南和溝銅礦區深部地壓活動分布特點及防治措施

李云飛

（山西中條山集團胡家峪礦業有限公司）

南和溝礦區開采深度將接近千米，隨著開采深度的增大，地壓將顯著增大，礦山生產將面臨更大的挑戰，阻礙該礦業公司的可持續發展，迫切需要對礦區深部地壓進行監測、預警和防治，從而有效地預防和控制地壓災害，促進礦山安全高效生產，提高礦山經濟效益。

1 區域地質構造

南和溝礦區內地質構造復雜，褶皺構造及次級褶皺構造較發育，斷裂構造僅發育1條。水文地質類型簡單，主要含水層為變質巖類裂隙水含水層。在隔水層中破碎帶裂隙發育，裂隙普遍具有地下水溶蝕痕跡。裂隙發育和構造裂隙成為大氣降水補給通道，賦存裂隙潛水。

礦區工程地質為中等。根據南和溝礦區X中段平硐開采揭露地層，礦層頂板有白云石大理巖、黑云片巖、鈣質云母片巖、矽化大理巖；底板巖性有白云石大理巖、黑色片巖、矽化大理巖。地質構造較發育，對地層破壞程度較大，巖石裂隙較發育。礦區內巖石為中等堅硬巖石。由于區內構造發育，在構造破碎帶巖心完整性差，其余巖石較完整，礦層頂底板穩定性較好。

2 南和溝礦區主要地壓位置與特征

2.1 南和溝礦區主要地壓位置

目前，南和溝礦區最低開拓水平為X中段，開拓深度達到近千米。通過對礦山X中段、Y中段及Z中段巷道地壓現狀的調查，對礦山主要巷道地壓的分布、破壞特征及破壞程度等進行了分析，從礦山井巷地壓分布現狀來看，礦山地壓破壞主要分布位置為穿脈巷道，與斷層及不良巖性密切相關。地壓破壞分布情況如圖1所示。

現場表現為頂板塌腰及塌方，巷道兩幫片幫、開 裂、下滑；鋼拱架橫梁及立腿嚴重變形，如圖2所示。

2.2 南和溝礦區地壓破壞位置及特征

（1）某些地壓顯現位置呈帶狀分布。X中段92穿至96 穿均發現不同程度的地壓破壞，地壓破壞區域呈帶狀分布，并發現破壞區域巖性主要為黑色片巖并伴有斷層泥出現，可以推測此處地壓顯現與斷層破碎帶侵入有關。X中段地壓顯現區域較長，支護困難，而且圍巖比較破碎，可以推測此處地壓顯現亦與破碎帶密切相關。此外，斷層附近極易產生構造應力，構造應力的集中對于巷道維護十分不利。

（2）巷道交叉口位置容易產生地壓破壞。X中段88穿底運入口處，X中段92穿、94穿頂運入口處，101穿底運入口處都有一定程度的塌方，均發生在頂/底盤運輸道與穿脈巷道的交叉處。在交叉口處，由于暴露面積大，其結構穩定性變差，且在交叉口位置容易產生應力集中，如果圍巖的巖性不好，支護不合理，極易產生地壓顯現。

（3）巷道巖爆現場。新掘進的巷道存在巖爆現象，表現為兩幫及頂板發現有破裂面狀小三角。

3 地壓破壞原因及防治措施

3.1 地壓破壞原因

目前，礦區已經開拓到X中段，根據現場出現的各種破壞情況，分析其破壞特征和規律，認為地壓破壞的原因主要有以下幾個方面［1-3］。

（1）斷層破碎帶和軟巖的侵入降低了圍巖的完整性和巖石的強度。斷層破碎帶和軟巖的侵入使圍巖完整性降低，如果不及時支護，容易引起巷道圍巖變形甚至坍塌。

（2）隨著礦區進入深部開采，地應力逐漸增大，地壓顯現更為明顯。南和溝礦區主井井塔底板標高為-20 m，X中段埋深超過700 m，已經步入深井開采階段，地應力逐漸增大，具備巖爆形成的條件。

（3）原有支護方式存在缺陷。南和溝礦區原有支護方式存在缺陷，一部分巷道是裸巖，一部分巷道進行了10 cm 混凝土噴漿，而且現場施工管理欠規范，施工質量難以保證，隨著巷道埋深和地應力的增加，這種支護強度是遠遠不夠的。

（4）斷層褶皺引起的構造應力導致局部地應力分布不均勻。斷層背斜組合使倒三角A產生了卸力作用，使得自重應力降低；而正三角B產生了加力作用，使自重應力升高，從而造成應力集中，地壓顯現。

（5）爆破不良，超挖和欠挖現象產生的應力集中為巖爆和地壓顯現提供了條件?，F場巷道掘進爆破管理不良，易造成超挖和欠挖現象，這種超挖和欠挖極易引起應力集中。

3.2 地壓防治措施

（1）提前鉆探，確定斷層破碎帶位置。掘進巷道時對地質構造不明的區域用鉆機探明構造及巖性，在距斷層和破碎帶5 m 時加密錨桿，采用錨網支護［4-5］。

（2）注漿支護。遇斷層破碎帶時，向頂板巖層注水泥、水玻璃、馬麗散，使遇斷層破碎帶同周圍堅硬巖石膠結成整體，利用周圍堅硬巖石的承載能力，提高穩定性。

（3）破碎圍巖超前支護。 在斷層破碎嚴重的區域，為有效防止冒頂，利用超前梁提前支護。

（4）臨時噴射混凝土支護。在掘進遇到斷層或遇到含泥質大理巖、矽卡巖時，為形成一個臨時支護環境，及時噴射混凝土薄層。

（5）縮小進尺，短掘邊支。過斷層破碎帶時，采用減少每次進尺、邊掘邊支的方法，確保揭露的破碎巖有一定的穩定性。

3.3 地壓防治措施中支護設計的關鍵問題

通過總結分析可知斷層破碎、巷道圍巖變形等造成地壓顯現，故針對斷層破碎帶巷道圍巖變形破壞的特征以及原因分析，考慮支護方案時，需要解決如下關鍵問題。

（1）控頂問題就是要解決由于破壞的巖層變形及離層而產生的應力集中問題。這就需要進行整體的支護，形成作用效果好的組合拱結構。通過減輕巷道兩幫的應力集中進而減小兩幫的位移量，有利于巷道的整體穩定。

