高海拔軟破大斷面巷道變形破壞機理及控制技術研究

沙仙武， 吳健輝， 劉現培， 黃智強

(1.西藏巨龍銅業有限公司， 西藏 拉薩 850200； 2.北京科技大學， 北京 100083)

1 前言

礦業是國民經濟的基礎產業，隨著礦業的發展，越來越多的企業朝著高海拔偏遠地區進軍。然而高海拔礦山開采面臨著各種各樣挑戰[1-5]。其中高海拔環境、軟巖破碎帶、大斷面等因素給圍巖控制帶來了極大的挑戰[6-12]，因此進行高海拔軟破大斷面巷道變形破壞機理研究迫在眉睫。

劉寧等[13]以新疆拜什塔木銅礦軟巖巷道為工程背景，揭示了泥質軟巖巷道破壞機理，提出以樹脂錨桿+鋼筋網+噴射混凝土為核心的主動定向支護新方法。王志修[14]等以新疆某銅鎳礦巷道為工程背景，揭示圍巖屬于軟巖巷道，提出破壞聚類破壞形式的機理，并針對各類破壞形式,基于變形力學機制轉換,提出各類圍巖失穩模式的支護對策。黃慶享等[15]以象山礦井南一石門為工程背景，掌握了巷道各階段圍巖基本變形規律，確定了全斷面采用錨桿錨索+鋼筋梯子梁+金屬網噴漿支護,并對圍巖極其破碎階段進行注漿。冷建民等[16]以三山島金礦深部巷道為工程背景，發現高應力下開挖卸荷所產生的應力松弛是導致深部巷道變形和破壞的根本原因。劉佳鵬等[17]以大佛寺礦41211回風巷道為工程背景，提出高預應力強力錨桿支護、錨桿- 錨索協調支護和強幫支護的控制技術，對原支護方案進行優化，發現支護效果顯著,滿足大佛寺礦安全高效生產。姚柏聰等[18]根據采空區巷道圍巖的力學特性,發現了深部開采軟巖巷道的破壞規律，并且通過采集施工現場的巖樣進行室內試驗研究，提出了沿空留巷的有針對性的設計方案，以錨桿和錨索為主，共同提供支護強度。李延輝等[19]針對郭屯煤礦1103運輸巷受采動影響圍巖應力分布和巷道變形不均的問題，分析了動壓巷道圍巖破壞機理，并對錨網支護參數進行了研究,得出最佳支護方案,并應用于工程實踐。

上述學者就軟巖和深部開采巷道破壞機理方面做了許多的研究，而關于高海拔軟破大斷面巷道變形破壞機理研究則鮮有報道。本文以西藏巨龍銅礦軟破大斷面皮帶巷道為研究對象，對該皮帶巷道變形破壞機理進行研究。研究結果以期能夠為國內外同類型開采技術條件礦山開采提供一定的參考依據。

西藏巨龍有限公司驅龍銅多金屬礦(主運輸皮帶巷道一段)工程位于墨竹工卡縣西南約20 km甲瑪溝境內，礦區設計采用露天開采模式，選廠和采取內礦石運輸經長距離皮帶傳送帶進行運輸，受限于地表地貌形態影響，部分皮帶傳輸帶需要經過隧洞施工方可進行。本研究對象就是針對該隧洞開展的研究工作，皮帶巷道全長1 661 m，工程所在地區屬高原溫帶半干旱季風氣候區，工程所在位置海拔+497 3 m。氣候特點是高寒干燥，空氣稀薄，年溫差小而晝夜溫差大。年平均氣溫5.1～9.1 ℃，冬季極端最低氣溫在-16～-23 ℃。地表以凍土覆蓋層為主，年降水量515.9 mm，降水集中在每年的6～9月份。

