雷顯權(quán) 劉福春 嚴(yán)慶文 張帥帥 郭奇峰 王勇兵 汪小東

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410019;2.深井礦山安全高效開采技術(shù)湖南省工程研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410019;3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;4.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤礦業(yè)分公司,云南 曲靖 654200;5.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

隨著淺部礦產(chǎn)資源的日益枯竭,我國(guó)礦產(chǎn)資源開發(fā)即將全面進(jìn)入第二深度空間(1 000 ～2 000 m),深部資源開采逐漸成為礦產(chǎn)資源開發(fā)新常態(tài)[1-3]。進(jìn)入深部開采后,地應(yīng)力顯著增大,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變,礦巖非線性力學(xué)特征顯著,開采擾動(dòng)強(qiáng)烈,巷道變形、片幫、塌方、冒頂、巖爆等災(zāi)害問題突出,給深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制與礦山生產(chǎn)安全防控造成巨大挑戰(zhàn)[4-6]。為了應(yīng)對(duì)深部高應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境條件下巷道失穩(wěn)致災(zāi)問題,相關(guān)學(xué)者開展了大量研究,在深部開采巖體力學(xué)特性、圍巖變形破壞機(jī)理、巖層穩(wěn)定性控制方法、巷道支護(hù)技術(shù)和地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[7-12]。

巷道圍巖的損傷分區(qū)和承載結(jié)構(gòu)特征是巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容,也是巷道巖層控制與支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)?？导t普[13-14]于1997 年首次提出巷道圍巖關(guān)鍵承載圈概念,分析了圍巖承載圈的分布特征及其影響因素,闡述了關(guān)鍵承載圈對(duì)巷道支護(hù)的工程意義。李樹清等[15-16]采用彈塑性理論分析和數(shù)值模擬方法研究了巷道圍巖的承載結(jié)構(gòu)特征,分析了深部巷道與淺部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的差別,探討了支護(hù)阻力對(duì)深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的影響。趙光明等[17-18]通過理論分析和數(shù)值模擬,將軟弱破碎巷道圍巖的承載結(jié)構(gòu)劃分為淺支撐層、深支撐層和關(guān)鍵支撐層,分析了各支撐層對(duì)圍巖變形的控制作用以及巖體殘余強(qiáng)度和支護(hù)作用對(duì)圍巖承載結(jié)構(gòu)演化和巷道變形的影響。Qin 等[19]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了動(dòng)壓作用下深部軟巖巷道圍巖的承載結(jié)構(gòu),分析了不同支護(hù)方式對(duì)圍巖承載結(jié)構(gòu)的控制效果。Zhang 等[20]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了巷道開挖空間效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力調(diào)整和重分布對(duì)圍巖力學(xué)特性及承載結(jié)構(gòu)的影響,揭示了巖石破裂發(fā)展?fàn)顟B(tài)對(duì)圍巖承載結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)機(jī)制。王璽等[21]通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),研究了不同巖體質(zhì)量等級(jí)巷道圍巖的承載結(jié)構(gòu)特征,分析了巖體質(zhì)量等級(jí)對(duì)各承載區(qū)主應(yīng)力分布和塑性破壞的影響。這些研究深化了對(duì)巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)特征及其作用機(jī)理的認(rèn)識(shí),對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性控制與支護(hù)具有重要指導(dǎo)作用。

充分發(fā)揮圍巖的自身強(qiáng)度和自承能力以達(dá)到采礦工程的穩(wěn)定是礦山巖石力學(xué)最基本的原理[22-23]。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,首先就要了解和掌握圍巖的損傷分區(qū)和承載結(jié)構(gòu)特征。雖然前人對(duì)巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)相關(guān)問題進(jìn)行了大量研究并取得了豐富成果,但由于深井礦山開采環(huán)境的復(fù)雜性,還存在許多問題需要作進(jìn)一步研究和探討,比如超埋深高應(yīng)力復(fù)雜地層巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)的差異性及穩(wěn)定性問題。針對(duì)該問題,本研究以云南某深井開采礦山1 500 m 埋深中段石門巷道為例,采用彈塑性理論分析、松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法,研究了超埋深高應(yīng)力條件下不同地層巷道圍巖的損傷分區(qū)和承載結(jié)構(gòu)特征,分析了不同地層圍巖損傷區(qū)和承載結(jié)構(gòu)的差異及其原因,探討了不同地層圍巖承載結(jié)構(gòu)與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系,提出了一種確定深部巷道錨桿支護(hù)長(zhǎng)度的新方法,為該礦山深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制與支護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

