梅山鐵礦破碎區(qū)穩(wěn)定性分析及支護(hù)研究

秦紹龍 單 迪 趙興東 代碧波

(1.東北大學(xué)深部金屬礦采動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.中國(guó)礦產(chǎn)資源集團(tuán)有限公司,北京 100044;3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司,遼寧 鞍山 114001)

礦業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè),雖然它在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)值中占的比例不多,但以礦業(yè)為基礎(chǔ)的原材料工業(yè)和相關(guān)加工業(yè)的產(chǎn)值占全國(guó)工業(yè)總產(chǎn)值的 60%以上[1]。近幾年,在各行各業(yè)發(fā)展中,對(duì)金屬原材料的需要量日益增加,但目前附存于地表的易采礦體被開(kāi)采殆盡。因此,為了滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展對(duì)金屬原材料的需求,金屬礦床開(kāi)采已向地下深部進(jìn)軍[2]。

為了保障地下礦床開(kāi)采的安全和穩(wěn)定性,需要對(duì)地下運(yùn)輸巷道、硐室等做相應(yīng)的支護(hù)工作。相較于地表的露天礦開(kāi)采,地下開(kāi)采往往要面對(duì)更為復(fù)雜的地質(zhì)條件,這就增大了巷道支護(hù)工作的難度。尤其對(duì)于破碎礦體,因其工程區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、巖體力學(xué)性質(zhì)和地下水等的影響,巷道的支護(hù)工作變得更加復(fù)雜且困難。所以對(duì)破碎區(qū)圍巖的地壓控制工作已經(jīng)成為制約礦山安全快速穩(wěn)定掘進(jìn)和支護(hù)的瓶頸。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下礦山中破碎區(qū)域的穩(wěn)定性控制提出了多種方法,解決了很多地下礦山破碎區(qū)巷道的支護(hù)難題。但由于井下破碎區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體強(qiáng)度低、巖性多樣、力學(xué)環(huán)境復(fù)雜以及各地下礦山實(shí)際工程的工程要求和條件的差異,各種支護(hù)技術(shù)仍然具有局限性。除此之外,破碎區(qū)掘進(jìn)環(huán)境局部復(fù)雜多變,掘進(jìn)工作面圍巖情況模糊不清等易導(dǎo)致巷道支護(hù)失效,一些巷道陷入反復(fù)支護(hù),前修后塌的局面。因此研究地下礦山破碎區(qū)圍巖的破壞機(jī)理,從機(jī)理出發(fā)選擇不同的支護(hù)方式依然具有重要意義。

梅山鐵礦位于江蘇省南京市西南近郊西善橋地區(qū),距市中心13 km,礦床為陸相火山巖型富礦床[3]。屬于國(guó)內(nèi)淺部黑色金屬地下礦山,隨著開(kāi)采工作的進(jìn)行,各分段開(kāi)采進(jìn)路和聯(lián)絡(luò)道圍巖出現(xiàn)了一系列不同形式的破壞,其井下采用隨掘隨支的支護(hù)形式,支護(hù)工作較為及時(shí),但圍巖依然出現(xiàn)了不同程度的破壞。部分破壞區(qū)已經(jīng)影響了礦床的正常開(kāi)采工作且具有較大的安全隱患。

基于上述情況,本文以梅山鐵礦井下破碎區(qū)為工程背景,針對(duì)破碎區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)技術(shù)選擇展開(kāi)研究。以工程地質(zhì)調(diào)查技術(shù)、巖石力學(xué)和圍巖支護(hù)理論為基礎(chǔ),根據(jù)多種巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法對(duì)破碎區(qū)巖體進(jìn)行巖體分級(jí),確定破碎區(qū)巷道破壞形式和破壞機(jī)理。制定相應(yīng)的支護(hù)方式和優(yōu)化圍巖支護(hù)參數(shù),并采用數(shù)值模擬的方式對(duì)支護(hù)形式進(jìn)行有效校驗(yàn),以此保障支護(hù)的有效性。通過(guò)以上工作,可為梅山鐵礦井下巷道破碎區(qū)支護(hù)提供技術(shù)支持,從而保障礦山開(kāi)采工作安全高效的進(jìn)行。也可為其他類(lèi)似礦山提供穩(wěn)定性分析和支護(hù)工作的指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)調(diào)查