2 高海拔軟破大斷面皮帶巷道變形破壞特征

主運輸皮帶巷道塌方段處在山谷斷裂帶，巖層多為土夾石，巖層差且含水量多。垮塌點里程約為675 m，造成巷道上方地表泥土滑坡，大量泥土沖擊進巷道內，并淤積于巷道內645～680 m里程段。塌腔深度2 m左右，塌方范圍約5 m2，圖1所示為巨龍皮帶巷道變形破壞特征。

圖1 皮帶巷道變形破壞圖

3 高海拔軟破大斷面皮帶巷道變形破壞機理

為探究大斷面皮帶運輸巷道變形破壞原因，利用數值模擬軟件對皮帶運輸巷道及其圍巖變形破壞進行模擬，分析皮帶巷應力分布規律、位移演化規律及塑性區分布規律。數值模擬所建立的模型尺寸為1 000 m×1 450 m×425 m，模型共有102 557 1個單元，597 246個節點。數值模擬模型如圖2所示。

圖2 數值模擬模型示意圖

3.1 皮帶巷道應力分布規律

由工程地質可知皮帶巷道于675 m處垮塌，并造成巷道上方地表泥土滑坡，大量泥土沖擊進巷道內，并淤積于巷道內645～680 m里程段。通過數值模擬得到了皮帶巷道開挖過程中應力分布，于是分別截取645 m、660 m、675 m和690 m處皮帶巷道數值模擬結果圖，具體如圖3所示。

分析圖3可知，在皮帶巷道開挖過程中，在巷道的頂底板一定范圍內出現了水平應力集中區域。當應力大于皮帶巷道極限強度時，巷道的頂底板發生破裂，應力得到一定的釋放，引起應力集中區域逐漸向皮帶巷道較深范圍轉移[20]。645 m、660 m、675 m、690 m處皮帶巷道在開挖過程中所受到的最大應力分別為4.9 MPa、5.2 MPa、5.4 MPa、5.3 MPa，其所受的應力相差不大。由于675 m處皮帶巷道處于破碎帶，從圖中可以發現在該處皮帶巷道整體應力分布較小。

圖3 皮帶巷道應力分布

3.2 皮帶巷道位移演化規律

在模擬皮帶巷道開挖過程中，對皮帶巷道間隔15 m取一次結果圖，具體如圖4所示。分析圖4可知：645 m、660 m、690 m處皮帶巷道頂板位移兩分別為15 mm、8 mm、25 mm，底板位移量分別為21 mm、23 mm、50 mm。這一段皮帶巷道位移變形量不大，對皮帶巷道的穩定性沒有影響，而675 m處皮帶巷道的頂板最大位移量為2.47 m，并且在皮帶巷道上方圍巖變形量也較大達到了1.25 m。皮帶巷道開挖后，其周邊應力集中導致其圍巖由淺部到深部。逐漸產生塑性破壞，進而導致圍巖位移量持續增加，最終產生破壞。這是造成皮帶巷道塌方的主要原因，在之后支護的過程中，該段皮帶巷道應重點關注，選擇合適的支護方式。

圖4 皮帶巷道位移變化

3.3 皮帶巷道塑性區分布規律

本次模擬對皮帶巷道開挖過程中塑性區進行探究，分別截取645 m、660 m、675 m、690 m處皮帶巷道模擬結果圖，具體如圖5所示。

分析圖5可知，在皮帶巷道開挖過程中，由于頂底板巖性較好，645 m、660 m處的皮帶巷道頂底板出現拉伸破壞現象，但破壞范圍較小。然而開挖到675 m的時候，皮帶巷道頂底板的破壞模式為剪切破壞，并且破壞范圍較大。處于破碎帶的皮帶巷道其塑性破壞較大，巷道易失穩，因此在支護過程中，亟需對該處皮帶巷道選擇合理的支護方式。

圖5 皮帶巷道塑性區分布

4 現場工業性試驗

4.1 支護方案

基于此前對皮帶運輸巷道數值模擬分析研究，對高海拔軟破大斷面皮帶運輸巷道變形破壞機理做了系統分析。根據數值模擬結果，處于破碎帶處的皮帶運輸巷道極易失穩，因此在支護過程中，亟需對該處皮帶運輸巷道選擇合理的支護方式。

