由于最大主應力與巷道長度方向大致相同，因此，垂直方向即為垂直應力方向，水平方向為最大水平應力方向。假設巖體為均勻各向同質，破壞準則采用Mohr-Coulomb 強度準則。

圖2 數值模擬模型

3.3 結果分析

從圖3 可以看出，采用設計的支護方式后，巷道兩幫水平位移顯著降低。未支護時，巷道左幫最大水平位移為16.902 mm，巷道右幫最大水平位移為16.584 mm；支護后，巷道左幫最大水平位移為13.707 mm, 巷道右幫最大水平位移為13.364 mm。從圖4 可以看出，采用設計的支護方式后，巷道頂底板位移也顯著降低。未支護時，巷道頂板最大垂直位移為15.537 mm，巷道底板最大垂直位移為28.516 mm；支護后，巷道頂板最大垂直位移為7.089 mm，巷道底板最大垂直位移為18.899 mm。從數值模擬可以看出，巷道幫部變形基本呈現對稱分布，而底板鼓起位移均較為顯著。現場調查研究也發現巷道部分區段會出現不同程度的底鼓現象[12]。

圖3 巷道兩幫水平位移

圖4 巷道頂底板位移

從圖5 可以看出，按設計支護方案支護后，巷道圍巖塑性區分布得到顯著改善。未支護情況下，巷道頂板塑性區最大深度為1.818 m, 底板塑性區最大深度為2.491 m，左幫塑性區最大深度為1.748 m，右幫塑性區最大深度為1.450 m；按設計支護方案支護后，巷道頂板塑性區最大深度為0.797 m，底板塑性區最大深度為2.426 m，左幫塑性區最大深度為0.923 m，右幫塑性區最大深度為1.022 m，錨桿均能錨固于完整巖體內。巷道頂板和兩幫塑性區厚度顯著降低，而底板塑性區無明顯降低。若現場底鼓嚴重，則需要及時采取應對措施。從破壞類型上看，巷道圍巖淺層破壞以拉破壞為主，而圍巖深層破壞以剪切為主（見圖6）。巷道圍巖開挖卸荷后導致淺層圍巖產生拉破壞，淺層圍巖最大主應力降低，高應力向深部圍巖轉移，較大的偏應力會導致深部圍巖產生剪切破壞。

圖5 未支護和按設計支護方案塑性區分布特征

圖6 偏應力及圍巖破壞類型

4 結論

本文以金川二礦區深部850 m 中段富礦采準巷道為工程背景，應用Q、RMR、GSI 進行巖體質量分級，并結合Roclab 進行巖體力學參數折減。根據經驗公式和理論分析確定850 m 中段采準巷道支護方法及參數，應用RS2 有限元分析軟件分析支護前后圍巖變形破壞特征，主要結論如下。

（1）根據工程地質調查及巖石力學實驗數據，應用Q、RMR 和GSI 進行巖體質量分級，Q 分級結果為非常差巖體，RMR 分級結果為一般巖體，GSI 分級結果為一般巖體，綜合評價巖體質量為差至一般。

（2）應用經驗法和Q 分級確定采準巷道支護方法及參數。采用樹脂錨桿+金屬網+雙筋條+噴射混凝土支護，樹脂錨桿直徑為20 mm，長度為2.4 m，錨桿間排距為1.2 m，噴射混凝土厚度為10 mm。

（3）應用數值模擬對比未支護和支護兩種情況下巷道圍巖變形破壞特征，發現：應用現有支護方案支護后巷道頂底板、兩幫變形均出現不同程度降低；巷道圍巖塑性區也出現顯著降低，錨桿均能有效錨固于完整巖體中；巷道圍巖淺層破壞以拉破壞為主，而圍巖深層破壞以剪切為主，主要原因是深部巷道開挖后圍巖中較高的偏應力會導致深部圍巖產生剪切破壞。本研究可為研究區域巷道支護提供可靠的參考依據，但實踐中仍需加強支護監測。