采動影響下多構造拉底巷道穩定性控制技術研究

王少勇　曾慶田　武鵬杰　李爭榮　孫偉　朱霆

摘要：拉底巷道在服務期內的穩定控制是自然崩落采礦法金屬礦山生產管理中的重要部分。當拉底巷道布置在斷層破碎帶區域，復雜的構造條件會加劇采動應力對巷道圍巖的破壞。為了明晰高應力復雜構造條件下拉底巷道圍巖發生破壞的本質原因，通過構建采動影響下斷層活化滑移力學判據，并模擬不同采動作業條件下拉底巷道弱層圍巖的應力轉移情況，發現復雜構造條件下拉底巷道破壞原因可歸納為“斷層活化—弱層失穩”復合型破壞機制。并針對性地提出了大面積連續拉底應力遷移調控技術和以“高強度機械化濕噴混凝土”為核心的差異化補強精準支護技術，穩定性控制技術推廣以來，拉底巷道圍巖失穩現象明顯減少，圍巖年變形率降低了50 %，巷道返修率由20 %降低至5 %，為類似金屬礦山開展復雜構造條件下巷道圍巖精準控制提供了工程借鑒。

關鍵詞：拉底巷道；斷層破碎帶；斷層活化滑移；應力遷移；差異化支護

中圖分類號：TD32文章編號：1001-1277（2023）09-0013-08

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230903

引 言

普朗銅礦位于云南省迪慶藏族自治州境內，礦區標高3 500～4 300 m，是目前已發現的亞洲最大的斑巖型銅礦之一。其采用自然崩落采礦法開采，年生產能力1 250萬t，已經成為中國地下開采規模最大的金屬礦山之一。拉底巷道是自然崩落采礦法金屬礦山礦塊連續崩落及底部結構穩定至關重要的部分，在其設計壽命內必須保障安全和暢通［1］。在礦山巷道布置中，部分拉底巷道不可避免地要布置在斷層破碎帶區域。受采動應力高、斷層構造復雜及礦巖破碎的影響，普朗銅礦拉底巷道圍巖失穩現象頻發，自然崩落采礦法拉底難度大，是國內外罕見的高應力、多構造、特大型難采金屬礦床。

斷層破碎帶的物理性質、斷層填充物的物化特性都直接影響斷層的活化發展規律，最終影響拉底巷道的穩定性［2］。此外，斷層泥易吸水膨脹使巖體失穩，斷層帶巖體強度降低，最終導致冒落。楊括宇等［3］發現斷層破碎帶巷道穩定性主要受礦體開采與斷層活化共同控制，礦體開采引發上盤圍巖發生傾倒滑移破壞，并提出巷道過斷層時盡量選擇垂直斷層的布置方式，且在斷層區域要加強支護。馮興隆等［4］和李爭榮等［5］分別對過斷層區拉底巷道的支護工藝和爆破參數開展研究，發現斷層的存在導致中深孔拉底爆破振動效應影響范圍變廣、持續時間變長，對拉底巷道圍巖及支護結構的破壞加劇。郝長勝等［6］分析多斷層構造應力下回采巷道變形破壞特征并提出聯合支護方案，有效地控制了圍巖變形。但是，自然崩落采礦法開采中拉底巷道受到持續的采動影響，面臨高應力、多構造、破碎圍巖的惡劣條件，其破壞機制復雜。

本文通過構建采動影響下斷層活化滑移力學判據，并模擬不同采動作業條件下拉底巷道弱層圍巖的應力轉移規律，明晰斷層區巷道圍巖的破壞機制；針對首采區采動二次應力集中顯現和斷層帶圍巖破碎易失穩的現狀，提出了大面積連續拉底應力遷移調控技術和圍巖差異化精準支護技術，最終實現了采動影響下多構造拉底巷道的穩定性控制，達到了安全采礦的目的。

1 開采技術條件

1.1 高應力

普朗銅礦首采區地應力以水平構造應力為主導，最大主應力值為11.60～17.69 MPa。崩落過程中拉底區域應力集中高達30 MPa，采動二次應力集中且崩落過程中最大采動應力是初始構造應力的2倍以上，高采動應力不僅導致圍巖弱層失穩，同時也誘使斷層活化滑移。

