錢振宇 任奮華 苗勝軍 李 楷 冀 東

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院)

隨著我國經(jīng)濟近些年來的迅猛發(fā)展，發(fā)展與建設(shè)現(xiàn)代化社會極大地增加了對于礦產(chǎn)資源的需求，促使我國的許多金屬礦山開始進入深部開采階段，開采深度逐漸接近或者超過1 000 m［1］。而隨著深度的增加，由于地下深部巖體中存在的高地應(yīng)力及其他復(fù)雜力學(xué)環(huán)境而面臨越來越多的地下工程災(zāi)害，嚴(yán)重地制約礦山深部開采發(fā)展的安全。

深部巷道的穩(wěn)定性與圍巖巖體的狀態(tài)密切相關(guān)，地下巖體的開挖過程，實際是巖體中應(yīng)力場重新分布的過程。這是因為隨著巖體的開挖，邊界條件的改變，天然應(yīng)力狀態(tài)下巖體的平衡狀態(tài)被打破，巖體表面應(yīng)力釋放，從而使應(yīng)力場發(fā)生變化［2］。圍巖應(yīng)力重分布后的結(jié)果表現(xiàn)為圍巖強度發(fā)生明顯下降，巷道圍巖的徑向應(yīng)力減小，環(huán)向應(yīng)力集中。當(dāng)圍巖受到的應(yīng)力超過自身強度極限時，圍巖開始發(fā)生破壞，巖體內(nèi)部產(chǎn)生微小裂隙，并且向圍巖深部發(fā)展，當(dāng)發(fā)展到一定深度，巖體受到的應(yīng)力小于或等于巖石強度時，巖體停止破壞，此時的圍巖就形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。在這一破壞過程中形成的圍巖破裂區(qū)域，就是圍巖松動圈［3-5］。

在松動圈支護理論中，通常認為支護的作用就是通過限制圍巖松動圈的碎脹力來控制圍巖的變形破壞［6］。因此，為了設(shè)計出最為經(jīng)濟有效的巷道支護方式，確定安全的支護參數(shù)，可以選擇對巷道圍巖松動圈的范圍進行測量進而得出優(yōu)化的支護方案，這對于確定合理的工作面超前支護范圍具有重要意義［7］。

本研究以三山島金礦深部巷道為工程背景，首先采用聲波法對斷層附近圍巖的松動圈進行現(xiàn)場測量，然后使用數(shù)值模擬的方式分析巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，并且將模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)進行對比驗證，最終參考圍巖松動圈支護理論，提出優(yōu)化的巷道支護方式及參數(shù)設(shè)計。

1 工程概況

三山島金礦區(qū)位于山東省萊州市三山島特別工業(yè)區(qū)。礦區(qū)西瀕渤海，地形低平，平均海拔2～3 m。巖性為黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖。

目前三山島金礦直屬礦區(qū)已經(jīng)進入深部開采階段，開拓深度已達到－780 m，自－600 m水平的盲豎井開拓深度已達－1 180 m，未來的開采深度將超過1 000 m。隨著三山島金礦開采深度的增加，地應(yīng)力增大，地質(zhì)條件惡化，開采工作面作業(yè)環(huán)境逐漸惡化，巷道圍巖變形、塌方、冒頂、片幫等事故隱患日漸增多。因此，有必要對三山島深部高地應(yīng)力巷道圍巖的松動圈進行測量研究。

礦區(qū)主要控礦斷裂構(gòu)造有4條，即F1、F2、F3和F4。其中F3斷層為北西向的三元—成家斷裂的西北端，其規(guī)模和發(fā)育深度都較大，在礦區(qū)內(nèi)長度為1 500 m，北西方向延伸進入萊州灣，南東方向延長到礦區(qū)之外。斷層貫穿整個礦區(qū)，延深大于600 m。寬帶隨深度增加而增大，跨越三山島整個礦區(qū)，由于此斷層為后期形成，破碎帶未膠結(jié)，使其表現(xiàn)為數(shù)條煌斑巖脈及破碎帶。F3斷層的活動不僅局部破壞了三山島—倉上斷裂的隔水層，而且也溝通了采區(qū)內(nèi)斷裂與斷裂之間的水力聯(lián)系，造成巷道內(nèi)大量涌水，在－600 m采場巷道內(nèi)F3斷層附近，現(xiàn)場條件十分惡劣，極大地增加了測量工作量。

2 聲波法測量圍巖松動圈

測量圍巖松動圈的方法包括雷達法，鉆孔影像法等，而聲波法是其中最主要的方法之一。聲波法的主要優(yōu)點是測量技術(shù)成熟可靠，原理簡單，測量成本低廉且測量儀器可重復(fù)使用。