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

梅山鐵礦礦區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育。成礦前的隱伏斷裂以302°～ 336°方向張性斷裂和26°～ 48°方向壓性斷裂交叉部位控制成礦,北西西向壓扭性斷裂為控巖構(gòu)造[4]。成礦后斷裂以裂隙為主,主要北東向及北東東向2 組:北東向裂隙主要發(fā)生在礦體內(nèi)部塊狀富礦中,走向北東45°左右,傾向東南,傾角75°～ 90°,裂隙寬度1～ 4 m 左右,最大可達(dá)8 m,裂隙中方解石結(jié)晶完好粗大,延長(zhǎng)數(shù)百米,甚至上千米,到礦體邊部逐漸收縮,向傾斜延深也呈逐步收縮,斷裂面破碎,充填程度差,連通性較好,對(duì)礦體無(wú)大的破壞。其余成礦后斷裂尚有NEE(>45°)、NNE(<45°)、NW(325°)的16 條陡傾斜斷裂破碎帶,除NW 向?yàn)閴号ば酝?其余均是張性斷裂[5]。梅山鐵礦井巷支護(hù)采用噴射混凝土支護(hù),破碎區(qū)采用噴錨聯(lián)合支護(hù)或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)[6]。

1.2 巷道失穩(wěn)原因分析

(1)巖體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)組成。梅山鐵礦礦體比較厚大,運(yùn)輸巷道和聯(lián)絡(luò)巷多為脈外布置,礦區(qū)內(nèi)巖性較為復(fù)雜,礦體的上盤(pán)巖石為安山巖,以高嶺土化為主。近礦圍巖蝕變以矽卡巖化為主。礦體的下盤(pán)巖石為輝石閃長(zhǎng)玢巖,以綠泥石化、碳酸鹽化為主,部分區(qū)域節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巷道巖體被多組結(jié)構(gòu)面切割,導(dǎo)致其完整性變差,巖體較為破碎,強(qiáng)度降低甚至完全喪失,見(jiàn)圖1。

圖1 軟弱巖體破壞Fig.1 Failure of flabby rock mass

(2)采動(dòng)應(yīng)力。在部分節(jié)理裂隙發(fā)育的區(qū)域,受采動(dòng)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面切割的影響,巖體沿結(jié)構(gòu)面滑移、錯(cuò)位,局部滑落最終導(dǎo)致頂板整體冒落。同時(shí),受風(fēng)化水解作用等的共同影響,巖體強(qiáng)度低于采動(dòng)應(yīng)力值,導(dǎo)致巖體產(chǎn)生斷裂、屈服破壞等,見(jiàn)圖2。

圖2 巷道片幫破壞Fig.2 Tunnel rib fall

(3)軟弱地質(zhì)界面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查顯示,井下垮塌、冒頂區(qū)域大部分都由大裂隙、軟夾層等穿過(guò),由于大裂隙的影響,巖體被切割成2 個(gè)或多個(gè)大型結(jié)構(gòu)體,見(jiàn)圖3,受構(gòu)造應(yīng)力的影響,形成節(jié)理裂隙壓碎帶,使巖體變得更加破碎。

圖3 軟弱地質(zhì)界面Fig.3 Unfavorable geological interface

(4)開(kāi)采擾動(dòng)。采場(chǎng)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)和鑿巖、出礦等機(jī)械作業(yè)也會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。井下頻繁工程作業(yè)產(chǎn)生的震動(dòng)使圍巖產(chǎn)生裂隙,或使原有微小裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展,使完整巖體變得破碎,爆破擾動(dòng)也可能使楔形體克服結(jié)構(gòu)面摩擦力而冒落。

1.3 巖體質(zhì)量分級(jí)及參數(shù)估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查信息,利用現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示,巷道圍巖破壞的位置多集中于礦巖交界處或礦石貧富差距較大的部位。巷道破壞情況主要集中于-330 m 水平和-384 m 水平。故針對(duì)性地對(duì)-330 m 水平的貧礦和富礦及-384 m 水平的富礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣,通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),獲取其巖石基本力學(xué)參數(shù)。采用RMR、Q、GSI 3 種分級(jí)方式對(duì)梅山鐵礦破碎區(qū)調(diào)查結(jié)構(gòu)面巖體進(jìn)行分級(jí),結(jié)果如表1。根據(jù)Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則估算破碎區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)[7],結(jié)果如表2。

表1 不同巖體分級(jí)方法分級(jí)結(jié)果Table 1 Results of different rock mass classification methods

表2 梅山鐵礦破碎區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)估算結(jié)果Table 2 Estimation results of physical and mechanical parameters of rock mass in fracture zone

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 楔形體穩(wěn)定性分析

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和巷道斷面尺寸圖,利用Unwedge對(duì)目前較為主要的生產(chǎn)進(jìn)路-330 m 水平8LS7 和-384 m 水平7LN6W 的巷道進(jìn)行潛在楔形體識(shí)別,結(jié)果如圖4 所示。分析結(jié)果顯示330 m 水平8LS7 的4號(hào)楔形體位于巷道頂板,安全系數(shù)僅為5.102,存在冒落的風(fēng)險(xiǎn),且楔形體尺寸達(dá)到了26.46 m3,塊體規(guī)模較大;-384 m 水平7LN6W 的8 號(hào)楔形體位于巷道頂板,安全系數(shù)為0,意味著該楔形體存在著較大的冒落可能性。