1.2 多構造

普朗銅礦存在5條規模較大的斷層，將首采區分割為13塊。斷層附近的巖體非常破碎，特別是斷層交會區，巖體愈發破碎且無自承能力。斷層分布見圖1，主要斷層特性見表1。

1.3 礦巖破碎

實驗室進行力學試驗所使用的礦巖樣品，通常是完整性較好的巖石，不含或極少含軟弱結構面，所得巖石力學參數不能完全代表巖體的力學特性。為此，基于Hoek-Brown準則得到斷層區工程巖體力學參數，見表2。普朗銅礦斷層區巖體強度較低、易破碎、抵抗變形能力較差，在采動影響下巷道圍巖自承能力較弱，易發生拉剪變形破壞。

2 采動影響下多構造拉底巷道破壞機制

2.1 斷層活化滑移機理分析

2.1.1 斷層自鎖與活化判別準則

將普朗銅礦首采區斷層破碎帶及上下盤圍巖視為一個系統，斷層活化實際上是斷層在采動影響下，上下盤圍巖沿斷層面的相對滑移問題。因此，本文將圍巖對斷層上盤和下盤的作用等效為滑槽約束［7］，見圖2。國內外學者已經對斷層活化滑移力學模型開展了大量研究，基于已有斷層滑槽約束力學模型和直線型莫爾-庫侖準則，通過斷層應力比（側向應力與垂直應力的比值）來判別斷層穩定性［8］。

當斷層面上所受摩擦力小于最大靜摩擦力時，斷層處于穩定的平衡狀態，即自鎖狀態；當斷層面上所受摩擦力大于最大靜摩擦力時，斷層處于相對滑移狀態，即活化狀態；當斷層面上所受的摩擦力等于最大靜摩擦力時，斷層處于極限平衡狀態，但是極限平衡狀態極易被打破，故將系統處于極限平衡狀態認定為斷層活化的起點。不同極限平衡狀態下的斷層應力比見式（1）和式（2）。

式中：λ1為第一極限平衡狀態對應的斷層應力比，斷層上盤沿斷層面傾向有向下滑移的趨勢，而下盤沿斷層面傾向有向上滑移的趨勢，此時為斷層系統的第一極限平衡狀態；λ2為第二極限平衡狀態對應的斷層應力比，斷層上盤沿斷層面傾向有向上滑移的趨勢，而下盤沿斷層面傾向有向下滑移的趨勢，此時為斷層系統的第二極限平衡狀態；C為斷層內聚力（MPa）；σ為斷層在采動影響下垂直于單位厚度巖層軸向的應力（MPa）；φ為斷層內摩擦角（°）；pi為裂隙流體壓力（MPa）。

由此可得：斷層在采動應力影響下，當系統的應力比λ∈（λ1，λ2）時，系統處于穩定的平衡狀態。從而，斷層自鎖的條件為：

當系統處于活化狀態時，活化條件為：

2.1.2 斷層參數對巷道穩定性的影響

1）斷層傾角。斷層剪切錯動方位角（α1）是系統處于極限平衡狀態時斷層帶發生剪切錯動的方位角，其僅與斷層面內摩擦角有關，換算關系見式（5），二者是斷層的固有屬性。

斷層活化啟動后，斷層帶的剪切錯動行為導致系統的上盤和下盤沿斷層傾向發生相互錯動。當斷層傾角與斷層剪切錯動方位角相等時，上盤和下盤相互錯動的方向與斷層帶剪切錯動方向是平行的，此時斷層滑移的可能性最大。

首采區斷層傾角與斷層剪切錯動方位角關系見表3。由表3可知：F2斷層傾角最接近斷層剪切錯動方位角，斷層活化傾向性較大；F1、F5斷層也存在較大活化傾向性。普朗銅礦5條大斷層傾角均比較接近斷層剪切錯動方位角，在受到中深孔拉底爆破、聚礦槽爆破等采動應力時，斷層易活化滑移，在斷層和拉底巷道交會區產生應力集中，導致巷道圍巖破壞。