本研究中使用的聲波法測量儀器是由武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM－SY6型聲波檢測儀以及與之配套的一發(fā)一收跨孔換能器。這套儀器采用了全自動深度計數(shù)器，可有效避免手動提升誤差，大幅度提高檢測速度。

巖體的物理力學(xué)性質(zhì)差異使得聲波在不同狀態(tài)下的巖體中傳播速度大相徑庭。波速具有隨截止裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應(yīng)力增大、密度增大而增加的特點。因此，可以通過測量超聲波在巷道圍巖內(nèi)部不同深度下的傳播速度，觀察波速的變化情況，來判斷圍巖松動圈的范圍［8］。在巖體中聲波縱波波速Vp可表示為

式中，Ed為巖體的動彈性模量，μd為動泊松比，ρ為密度。

當(dāng)巖體中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，其動彈性模量Ed、動泊松比μd及密度ρ值也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聲波在不同的應(yīng)力區(qū)縱波波速的改變。波速在巖體內(nèi)的變化主要體現(xiàn)在3個不同的區(qū)域內(nèi)，與巖體深部的原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)的波速相比，在高應(yīng)力作用區(qū)域內(nèi)時，波速相對較快;而在應(yīng)力較低的區(qū)域內(nèi)時，波速相對較慢［9］。

根據(jù)這個原理，對巖石進行聲波測試，縱波速度可表示為

式中，D為兩探頭之間的距離，t為縱波的傳播時間。

可以根據(jù)式(2)中的縱波速度Vp或者縱波傳播時間t與鉆孔深度L繪制出關(guān)系曲線，直觀地判斷出巖石內(nèi)部不同深度區(qū)域處的應(yīng)力變化情況，確定松動圈的范圍，從而為后續(xù)的巖石穩(wěn)定性評價和圍巖支護設(shè)計提供理論依據(jù)［3，7］。

3 圍巖松動圈現(xiàn)場測量與分析

3.1 測量方案

本次現(xiàn)場測量選擇在－600 m采場巷道的北巷，在F3斷層的南北方向各選擇了1個巷道斷面作為松動圈的測量斷面。由于F3斷層附近涌水嚴(yán)重，加之通風(fēng)系統(tǒng)尚未完全完工，使得現(xiàn)場的測量工作條件十分惡劣。

測點布置是在巷道斷面的兩幫腰線處分別設(shè)置測量鉆孔，使用?42 mm鉆頭在每個測量點各打出2個平行鉆孔，間距30 cm以上，深度3 m，并保持一定的向下傾角方便充水與聲波換能器進行耦合，如圖1所示。設(shè)置F3斷層南側(cè)為1號和2號測點，北側(cè)為3號和4號測點。

3.2 測量結(jié)果分析

將測量結(jié)果導(dǎo)出并整理后，各測點的聲時－鉆孔深度關(guān)系曲線如圖2所示，根據(jù)曲線的拐點位置，就可以確定各測點圍巖的松動圈范圍。

從測試結(jié)果看出，聲時－鉆孔深度曲線出現(xiàn)較大波動可能是由于探頭與水的耦合效果不佳導(dǎo)致，但是并沒有影響到松動圈范圍附近的測量。由1號和2號測點的曲線圖可以看出，F(xiàn)3斷層南側(cè)附近圍巖的松動圈范圍大約為1.1 m;由3號和4號測點的曲線圖得到北側(cè)附近圍巖松動圈約為0.9 m。

圖1 現(xiàn)場測量鉆孔布置

圖2 聲時－深度關(guān)系曲線

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

為了模擬三山島金礦－600 m采場巷道北巷，建立模型的尺寸為40 m×40 m×40 m，假設(shè)x軸為起始邊，巷道中心軸線為y軸，鉛垂方向為z軸方向。模型中間巷道為北巷巷道，尺寸采用現(xiàn)場測量的結(jié)果，寬3.8 m，高4 m。為保證模擬效果，加密了巷道周邊淺層區(qū)域圍巖的網(wǎng)格，如圖3所示。模型共生成43 600個單元和45 961個節(jié)點。

模型的底端邊界固定，在豎直方向、巷道垂直方向和巷道平行方向分別均勻施加在三山島金礦－600 m處測點測得的對應(yīng)方向地應(yīng)力。

由于三山島金礦礦體附近圍巖主要由絹英巖構(gòu)成，且在－600 m水平采場巷道內(nèi)圍巖表面滲水嚴(yán)重，結(jié)合實際情況，選擇飽水狀態(tài)下的絹英巖物理力學(xué)參數(shù)進行模擬計算，見表1。