（2）卸壓問題即是要解決水平方向上的高應力釋放問題。由于高應力能夠達到10 MPa 以上，而支護提供的支護力只有0.2～0.3 MPa，無法抗衡高應力。通過支護無法恢復原有高應力的三向應力狀態，必須要釋放圍巖中的高應力。所以，在支護時適當地使用柔性支護結構，允許圍巖發生一定程度的變形。

4 斷層破碎帶支護方案及支護效果分析

4.1 支護設計思路

（1）確保巷道的整體穩定性，需要拱結構完整，重點解決兩幫位移。

（2）確保應力釋放，需要支護結構具有適當柔性，使巷道巖石的變形在接受范圍內。

4.2 支護方案確定

南和溝礦區在斷層破碎帶的原支護方式為錨網噴支護［6］，管縫式錨桿長度1.8～1.6 m ，間排距（800～1 500）mm×1 000 mm，噴層厚度50～100 mm。鑒于斷層破碎帶復雜情況，確保巷道完整性，采用如下方案。

方案一：錨網噴支護+澆筑混凝土支護。

施工順序：成形巷道斷面→臨時噴射混凝土50 mm 封閉圍巖→錨桿打眼→安裝錨桿→掛鋼筋網→掘砌基礎→澆筑100 mm 混凝土。具體支護斷面如圖4所示。

方案二：注漿加固聯合錨網噴支護。

施工順序：成形巷道斷面→臨時噴射混凝土30 mm 封閉圍巖→打孔→注漿→錨桿打眼→安裝錨桿→掛鋼筋網→噴射70 mm 混凝土。具體支護斷面如圖5所示。

錨桿布置主要根據巷道周圍的情況而定，錨桿在巷道頂部，兩幫的布置形式以方形和梅花形布置較為普遍。方形的布置形式適用于較穩定的巖體，梅花形的布置形式適用于穩定性較差的巖體［7-8］。

4.3 注漿錨桿的確定

錨桿的類型有很多，實踐表明，在地質條件不良的情況下，全長黏結式錨桿的錨固力要比集中錨固錨桿優越，一方面隨著時間的推移，集中錨固型的錨頭會銹蝕，易滑脫，錨頭附近巖石破壞或受爆破沖擊引起巖體松弛，往往會使錨固力降低；另一方面全長黏結式錨桿可抑制圍巖裂隙張開的能力遠比集中錨固型要強。

此外全長黏結式錨桿可分為水泥砂漿錨桿和樹脂錨桿，優點如下：

（1）水泥砂漿錨桿雖具有成本低廉，施工簡便等優點，但錨桿工程質量無法確保和錨固耐久效果差是水泥砂漿錨桿的主要缺陷。

（2）與水泥砂漿錨桿相比，樹脂錨桿主要有優點［7-8］：①樹脂錨桿能極快地提供支承力，其特性為早期強度高、后發展穩定；②樹脂錨桿施工受環境干擾小、適應性強；③架設墊板，聯結松動區的節理、裂隙、破碎面等圍巖，保證圍巖同裂隙、松動區形成整體，確保了錨固區圍巖的強度。

根據以上分析，方案一、方案二在通過斷層破碎帶時均布置全長樹脂錨桿進行加強支護，錨桿規格為φ20 mm×2 000 mm，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，呈梅花型布置，錨桿及注漿支護如圖6所示。

4.4 支護效果分析

利用FLAC3D模擬，對3 種支護方案的塑性區規律進行分析對比，選塑性區控制效果最優者為巷道加固支護方案。巷道塑性區分布規律如圖7所示。

在埋深較大的巷道中，掘進后造成的圍巖應力需要較長時間塑性變形才能重新分布完成，為了抑制這種變形的發展才是體現支護的作用。由圖7 可以看出，3 種方案的巷道拱頂板均為剪應力狀態，巷道兩幫和底板均為拉剪狀態，但塑性區范圍依次變小，塑性區的發展范圍得到了有效抑制。原支護方案塑性區面積為1.58 m2，方案一塑性區面積為1.24 m2，方案二塑性區面積為0.52 m2，優化方案及原方案減小量分別為0.34 m2及1.06 m2，減小幅度分別為21.5%及67%，可見方案二塑性區控制效果最佳，支護效果明顯。

5 結 論

（1）通過對南和溝地壓破壞區域的實地現場調查，統計分析了地壓破壞區域的具體位置、地壓顯現時間、以及地壓破壞區域特征等，分析得出了南和溝礦區地壓空間分布主要呈帶狀分布的特點。此外，地壓破壞多集中在巷道交叉口位置。

（2）通過分析巷道塑性區、地形區破壞位置等特征，得出了南和溝礦區地壓破壞的五大原因，提出了防治措施，并針對過斷層破碎帶時提出2 個支護方案，運用FLAC3D數值模擬軟件模擬支護效果，確定了最佳支護方案——注漿加固聯合錨網噴支護。