2）內聚力。將式（1）和式（2）分別對內聚力一階求導可得：

內聚力和垂直應力均為正值，而內摩擦角φ＜2/π，則有λ1C<0，而λ2C>0。隨著斷層面內聚力的增加，λ1減小而λ2變大，斷層自鎖條件范圍更廣泛。因此，內聚力越大，斷層越穩定。而普朗銅礦斷層內聚力為3.8 MPa，爆破前后結構面的內聚力可降低40 %～60 %，爆破后斷層內聚力為1.52～2.28 MPa。斷層內聚力較小，穩定性較差，在采動影響下，斷層易活化滑移。

3）裂隙流體壓力。將式（1）和式（2）分別對裂隙流體壓力一階求導得：

顯然有λ1pi＞0而λ2pi＜0，根據函數增減判別準則，隨著裂隙流體壓力的增加，λ1變大而λ2減小。此時，斷層自鎖的條件范圍變小，因此，斷層裂隙流體壓力越大，斷層越易活化。普朗銅礦斷層寬0.2～2 m，斷層裂隙主要為碳酸鹽物質、圍巖碎塊（屑）及斷層泥充填。同時地下含水帶分布較廣、降雨頻繁，地表塌陷坑囤積雨水順著裂隙進入斷層，斷層泥易吸水膨脹泥化。斷層裂隙流體壓力較大，斷層易活化滑移。

4）地應力。將式（1）和式（2）分別對垂直應力一階求導得：

采動作用必然導致斷層附加剪應力增加或正應力減小，這將有可能引起斷層沖擊地壓的發生。在采動影響下，斷層受到的垂直應力越大而水平應力越小，斷層穩定性越差。

5）斷層內摩擦角。將式（1）和式（2）分別對斷層內摩擦角一階求導得：

斷層內摩擦角越大，斷層越穩定。而普朗銅礦斷層內摩擦角為33.4°，爆破前后結構面的內摩擦角可降低10 %～15 %，爆破后斷層巖體內摩擦角為28.4°～30.1°。斷層內摩擦角較小，斷層內穩定性較差，在采動影響下，斷層易活化滑移。

2.2 圍巖弱層失穩破壞行為

自然崩落采礦法開采步驟包括：①出礦穿脈、拉底巷道掘進；②出礦進路掘進；③中深孔拉底爆破；④聚礦槽爆破。本文利用Flac3D軟件對前進式拉底中的4個核心工藝進行模擬，分析開采過程圍巖弱層的應力變化。

1）出礦及拉底巷道掘進。隨著出礦穿脈及拉底巷道的施工，首采區初始應力場被打破，最大主應力、最小主應力見圖3。

由圖3可知：隨著拉底巷道及出礦穿脈的施工，模型中拉底層、出礦層穿脈及斷層處應力集中，表現為拉應力。在斷層與拉底巷道及出礦巷道交會位置處顯現出最大的拉應力，為1.9 MPa。

2）出礦進路掘進。出礦進路施工完成后，模型中拉底層、出礦層穿脈及斷層處應力集中，拉應力進一步增大。可以發現，在F3斷層與拉底巷道及出礦巷道交會位置處拉應力由1.9 MPa增加到4.2 MPa，說明斷層與巷道交會處，在采動應力的持續影響下，斷層阻隔效應增大，應力在交會處不斷累積最終導致斷層活化滑移，巷道弱面失穩產生拉伸破壞。

3）中深孔拉底爆破。中深孔拉底爆破階段主應力分布見圖4。

由圖4可知：拉底爆破后，拉底巷道圍巖最大主應力、最小主應力發生明顯變化，應力值顯著增大，模型最大壓應力約為63.2 MPa，最大拉應力約為8.0 MPa。拉應力集中分布在拉底巷道兩幫拱腳處，由于斷層影響，拉底巷道兩側拱角處拉應力并不一致，近斷層側拉應力明顯更集中，破壞更為嚴重。