云南某礦山是目前國(guó)內(nèi)已建成投產(chǎn)的開采深度最深的礦山,最低開采中段埋深超過1 500 m。礦山地層、構(gòu)造條件復(fù)雜,深部巷道埋深大、地應(yīng)力高,開采擾動(dòng)強(qiáng)烈,具有典型的“三高一擾動(dòng)”特征?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示,在深部復(fù)雜環(huán)境條件下,巷道圍巖變形、噴層開裂和支護(hù)破壞現(xiàn)象多見,發(fā)生片幫、冒頂和大規(guī)模失穩(wěn)的安全風(fēng)險(xiǎn)突出,給巷道穩(wěn)定性控制造成極大挑戰(zhàn)。

以該礦山深部某中段石門巷道為研究對(duì)象(圖1)。該中段埋深約1 500 m,巷道斷面形狀為三心拱形,斷面規(guī)格為3.40 m×3.20 m。巷道從豎井馬頭門往SE 方向開拓掘進(jìn),依次穿越震旦系陡山沱組、燈影組、寒武系筇竹寺組,泥盆系宰格組,石炭系大塘組、擺佐組、威寧組、馬坪組,二疊系梁山組、棲霞—茅口組等多組地層以及多條斷層。

圖1 研究區(qū)巷道布置Fig.1 Roadway layout in research area

根據(jù)巷道埋深和上覆巖層重度估算垂向應(yīng)力約為42 MPa。礦山1 500 m 深處的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果顯示,最大主應(yīng)力為42.34 ～45.95 MPa,平均43.78 MPa,最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW-SSE[24]?，F(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,巷道圍巖的巖體質(zhì)量等級(jí)以Ⅲ～Ⅳ級(jí)為主。通過室內(nèi)基礎(chǔ)巖石力學(xué)試驗(yàn),獲得了不同地層巖塊試樣的力學(xué)參數(shù)。以此為基礎(chǔ),結(jié)合巖體節(jié)理裂隙調(diào)查和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,采用等效Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則與Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)估算方法[25-26],獲得了深部巷道圍巖的巖體力學(xué)參數(shù),見表1。

表1 深部巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of deep rock mass

2 深部巷道圍巖損傷分區(qū)與承載結(jié)構(gòu)模型

假設(shè)巷道圍巖為均質(zhì)各向同性連續(xù)介質(zhì),本構(gòu)關(guān)系為彈塑性軟化模型?；趫A形開挖斷面和小孔擴(kuò)張理論,建立如圖2 所示的巷道圍巖受力分析模型。巷道開挖后,圍巖應(yīng)力發(fā)生二次重分布,并產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致圍巖發(fā)生不同程度的損傷破裂。根據(jù)圍巖應(yīng)力分布特征和損傷破裂程度,圍巖變形損傷區(qū)由表及里依次劃分為破碎區(qū)(或松動(dòng)區(qū))、塑性軟化區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[8,17-18]。其中,破碎區(qū)和塑性軟化區(qū)為塑性變形區(qū),即廣義上的塑性區(qū);彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)為彈性變形區(qū)。