圖3 數(shù)值模擬模型

表1 飽水絹英巖物理力學(xué)參數(shù)

4.2 圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖4～圖7所示，分別為開挖不支護的條件下對巷道進行開挖后所得到的應(yīng)力分布圖和塑性區(qū)范圍分布圖。

圖4 開挖不支護圍巖最大主應(yīng)力

圖5 開挖不支護x軸方向圍巖應(yīng)力

圖6 開挖不支護z軸方向圍巖應(yīng)力

圖7 開挖不支護圍巖塑性區(qū)分布

最大主應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示，在不支護的情況下開挖巷道，圍巖將會發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。應(yīng)力主要集中在巷道兩個底角和兩肩處，可能發(fā)生圍巖破壞的情況。圖5和圖6顯示出圍巖的應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，近似呈“X”型分布，且左右相互對稱。

巷道開挖不支護情況下形成的塑性區(qū)分布狀態(tài)如圖7所示。從圖中可知，松動圈只是塑性區(qū)內(nèi)的一部分。測點位置附近的塑性區(qū)半徑比松動圈半徑為40～50 cm，由模擬結(jié)果得到的塑性區(qū)范圍略大于實際測量得到的松動圈的范圍，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果基本保持一致［10］。

5 巷道支護優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授的圍巖松動圈支護理論中對圍巖松動圈的分類方法可知，三山島金礦－600 m采場巷道的松動圈屬于中松動圈［6］。中松動圈圍巖碎脹變形比較明顯，變形量較大。如果仍然單純使用噴層支護的話，將很難抑制圍巖松動圈的碎脹變形，支護極易發(fā)生破壞［11］。因此，必須采用以錨桿為主體，聯(lián)合使用噴射混凝土的錨噴支護方式。錨桿為主體支護結(jié)構(gòu)用于控制其碎脹變形，噴層則用于控制圍巖變形以及防止圍巖風(fēng)化［12-13］。

(1)錨桿長度計算。錨桿長度

式中，k為安全系數(shù)，取1.1;L1為錨桿的外露長度，取0.05 m;Lp為松動圈的厚度，取1.1 Lm;L2為錨桿錨入圍巖松動圈外的長度，取0.3 m。

經(jīng)過計算，錨桿長度L=1.595 m。

(2)錨桿間距計算。錨桿根據(jù)實際情況，選擇常用的?16 mm鋼筋管縫式端部錨固錨桿，這種錨桿在三山島金礦的支護作業(yè)中被廣泛使用。錨桿間距

式中，Q為錨桿設(shè)計錨固力，取60 kN;γ為巖石容重，取27.15 kN/m3;K為安全系數(shù)，取3。

經(jīng)計算，錨桿間距α不能大于0.82 m。

綜上所述，建議在拱部安設(shè)1.6 m長的錨桿，間距可以選擇為0.8 m×0.8 m。

通過類比條件相近的其他中松動圈巷道支護工程，墻部噴射80 mm厚度的混凝土噴層，即可以保障巷道安全［14］。

6 結(jié)論

(1)對三山島金礦－600 m采場巷道內(nèi)，F(xiàn)3斷層附近的圍巖，使用聲波法現(xiàn)場測量圍巖松動圈。測量結(jié)果表明金礦深部巷道內(nèi)的圍巖松動圈為0.9～1.1 m范圍的中松動圈，F(xiàn)3斷層以南的松動圈范圍略大于斷層北側(cè)。根據(jù)測量結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場的實際情況分析，需要對圍巖采取支護措施。

(2)使用FLAC3D軟件對三山島深部巷道進行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，巷道在開挖后不支護的條件下，圍巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定規(guī)律性，并且在巷道底角和兩肩處呈現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖有可能發(fā)生破壞。而巷道圍巖的塑性區(qū)范圍模擬結(jié)果，可以為現(xiàn)場測量得到的松圍巖松動圈范圍提供參考驗證。

(3)三山島金礦－600 m的深部高地應(yīng)力巷道可以采用以錨桿為主體構(gòu)件的錨噴支護方式。建議使用長度1.6 m、?16 mm鋼筋管縫式端部錨固錨桿，錨桿間距選擇為0.8 m×0.8 m，噴射80 mm厚度的混凝土噴層防止為巖風(fēng)化，即可對圍巖進行有效支護。

(4)基于圍巖松動圈現(xiàn)場測量的結(jié)果對三山島金礦深部高地應(yīng)力巷道支護形式進行優(yōu)化，在保障巷道安全的前提下，能夠為礦山節(jié)省大量支護建設(shè)和維護費用，創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時能夠為礦山未來的發(fā)展建設(shè)提供技術(shù)參考。

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