4）聚礦槽爆破。聚礦槽爆破作業后，最大主應力、最小主應力發生明顯變化，模型最大壓應力為64.4 MPa，最大拉應力為9.0 MPa。

2.3 拉底巷道復合型破壞機制

基于理論推導和數值模擬研究，將普朗銅礦采動影響下多構造拉底巷道破壞機制歸納為“斷層活化—弱層失穩”復合型破壞機制（見圖5）。

由圖5可知：采動作業導致拉底巷道圍巖應力平衡被打破并重新分布，斷層破碎帶附近首先出現輕微的剪切破壞，誘發斷層發生活化滑移；同時隨著斷層剪切滑移不斷加劇，應力在斷層和巷道交會區不斷積累并逐漸遷移到兩幫圍巖；拉底巷道兩幫尤其拱腳處拉壓力驟然增大，巷道圍巖出現拉伸和剪切塑性區，導致弱層圍巖和支護結構容易發生拉伸破壞。

3 拉底巷道穩定性控制技術

3.1 大面積連續拉底應力遷移調控技術

3.1.1 大面積連續拉底應力演化機制

針對普朗銅礦大面積拉底面臨的應力集中問題，為了揭示拉底過程應力演化機制，本文采用Flac3D軟件模擬研究不同拉底方式、拉底推進線距離、地應力等因素對拉底應力遷移的影響規律。計算模型見圖6，模型共計130 452個單元和135 808個節點。

1）拉底方式。拉底方式分為前進式和后退式2種：前進式，拉底先于聚礦槽施工，即進行拉底作業后再完成聚礦槽的作業；后退式，聚礦槽先于拉底，即先進行聚礦槽作業再進行拉底作業。通過模擬結果，比較前進式和后退式2種拉底方式應力遷移規律，結果見表4。

由表4可知：二者在進行各自的第一步作業時，前進式拉底最大主應力明顯低于后退式拉底，前進式拉底更有利于巷道的穩定。當二者全部完成拉底作業和聚礦槽開挖后，最大主應力值和應力集中區域相差不多；但是當拉底推進線距離增大到30 m時，前進式拉底方式桃形礦柱上的拉應力值及拉應力區域面積明顯低于后退式拉底，應力值相差約1倍，區域面積相差3倍以上。綜合分析，認為采用前進式拉底方式比較合理。

2）拉底推進線距離。前進式拉底拉應力分布見圖7。由圖7可知：進行拉底作業后，拉底區域頂、底4個角的位置出現明顯的應力集中現象。當拉底推進線距離小于20 m時，應力得不到充分釋放，底部結構整體處于一個較高的應力區，這時如果開挖聚礦槽，不利于底部結構的穩定。當推進線距離大于30 m時，拉底底部在距離推進線一定范圍外應力得到釋放，此時進行聚礦槽的施工是相對有利的。因此，聚礦槽開挖應該滯后于拉底推進線距離30 m左右。

3）地應力條件。不同水平構造應力時拉底區域最小主應力綜合分析見圖8。由圖8可知：應力釋放區域及頂板拉應力區域，隨著水平構造應力的增大而減小。僅考慮自重應力時，有利于礦石的崩落。拉底空間形成后，拉底頂板將會出現拉應力，拉底底部則出現應力釋放區域。隨著水平構造應力的增大，拉底頂板拉應力區域逐漸減小，拉底底部應力釋放區域也逐漸減小，有利于底部結構的穩定。

3.1.2 多環節協同控制拉底速率模型

自然崩落采礦法的拉底、崩落、出礦是相互協同、相互影響的，合理的拉底最終是保障礦石品位與礦石量的穩定供給。本文以凈現值最大為目標，在考慮礦量目標、品位目標的基礎上，以拉底速度、穿脈生產能力、出礦生產能力、崩落速度、設備能力為約束，構建了如式（14）所示的基于崩落-放礦-品位控制的拉底速率協同控制模型，實現各工藝環節的協同。

3.1.3 連續拉底應力遷移調控方法

為實現拉底巷道穩定性控制，有效控制動態應力對拉底、崩落效率及井下巷道的破壞，合理利用動態應力實現初始崩落和持續崩落，從拉底順序及方向、拉底推進線距離、拉底速度等方面進行拉底過程中應力的動態調控。