圖2 巷道圍巖受力分析模型Fig.2 Mechanical model of roadway surrounding rock

根據(jù)巷道開挖后圍巖二次應(yīng)力分布規(guī)律,并結(jié)合圍巖變形損傷分區(qū)特征,建立如圖3 所示的深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)模型。將σθ＞P0的區(qū)域定義為承載區(qū)。如圖3(a)所示,破碎區(qū)(A-B)為應(yīng)力降低區(qū)(σθ＜P0);塑性軟化區(qū)(B-C)雖然發(fā)生了塑性屈服,但仍具有較高的承載能力,將其劃為塑性承載區(qū);彈性區(qū)(C-D)強(qiáng)度幾乎沒有受到損傷弱化,承載能力很高,將其劃為彈性承載區(qū);在塑性承載區(qū)和彈性承載區(qū)范圍內(nèi),存在一個(gè)相對(duì)高應(yīng)力區(qū)(σθmax＞σθ＞kP0),是承受圍巖壓力的關(guān)鍵區(qū)域,將其劃為關(guān)鍵承載區(qū)(EF)。研究表明,k值范圍一般為1.2 ～1.5[17-18,21]。綜合考慮計(jì)算得到的巷道圍巖二次應(yīng)力分布特征及其與最大峰值應(yīng)力和原巖應(yīng)力的關(guān)系,本研究k值取1.3。圖3(b)顯示了深部巷道圍巖承載區(qū)與變形損傷區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Load-bearing structure model of deep roadway surrounding rock

3 深部巷道圍巖損傷分區(qū)與承載結(jié)構(gòu)特征

3.1 彈塑性理論計(jì)算塑性區(qū)深度

基于圓形巷道力學(xué)模型和Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則,通過彈塑性力學(xué)理論分析,可求得巷道圍巖塑性區(qū)半徑Rp的計(jì)算公式,即卡斯特奈(H.Kastner)公式或修正芬納(R.Fenner)公式[27]:

原巖應(yīng)力可通過地應(yīng)力實(shí)測(cè)獲得,或采用下式進(jìn)行估算:

式中,γ為巖體容重;H為巷道埋深。

當(dāng)支護(hù)阻力Pi為0,即巷道開挖未支護(hù)時(shí),圍巖塑性區(qū)半徑Rp計(jì)算公式為

為了便于計(jì)算,基于最小外接圓原則,采用幾何作圖法得到礦山深部三心拱形巷道的等價(jià)圓形斷面,以獲得巷道等效半徑,即2.08 m。然后根據(jù)研究礦山深部巷道圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)(表1)及其所處的地應(yīng)力環(huán)境(原巖應(yīng)力P0取42 MPa),計(jì)算得到不同地層巷道圍巖的塑性區(qū)深度,見表2。計(jì)算結(jié)果顯示,不同地層圍巖塑性區(qū)深度范圍為1.62 ～3.03 m,平均2.16 m。

表2 不同地層圍巖塑性區(qū)理論計(jì)算結(jié)果Table 2 Theoretical calculation results of plastic zone of surrounding rock in different strata

3.2 聲波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試松動(dòng)圈深度

根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[28-29],巷道開挖后,原巖應(yīng)力在圍巖中發(fā)生重分布并產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí),巷道周邊圍巖發(fā)生破壞,形成一條環(huán)向破裂帶,該破裂帶被稱為圍巖松動(dòng)圈。松動(dòng)圈的范圍通常采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法獲得,作為巷道支護(hù)分類和參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

本研究采用聲波法進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試。聲波在巖體中的傳播速度與巖體的結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。在裂隙發(fā)育、低密度、高聲阻抗巖體中,聲波傳播速度較慢;在高應(yīng)力、高密度巖體中,聲波傳播速度較快。因此,通過測(cè)試超聲波在巷道圍巖鉆孔內(nèi)的傳播速度,繪制波速—孔深曲線,分析波速沿孔深的變化規(guī)律,就可以判斷圍巖松動(dòng)圈的范圍。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM-SY5 型智能聲波檢測(cè)儀以及與之配套的一發(fā)雙收探頭。該檢測(cè)儀具備自動(dòng)判讀功能,使得首波聲時(shí)、聲幅讀取更為準(zhǔn)確。測(cè)點(diǎn)布置在巷道側(cè)壁,針對(duì)不同地層巷道圍巖,共完成了11 個(gè)點(diǎn)的松動(dòng)圈測(cè)試,結(jié)果見圖4 和表3。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,不同地層圍巖松動(dòng)圈深度范圍為0.9～1.9 m,平均1.38 m。

表3 不同地層圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of rock loose circle in different strata

圖4 松動(dòng)圈測(cè)試波速—孔深曲線Fig.4 Wave velocity-hole depth curve of rock loose circle test

