大斷面軟弱圍巖巷道開挖變形機制研究

張 兵 王 檑＊ 楊 懷 包 松

（1.畢節職業技術學院，貴州 畢節 551700；2.重慶大學，重慶 400044）

0 引言

在地下礦山的生產和建設中，巷道占有極為重要的位置，是開發礦床的基本工程，如：階段運輸平巷、石門、鑿巖道、人行通道等。夏鵬飛等[1]基于巷道地質條件和鄰近巷道工程實踐，對10-1002巷道圍巖進行支護原則的分析，確定巷道的支護重點為控制兩幫圍巖變形，通過FLAC3D數值模擬軟件進行支護方案的優選。米文川等[2]分析了巷道底鼓機理，結合礦井實際，探討了錨桿、錨索加固及鉆孔卸壓在底鼓治理中的應用；劉全林等[3]分析了錨注支護對具有流變特性圍巖在維護其穩定性方面的作用；陳士海等[4]針對大興煤礦3208材料巷頂板巖石特征和煤層賦存條件結合現代煤巷支護技術理論，提出了該巷道錨桿錨索掛網支護參數并對其頂板離層巷道收斂變形、錨桿（索）錨固力等日常巷道支護技術進行分析。胡正坤等[5]分析了軟巖支護注漿加固施工特征，并分析了一般注漿加固作業流程，結合工程實例總結注漿加固技術在圍巖支護中的應用。

本文以貴州黔西南貞豐地區爛泥溝金礦巷道變形為研究對象，通過現場采樣實驗和數值模擬的方法分析造成該巷道圍巖大變形的原因，并針對其變形特點提出支護方案。

1 研究背景

爛泥溝金礦[6-8]位于貴州黔西南貞豐地區，見圖1所示。礦區金礦儲量達到110t，遠景儲量在130t以上，成為世界級特大型金礦，儲量占黔西南州成礦片區金礦總量的42%。該礦已探明儲量在全國黃金金礦中位居第一，是亞洲最大的金礦，2007年3月18日煉出第一爐黃金。斷面尺寸為10.0m×7.0m，主體硐室全長60m。

圖1 爛泥溝金礦

2 巷道變形機理分析

2.1 圍巖破壞區間計算

力的傳播路徑如圖2所示，可看出圍巖形成的卵形松動圈會進一步擴大，其失穩機理可用極限自穩平衡拱理論進行分析[9-13]：該硐室的相關已知資料為：斷面高度H為7m、寬度W0為10m、原巖應力P0為17.5MPa、抗拉強度σt為0.55MPa、平均內摩擦角φ為36°。

圖2 應力傳播路徑

2.2 地應力分析

地應力[14-18]是巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力。明確地應力是進行圍巖穩定性分析，實現巖土工程開挖設計和決策科學化的必要前提。對大斷面巷道水平設計3個測量點進行空心包體地應力測量，測試結果見表1和表2所示。

表1 主應力測試結果

表2 應力分量（單位：MPa）

通過主應力測試可知，最大主應力與中間主應力屬于近水平應力，傾角分別為10°和8°，而最小主應力位于近似垂直的平面內為近垂直應力，同鉛垂面之間的夾角小于25°。根據應力分量測試可知，垂直應力對比水平應力偏小，Y向應力為垂直應力的1.43倍，X向應力為垂直應力的1.17倍。以上分析表明，在工程建設過程中應當適當減小跨度采用應力分散措施預防應力向兩幫集中，而實際工況中該硐室井巷工程較為密集，主體斷面跨度達到7m，工程建設打破了原應力平衡，導致地應力發生二次重分配，垂直方向應力σv向巷道兩幫擴展，水平應力σh向頂底板分散，最終造成巷道兩幫和頂底板應力集中并產生混凝土開裂及底鼓現象。

2.3 巖性強度分析

現場調研巷道中未噴漿支護的位置，發現存在圍巖巖體破碎的現象，巖體表現為互層和層理發育，部分層理受應力影響產生變形破壞。為分析巖體變化狀態與圍巖失穩之間的關系，在巷道中選取合適位置鉆取巖心制作四組巖樣，采用高精度微機控制電液伺服單軸壓縮實驗機進行實驗，如圖3所示。