1）拉底順序與方向調控。采用雙側鯡魚形連續推進（見圖9），首采礦塊位于礦體中部礦石品位較高、礦巖破碎的區域，以雙側鯡魚形向著最大主應力方向從開采區域中間朝東西兩側邊界后退式推進，提高崩落效率。

2）拉底推進線距離調控。拉底應力調控關鍵參數見圖10。為了確保出礦穿脈、聚礦槽等工程的施工始終是在拉底以后的應力釋放區進行，減少采動應力的破壞和誘因作用，確保聚礦槽掘進應滯后拉底推進線至少30 m，生產作業面應滯后拉底推進線40～50 m，在確保底部結構穩定的同時實現了大面積的連續崩落。

3）拉底速度調控。適當降低開采前期的拉底速度，縮小拉底面積；后期增加拉底速度，避免底部結構上堆積體過大而導致底部結構破壞。

4）拉底巷道布置。將拉底巷道布置為東西向，與最大主應力方向平行布置，減小地應力對拉底巷道的破壞。

3.2 圍巖差異化補強精準支護技術

3.2.1 高強度濕噴混凝土+樹脂錨桿補強支護技術

針對普朗銅礦高應力、斷層活化及礦巖破碎的特點，提出了高強度濕噴混凝土+樹脂錨桿補強支護技術［9］。為了實現以高強度機械化濕噴混凝土為核心的補強支護技術，引進SPM4210濕噴臺車。相比于傳統干噴混凝土工藝，機械濕噴混凝土力學性能優越，28 d強度提升50 %，噴射混凝土回彈率低，實現文明生產，支護作業效率提升（見表5）。

為了避免補強支護利用鐵質支護材料導致出礦口堵塞，運礦皮帶破損等問題，研發了玻璃鋼樹脂錨桿一體化支護技術。樹脂錨桿與砂漿錨桿主要技術指標對比見表6。由表6可知，相較于原有水泥砂漿錨桿，樹脂錨桿強度大、錨固力提升61.4 %，且樹脂錨桿安裝簡單方便，極大地提高了支護效率。

3.2.2 分區分級差異化精準支護技術

1）斷層破碎帶巖體質量分區。在傳統巖體質量分級的基礎上，將巖體質量評價與多構造斷層分布相結合，將普朗銅礦拉底層巖體質量分成3個區（見圖11），不同分級區域的巖體質量等級和斷層分布情況見表7。

2）拉底巷道差異化支護技術。根據拉底層巖體質量分區情況，以機械化濕噴混凝土+樹脂錨桿補強支護方式為核心設計差異化精準支護方案，不同分級支護方案的支護形式及參數見表7，巷道斷面支護見圖12～14。

3.2.3 圍巖補強差異化精準支護效果

差異化補強支護技術巷道收斂情況見圖15。通過在首采區推廣差異化補強精準支護技術，拉底巷道收斂變形速率明顯降低，支護初期頂板收斂變形由83 mm/月降低為42 mm/月，相比原支護方法變形量降低了50 %。同時由于巷道圍巖變形顯著降低，巷道返修率由20 %降低至5 %；由于以往巷道垮冒而無法拉底回采的礦石得到回收，采礦損失率從原來的6.74 %下降至4.65 %，降低了2.09百分點。

4 結 論

1）揭示了高應力復雜構造條件下拉底巷道“斷層活化—弱層失穩”復合型破壞機制：隨著拉底爆破、聚礦槽爆破等采動作業，采動二次應力集中顯現觸發斷層發生活化滑移，釋放大量的能量，而斷層的活化加劇斷層周邊巷道弱層失穩破壞，導致自身破碎且強度低的斷層區圍巖在采動應力和斷層活化的共同作用下失穩破壞。

2）開發了大面積連續拉底應力遷移調控技術：采用以雙側鯡魚形向最大主應力方向從首采區中間朝東西兩側邊界后退式拉底方向；聚礦槽開挖應滯后拉底推進線至少30 m；拉底巷道與最大主應力方向平行布置，減小采動應力及構造應力對拉底巷道的破壞。

3）研發了以高強度機械化濕噴混凝土+樹脂錨桿的差異化補強精準支護技術，已在拉底層多條巷道試驗和推廣，相比原支護方法巷道年變形率降低了50 %，巷道返修率由20 %降低至5 %。

［參 考 文 獻］

［1］劉華武，馮興隆，吳明，等.普朗銅礦底部結構應力變化模擬分析研究［J］.礦業研究與開發，2016，36（5）：28-31.