3.3 數(shù)值模擬分析塑性區(qū)特征

根據(jù)研究礦山深部巷道幾何特征,采用FLAC3D軟件,建立巷道開挖數(shù)值計(jì)算模型。采用8 節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,為了提高計(jì)算精度,對(duì)巷道周邊網(wǎng)格進(jìn)行了加密,劃分后的網(wǎng)格模型包括46 820 個(gè)單元和52 030 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型幾何尺寸和網(wǎng)格劃分情況如圖5 所示。

圖5 巷道模型網(wǎng)格Fig.5 Mesh grid of roadway model

巷道圍巖的變形破壞行為采用耦合張拉屈服準(zhǔn)則的Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則來描述,屈服函數(shù)如下:

式中,σ1和σ3分別為最大和最小主應(yīng)力;Fs和Ft分別為剪切和張拉屈服函數(shù)。

模型物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)和理論估算結(jié)果,并考慮巷道走向與最大主應(yīng)力方向近似平行的關(guān)系,在模型x、y方向上分別施加42 MPa和43.78 MPa 的水平應(yīng)力,在模型z方向上施加42 MPa 的垂向應(yīng)力和9.8 m/s2的重力加速度。

采用FLAC3D軟件計(jì)算模擬巷道開挖過程。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,繪制了不同地層巷道開挖后的圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果,見圖6。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)上述深部巷道圍巖損傷分區(qū)理論模型,獲得了不同地層巷道圍巖的損傷區(qū)(破碎區(qū)和塑性區(qū))深度,見表4。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,不同地層圍巖破碎區(qū)深度范圍為0.92～1.63 m,平均1.20 m;不同地層圍巖塑性區(qū)深度范圍為1.48～2.50 m,平均1.87 m。

表4 不同地層圍巖損傷區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果Table 4 Numerical simulation results of damage zone of surrounding rock in different strata

圖6 不同地層圍巖塑性區(qū)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of plastic zone of surrounding rock in different strata

3.4 深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)劃分

基于數(shù)值模擬得到的巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和損傷區(qū)分布結(jié)果,根據(jù)上述深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)理論模型,劃分了不同地層巷道圍巖的承載區(qū),見圖7,并獲得了不同承載區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù),見表5。研究結(jié)果顯示,巷道圍巖塑性、彈性和關(guān)鍵承載區(qū)平均深度范圍分別為1.20～1.88 m、1.88～8.09 m 和1.58～2.86 m,平均厚度分別為0.68 m、6.21 m 和1.28 m。

表5 不同地層圍巖承載區(qū)劃分結(jié)果Table 5 Results of load-bearing zone division of surrounding rock mass in different strata

圖7 不同地層巷道圍巖最大主應(yīng)力分布特征Fig.7 Distribution characteristics of maximum principal stress in surrounding rock of different strata

4 分析與討論

4.1 不同圍巖損傷區(qū)與承載結(jié)構(gòu)的差異

4.1.1 不同地層圍巖損傷區(qū)深度對(duì)比

圖8 所示為采用上述3 種方法得到的不同地層巷道圍巖損傷區(qū)深度對(duì)比。從圖8 可以看出,不同地層圍巖的損傷區(qū)深度存在明顯差異,塑性區(qū)及破碎區(qū)深度由大到小排序?yàn)?燈影組＞棲霞—茅口組＞宰格組＞大塘組＞擺佐組。不同方法得到的損傷區(qū)深度雖有差異但變化趨勢(shì)基本一致。由圖8(a)可以看出,對(duì)于同一地層,圍巖塑性區(qū)深度理論計(jì)算結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果偏大,主要原因是理論計(jì)算沒有考慮巷道圍巖的三維結(jié)構(gòu)。由圖8(b)可以看出,對(duì)于同一地層圍巖,燈影組、宰格組和大塘組的破碎區(qū)深度數(shù)值模擬結(jié)果略小于松動(dòng)圈實(shí)測(cè)平均結(jié)果,但都在松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果(表3)范圍內(nèi);擺佐組破碎區(qū)深度數(shù)值模擬結(jié)果與松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大,主要是因?yàn)閿[佐組只進(jìn)行了1 次松動(dòng)圈實(shí)測(cè),沒有反映松動(dòng)圈深度的統(tǒng)計(jì)特征。上述3 種方法研究結(jié)果的對(duì)比分析也表明,數(shù)值模擬方法能夠較為客觀準(zhǔn)確地揭示深部巷道圍巖的損傷破壞特征。