1) 超前管棚支護

在根據現場實際情況，采取超前管棚支護，套管采用φ146 mm×6 mm無縫鋼管，超前管棚采用φ108 mm×6 mm無縫鋼管，管棚從起拱位置開始施工，間距300 mm，排間距2.0 m，第一排管棚長度30 m，后排長度6 m(管棚長度等參數可根據現場實際情況做調整)。超前管棚采用2臺錨索鉆機施工鉆孔。管棚施工前在原有鋼拱架內安裝支護鋼拱架套拱(套拱采用I25a工字鋼制作)，套拱間距根據現場實際情況確定，套拱與原有鋼拱架間距400 mm，超前管棚從此間距中打設，以保證超前管棚牢固可靠。并且在管棚打設完畢后，進一步在鋼管中注漿加固，以增強超前支護強度。待臨時支護完成后，再將套拱拆除，施工現場如圖6所示。

圖6 皮帶運輸巷穿越破碎帶管棚施工現場

2) 長錨索- 短錨桿- 勾花網聯合支護

超前支護施工完畢后進行爆破掘進工作，皮帶運輸巷開挖后，首先進行長錨索- 勾花網聯合支護，具體為：在巷道頂部均勻施工6根長錨索，錨索長度為10～12 m，錨索排距為1.5 m。施工完畢后，在巷道頂部掛設柔性勾花網，并使得柔性勾花網緊貼運輸巷壁面。

3) 鋼架- 噴射混凝土支護

采用25#工字鋼型鋼拱架全斷面封閉成環，縱向榀間距0.4 m，且采用環向間距1.0 m、I14工字鋼(沿工字鋼腹板中線切割開，一分為二)或φ25 mm鋼筋縱向聯結。鋼拱架分段加工制作，接頭處焊接20 mm厚鋼板(350 mm×350 mm)，連接鋼板用4條M27×70(8.8級)高強螺栓進行連接。在每榀拱架的起拱線及邊墻上下等受力弱點共打設長度2.5 m、φ25 mm螺紋鋼的鎖腳錨桿6對，然后鋪設焊接規格φ8 mm，網格間距10 cm×10 cm的鋼筋網片，鋼拱架背部用混凝土枕木充填，空隙處進行噴漿。噴射混凝土厚度15～30 cm，達到C20強度，皮帶運輸巷穿越破碎帶區域現場噴漿作業如圖7所示。

圖7 皮帶運輸巷穿越破碎帶噴漿施工現場

4.2 現場試驗效果

根據前述開展的破壞機理研究和支護方式設計，本次現場施工確定襯砌厚度為250 mm，現場施工結果如圖8所示。再者為了能更好地掌握皮帶運輸巷道的圍巖變形情況，待支護結束后，對該段巷道進行監測。現場監測結果表明，巷道最大位移量都不超過2 mm，能夠滿足巨龍驅龍段礦區皮帶運輸巷道運輸礦石的安全需求。

圖8 皮帶運輸巷現場圖

5 結論

基于數值模擬分析研究，對高海拔軟破大斷面皮帶巷道變形破壞機理做了系統分析，主要結論如下：

(1) 皮帶巷道所處地質條件，對巷道及其圍巖變形破壞有著顯著的影響，地質條件越差，巷道道及其圍巖穩定性越差。

(2) 破碎帶處的皮帶巷道，可以發現在該處皮帶巷道整體應力分布較小，頂底板的破壞模式為剪切破壞，并且破壞范圍較大，巷道及圍巖穩定性較差。

(3) 支護方案設計為“超前支護”+“長錨索- 短錨桿- 鉤花網聯合支護”+“鋼架- 噴射混凝土支護”聯合支護。

(4) 現場監測結果表明皮帶運輸巷道在支護過后，其能夠滿足巨龍驅龍段礦區皮帶運輸巷道運輸礦石的安全需求。