圖4 楔形體分布特征模型Fig.4 Wedge distribution characteristic model

2.2 支護(hù)方式

對(duì)于多種破壞形式的圍巖,宜采用多種支護(hù)方式并行,即聯(lián)合支護(hù)才能有效控制圍巖穩(wěn)定[8],聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)有效性已經(jīng)在理論和實(shí)踐得到驗(yàn)證[9]。基于RMR 分級(jí)結(jié)果支護(hù)類(lèi)型參照表,梅山鐵礦破碎區(qū)巷道支護(hù)方式總體宜采用“樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+長(zhǎng)錨索”聯(lián)合支護(hù)[10],并根據(jù)巷道圍巖具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

梅山鐵礦井下現(xiàn)有支護(hù)錨桿主要采用管縫式錨桿,屬于摩擦式錨桿,管縫式錨桿的錨固性能較有限。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)管縫式錨桿長(zhǎng)時(shí)錨固力為40～60 kN/m。且抗腐蝕能力較差,易受流水空氣等的作用產(chǎn)生銹蝕,銹蝕以后支護(hù)強(qiáng)度大大降低[11]。樹(shù)脂錨桿通過(guò)樹(shù)脂、固化劑等錨固劑的黏結(jié)作用將錨桿錨固于圍巖內(nèi)。相較于管縫錨桿,樹(shù)脂錨桿的錨固性能較強(qiáng),錨固力一般可達(dá)100 kN/m 以上,使用方便,易于操作,抗腐蝕性好,更為安全可靠。且針對(duì)不同的巖體和支護(hù)條件,往往可以選擇不同的錨固劑,支護(hù)實(shí)用性和靈活度較高。

2.3 支護(hù)參數(shù)

梅山鐵礦的破碎區(qū)進(jìn)路巷道采用三心拱斷面,斷面尺寸為6 m×4.1 m(寬×高),拱高為1.2 m,錨桿支護(hù)長(zhǎng)度適當(dāng)取大一點(diǎn),最終頂板錨桿長(zhǎng)度選取為2.3 m,幫錨桿長(zhǎng)度為1.9 m,對(duì)于中等穩(wěn)固至穩(wěn)固的巖體,頂板錨桿直徑宜采用18、20 mm,幫錨桿直徑宜采用16、18、20 mm,根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的可操作實(shí)際情況,頂板錨桿和幫錨桿直徑都選取為20 mm。根據(jù)表1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果和圖5 的描繪結(jié)果,最終頂板錨桿間排距定為0.8 m,幫錨桿為1.0 m,當(dāng)遇到斷層或者破碎帶時(shí)可以根據(jù)圍巖情況做稍微的調(diào)節(jié)。為了增加噴層的抗彎、抗剪強(qiáng)度,提高錨桿間的承載能力,噴射混凝土內(nèi)采用菱形鍍鋅金屬網(wǎng)加固,網(wǎng)度為100 mm×100 mm,尺寸為2 000 mm×3 000 mm,鋼筋直徑6 mm,混凝土厚度100～150 mm。

圖5 基于Q 值的巷道支護(hù)Fig.5 Tunnel support based on Q

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查,梅山鐵礦整體巷道圍巖的破壞形式大部分皆為楔形體冒落,支護(hù)失效的原因也正是由于錨桿長(zhǎng)度和強(qiáng)度不足以將頂板較大塊楔形體錨固。考慮到上述問(wèn)題,故在楔形體冒落可能性較大的巷道應(yīng)采用長(zhǎng)錨索支護(hù)。錨索支護(hù)的作用機(jī)理和錨桿支護(hù)一致,故錨索支護(hù)參數(shù)的選擇可參照上述樹(shù)脂錨桿支護(hù)參數(shù)。其中,間排距采用1 000 mm×1 000 mm。錨索長(zhǎng)度則根據(jù)具體巷道的楔形體的尺寸規(guī)模和頂點(diǎn)高度進(jìn)行選擇。如-330 m 水平8LS7巷道頂板楔形體頂點(diǎn)高度為3.85 m,則為了保證錨固的穩(wěn)定性,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)錨索長(zhǎng)度可采用7 m,錨索的間排距和數(shù)量也可以根據(jù)楔形體的尺寸和規(guī)模而改變,對(duì)于尺寸和質(zhì)量較大的楔形體,為保證錨固力足以克服其自重,則應(yīng)該相應(yīng)縮小間排距。