圖8 不同地層圍巖損傷區(qū)對(duì)比Fig.8 Comparision of damage zone of surrounding rock in different strata

圖9 所示為巷道圍巖損傷區(qū)深度與巖體強(qiáng)度的關(guān)系。由圖9 可以看出,圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)深度均與巖體抗壓、抗拉強(qiáng)度呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系?？傮w而言,巖體抗壓、抗拉強(qiáng)度越大,圍巖損傷區(qū)深度越小。這表明,在相同的地應(yīng)力條件下,巷道圍巖的損傷破壞程度主要取決于巖體強(qiáng)度。雖然這一結(jié)論早已從理論上得到預(yù)測(cè),但本研究進(jìn)一步基于深井礦山高應(yīng)力巷道實(shí)例并通過圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和三維數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。

圖9 圍巖損傷區(qū)與巖體強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Relationship between damage zone and strength of surrounding rock

4.1.2 不同地層圍巖承載結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖10 所示為不同地層巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比。由圖10(a)可以看出,不同地層圍巖的承載區(qū)厚度沒有明顯差異,除燈影組外,宰格組、大塘組、擺佐組和棲霞—茅口組圍巖的塑性、彈性和關(guān)鍵承載區(qū)厚度均非常接近。由圖10(b)可以看出,不同地層圍巖的承載區(qū)深度存在顯著差異,但塑性、彈性和關(guān)鍵承載區(qū)深度變化趨勢(shì)一致,由大到小排序?yàn)?燈影組＞棲霞—茅口組＞宰格組＞大塘組＞擺佐組。這也與上述不同地層圍巖損傷區(qū)深度排序相一致。

圖10 不同地層圍巖承載結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.10 Comparison of load-bearing structures of surrounding rock in different strata

圖11 所示為巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)參數(shù)與巖體強(qiáng)度的關(guān)系。從圖11 可以看出,圍巖塑性、彈性和關(guān)鍵承載區(qū)深度均與巖體抗壓、抗拉強(qiáng)度呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系?？傮w而言,巖體抗壓、抗拉強(qiáng)度越大,圍巖承載區(qū)深度越小。

圖11 圍巖承載結(jié)構(gòu)與巖體強(qiáng)度關(guān)系Fig.11 Relationship between load-bearing structures and strength of surrounding rock mass

4.2 圍巖承載結(jié)構(gòu)與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系

圖12 所示為不同地層巷道開挖后圍巖變形特征對(duì)比。從圖12 可以看出,不同地層圍巖的總體變形特征相似,但位移量存在明顯差異,頂板、巷幫最大位移由大到小排序?yàn)闊粲敖M＞棲霞—茅口組＞宰格組＞大塘組＞擺佐組。

圖12 不同地層圍巖變形特征對(duì)比Fig.12 Comparison of deformation characteristics of surrounding rock in different strata

圖13 所示為巷道開挖后圍巖位移、損傷區(qū)深度與關(guān)鍵承載區(qū)深度的關(guān)系。從圖13 可以看出,頂板、巷幫位移量以及圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)深度均與關(guān)鍵承載區(qū)深度呈正線性相關(guān)關(guān)系?？傮w而言,關(guān)鍵承載區(qū)深度越大,圍巖位移量和損傷區(qū)深度越大。

圖14 深部巷道錨桿支護(hù)示意Fig.14 Schematic of rockbolt support in deep roadway

4.3 對(duì)深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制的啟示

了解和掌握巷道圍巖的損傷分區(qū)和承載結(jié)構(gòu)特征對(duì)巷道穩(wěn)定性控制具有重要意義。研究結(jié)果顯示,在深部高應(yīng)力條件下,不同地層圍巖的損傷區(qū)和承載區(qū)結(jié)構(gòu)具有顯著差異,而且關(guān)鍵承載區(qū)深度對(duì)圍巖損傷變形具有明顯控制作用。這就要求在制定深井礦山高應(yīng)力巷道支護(hù)方案時(shí),需要根據(jù)各類圍巖的實(shí)際損傷破壞特征,有針對(duì)性地選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方法和確定合理的支護(hù)參數(shù)。