［2］姜耀東，王濤，趙毅鑫，等.采動影響下斷層活化規律的數值模擬研究［J］.中國礦業大學學報，2013，42（1）：1-5.

［3］楊括宇，陳從新，夏開宗，等.崩落法開采金屬礦巷道圍巖破壞機制的斷層效應［J］.巖土力學，2020，41（增刊1）：279-289.

［4］馮興隆，苗元豐，李爭榮，等.拉底過斷層區噴錨支護巷道穩定性研究［J］.采礦技術，2021，21（1）：58-62，69.

［5］李爭榮，武鵬杰，劉明武，等.拉底過斷層巷道中深孔爆破振動監測與分析［J］.采礦技術，2021，21（3）：138-141.

［6］郝長勝，徐仁，尹旭，等.多斷層構造應力下回采巷道圍巖破壞特征及控制技術研究［J］.煤炭技術，2019，38（7）：18-21.

［7］林遠東，涂敏，付寶杰，等.采動影響下斷層穩定性的力學機理及其控制研究［J］.煤炭科學技術，2019，47（9）：158-165.

［8］林遠東，涂敏，付寶杰，等.斷層自鎖與活化的力學機理及穩定性控制［J］.采礦與安全工程學報，2019，36（5）：898-905.

［9］馮興隆，沙文忠，者亞雷，等.高寒環境下濕噴混凝土性能影響因素試驗研究［J］.化工礦物與加工，2022，51（10）：15-19，24.

Research on the stability control technology of multi-structure undercutting roadway under mining disturbances

Wang Shaoyong1，Zeng Qingtian2，Wu Pengjie1，Li Zhengrong2，Sun Wei3，Zhu Ting4

（1.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing;

2.Yunnan Diqing Nonferrous Metals Industry Co.，Ltd.;

3.Faculty of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology;

4.JCHX Mining Management Co.，Ltd.）

Abstract：The stable control of the undercutting roadway during the service period is an important part of the production management of natural caving metal mines.When the undercutting roadway is arranged in the fault fracture zone，the complex structural conditions will intensify the damage of mining stress to the surrounding rock of the roadway.To clarify the essential reason for the failure of the surrounding rock of the undercutting roadway under the condition of high stress and complex structure，this paper constructs the fault activated slip mechanics criterion under mining disturbances and simulates the stress transfer of the weak layer surrounding rock of the undercutting roadway under different mining operating conditions.It is found that the failure caused by the bottom roadway under complex structural conditions can be summarized as a composite failure mechanism of "fault activation—weak layer instability".The paper correspondingly proposes a large-area continuous undercutting stress migration control technology and a differentiated reinforcement precision support technology centered on "high-strength mechanized wet shotcrete".Since the promotion of stability control technology，the surrounding rock of the undercutting roadway has become unstable phenomenon has been significantly reduced，the annual deformation rate of surrounding rock has been reduced by 50 %，and the roadway repair rate has been lowered from 20 % to 5 %，which provides engineering reference for the precise control of roadway surrounding rock under complex structural conditions in similar metal mines.

Keywords：undercutting roadway;fault fracture zone;fault activated slip;stress migration;differentiated support

收稿日期：2023-05-30; 修回日期：2023-06-20

基金項目：國家自然科學基金重點項目（52130404）;中國博士后科學基金資助項目（2021M691359）

作者簡介：王少勇（1983—），男，高級工程師，博士，從事膏體充填理論與技術研究方面的工作；E-mail：wshy0226@163.com