圖3 試驗過程

為減小端部粗糙和不平整等因素對實驗測試結果產生影響，預先在試樣端部和剛性承壓板之間涂抹適量黃油，實驗測試獲取的應力-應變結果見圖4所示，共得到四組峰值壓力分別為159kN、165kN、132kN、292kN，其中第四組在損傷過程中應力應變曲線出現驟然降低，初步判斷是由于巖樣中含有特殊微構造，對實驗結果產生了影響，故舍去此組實驗結論。進一步分析表明，低載荷時，內部孔隙空間逐漸壓密，隨著載荷增大，砂巖內部的晶體礦物由彈性變形逐漸發生不可恢復的塑性破壞，發生應力突然降低的脆性破壞情況，加之圍巖結構受層理、節理等軟弱面影響，荷載-位移曲線在殘余強度后，多次出現跌落現象，進而表現出“巖石脆性破壞-弱面壓密-巖石再次破壞”的周期性力學行為，使得大斷面巷道圍巖巖性極弱，對圍巖整體穩定性有很大影響，巷道圍巖擾動情況下，松動圈增大，變形增大。

圖4 單軸壓縮實驗結果

3 大斷面巷道數值模擬分析

為驗證實驗的準確性，利用FLAC3D模擬大斷面軟弱巖體開挖過程中對巷道穩定性的影響。通過上述工程概況及理論分析，為了簡化計算，模擬時對頂部邊界施加壓力為上覆巖層的重量。根據計算，對底面邊界進行固定，巖體很大程度上屬彈塑性介質，故本構模型選擇摩爾庫倫模型，此次實驗主要觀察大斷面巷道的開挖過程的應力場和位移場的特點。圖5為大斷面軟弱圍巖在開挖情況下，巷道圍巖的位移變形云圖。從圖5（a）可以看出在巷道開始掘進時，兩幫及頂板兩角的位移量最大，隨著掘進過程的進行，頂角的位移量迅速增大，逐漸造成淺層頂板貫通型失穩，但是兩幫的位移量并未有明顯的增加趨勢。如圖5（b）～（h）所示，隨著開挖步數的增加，頂板失穩愈加強烈，逐漸由淺層貫通型失穩迅速拓展到深部圍巖，兩幫的變形量也呈線性增加，因此大斷面軟弱圍巖在開挖采動等生產活動作用下，應該特別注意頂板及兩幫的失穩情況。

圖5 位移云圖

圖6為大斷面軟弱圍巖在開挖情況下，巷道圍巖的主應力變化云圖。可以發現在巷道開始掘進時，巷道圍巖周圍應力呈卵形分布，應力主要集中在巷道的兩幫、頂板、底板，而在底角無明顯的應力集中情況。隨著開挖進行過程中，應力逐漸聚集，從開始無明顯應力集中情況發展到應力在頂板及底板大量聚集，底角隨著底板的應力增大而增大，隨著開挖的進行，頂板應力迅速集中，并且向深部圍巖拓展，在頂板上方形成大面積的應力集中區，對比發現，圍巖的兩幫應力緩慢增加與兩幫位移量相符，底板在開挖后期的應力變化量并不明顯，因此在大斷面工程中要注意頂板及兩幫的維護。

圖6 主應力云圖

4 結束語

本文以貴州黔西南貞豐地區爛泥溝金礦巷道變形為研究對象，結合現場勘測資料和數值模擬軟件，分析了該大斷面巷道失穩機制和變形原理：根據現場勘察分析，該硐室圍巖巖性十分軟弱，易在開采擾動下，圍巖的變形量隨塑性區增大而增大；通過理論計算，可知該巷道的潛在變形區極大，特別是頂板的塑性區易持續拓展到深部巖體。該大斷面巷道的水平應力較大，易在兩幫和頂、底板上形成應力集中區域，與數值模擬軟件反應的情況相符，在大斷面巷道施工過程中，需要十分注意頂板及兩幫的維護，必要時可以對頂板進行卸壓措施。