3 巷道支護(hù)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型及邊界條件

對(duì)于梅山鐵礦破碎區(qū)的巷道建模,因其巷道走向較長(zhǎng),因此可以將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題進(jìn)行研究,本次數(shù)值模擬研究采用數(shù)值模擬軟件Phase2進(jìn)行,巷道斷面尺寸參考梅山鐵礦井下進(jìn)路巷道設(shè)計(jì)參數(shù)。綜合考慮邊界效應(yīng)、計(jì)算精度和速度,并參考相似數(shù)值模擬研究,邊界尺寸選取為55.2 m×53.3 m[12]。

為提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度,采用6 節(jié)點(diǎn)三角形劃分單元,網(wǎng)格類(lèi)型為分級(jí)制,分級(jí)因數(shù)為0.1,巷道周?chē)木W(wǎng)格需要進(jìn)行進(jìn)一步加密劃分,最終模型共劃分21 814 個(gè)節(jié)點(diǎn),10 799 個(gè)三角形單元。

本次數(shù)值模擬的邊界在水平和垂直方向上添加零位移約束條件。巖體假想為各向同性理想彈塑性體,由以上穩(wěn)定性分析和巖石力學(xué)試驗(yàn)可知,梅山鐵礦井下貧礦和富礦的巖體力學(xué)參數(shù)差別較大,故破壞區(qū)多集中出現(xiàn)于礦巖分界處,所以建模巷道位置定于-330 m 水平的8LS7,根據(jù)巷道走向與礦體邊界的相對(duì)關(guān)系,大致將模型的材料分為2 個(gè)部分,分別將材料的物理力學(xué)性質(zhì)定義為貧礦和富礦,用不同顏色區(qū)分,破壞準(zhǔn)則采用Hoek-Brown 準(zhǔn)則。

為驗(yàn)證支護(hù)方案的有效性,需在數(shù)值模擬模型中增加支護(hù)系統(tǒng),為模擬巷道圍巖的真實(shí)支護(hù)情況,模型中采用增加錨桿支護(hù)系統(tǒng)、錨索支護(hù)系統(tǒng)和襯砌系統(tǒng)。選取樹(shù)脂錨桿的錨固力為200 kN[13],選取錨索抗拉力為1 680 kN[14],建立如圖6 所示的巷道支護(hù)模型。

圖6 -330 m 水平8LS7 支護(hù)數(shù)值模型Fig.6 Numerical model of -330 m level 8LS7

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖7 可知,巷道采用“樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+長(zhǎng)錨索”支護(hù)以后,巷道頂板的變形量有了明顯的減小,未支護(hù)前巷道頂板的最大位移為3.44 cm,支護(hù)以后巷道頂板的最大位移則減小為2.24 cm。由圖8 可知,支護(hù)后,巷道頂板塑性區(qū)范圍由9.997 m 減小為6.023 m,左幫塑性區(qū)范圍由2.345 m 減小為1.636 m,右?guī)退苄詤^(qū)范圍由1.009 m 減小為0.983 m。結(jié)果表明所選支護(hù)方式能夠形成有效承載結(jié)構(gòu),防止巷道出現(xiàn)較大的變形破壞。

圖7 圍巖總位移Fig.7 Total displacement of surrounding rock

圖8 圍巖塑性區(qū)Fig.8 Plastic zone of surrounding rock

4 結(jié)論

(1)圍巖破壞形式主要為結(jié)構(gòu)面控制型破壞,破碎區(qū)域主要集中在礦巖分界面等巖體強(qiáng)度較低或節(jié)理裂隙發(fā)育的地段。頂板冒落楔形體規(guī)模較大以及支護(hù)方式、參數(shù)的選擇不合理導(dǎo)致了巷道的破壞。

(2)通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)破碎區(qū)巖體進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)并依據(jù)分級(jí)結(jié)果和Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行估算,圍巖質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ～Ⅱ,圍巖整體中等穩(wěn)固。

(3)利用Unwedge 對(duì)調(diào)查結(jié)構(gòu)面的潛在楔形體進(jìn)行了識(shí)別,并獲取了楔形體的質(zhì)量、體積、滑動(dòng)角度和安全系數(shù)等參數(shù)。

(4)采用“樹(shù)脂錨桿+金屬網(wǎng)+噴射混凝土+長(zhǎng)錨索”聯(lián)合支護(hù)的方式對(duì)破碎區(qū)巷道進(jìn)行支護(hù),針對(duì)尺寸較大的楔形體,可根據(jù)頂點(diǎn)高度選擇長(zhǎng)錨索將其錨固于深層的穩(wěn)固巖體。