以目前礦山常用的錨桿支護(hù)為例,錨桿長(zhǎng)度是錨桿支護(hù)最重要的技術(shù)參數(shù),但如何確定錨桿長(zhǎng)度是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。通常做法是將錨桿端頭錨固到圍巖深部穩(wěn)定巖層,或取錨桿有效長(zhǎng)度大于塑性區(qū)深度,但研究和實(shí)踐表明這2 種方法確定的錨桿長(zhǎng)度都偏安全,容易造成支護(hù)浪費(fèi)。另一種工程實(shí)踐性很強(qiáng)的方法是根據(jù)圍巖松動(dòng)圈深度來確定錨桿長(zhǎng)度,但松動(dòng)圈測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度大,而且很多測(cè)量結(jié)果并沒有明顯的松動(dòng)圈界線。根據(jù)承壓拱(或壓力拱)支護(hù)理論[30-31],錨桿支護(hù)的主要作用是在圍巖損傷區(qū)內(nèi)重建人造承壓拱,提高損傷圍巖的整體強(qiáng)度和自承能力,以此來抵抗圍巖變形壓力和維護(hù)巷道穩(wěn)定。這也符合深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制的基本原理[23]。結(jié)合承壓拱支護(hù)理論和本文研究結(jié)果,綜合分析認(rèn)為較為合理的做法將錨桿錨固到圍巖關(guān)鍵承載區(qū)內(nèi),即取錨桿有效長(zhǎng)度等于圍巖關(guān)鍵承載區(qū)的內(nèi)邊界深度(圖14)。這樣既避免了錨桿過長(zhǎng)浪費(fèi),也避免了因錨桿支護(hù)長(zhǎng)度不足所導(dǎo)致的圍巖控制不穩(wěn)。

5 結(jié) 論

針對(duì)深井礦山高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性控制問題,以云南某深井開采礦山1 500 m 埋深中段石門巷道為例,采用彈塑性理論分析、松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬計(jì)算3 種方法,研究了深井高應(yīng)力復(fù)雜地層巷道圍巖的損傷分區(qū)和承載結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)巷道穩(wěn)定性控制的意義。

(1)根據(jù)巷道開挖后圍巖損傷分區(qū)特征和應(yīng)力分布規(guī)律,建立了深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)理論模型,將深部巷道圍巖承載區(qū)劃分為塑性承載區(qū)、彈性承載區(qū)和關(guān)鍵承載區(qū)3 個(gè)部分,提出了確定各承載區(qū)范圍的方法。

(2)圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,該礦山深部巷道圍巖松動(dòng)圈深度總體變化范圍0.9～1.9 m,平均1.38 m。其中:燈影組松動(dòng)圈深度范圍1.5 ～1.9 m,平均1.7 m;宰格組松動(dòng)圈深度范圍1.1 ～1.3 m,平均1.15 m;大塘組松動(dòng)圈深度范圍0.9 ～1.5 m,平均1.17 m;擺佐組松動(dòng)圈深度1.5 m。

(3)通過3 種不同方法的綜合研究和對(duì)比分析,揭示了該礦山深部巷道圍巖的損傷區(qū)發(fā)育特征。數(shù)值模擬結(jié)果顯示不同地層圍巖的破碎區(qū)深度范圍為0.92～1.63 m,平均1.20 m;塑性區(qū)深度范圍為1.48～2.50 m,平均1.87 m。雖然所處的地應(yīng)力環(huán)境相同,但不同地層圍巖的損傷區(qū)深度存在明顯差異,由大到小排序?yàn)?燈影組＞棲霞—茅口組＞宰格組＞大塘組＞擺佐組。

(4)基于深部巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)理論模型和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,劃分了該礦山深部巷道圍巖的承載結(jié)構(gòu)。不同地層圍巖的承載區(qū)厚度差別不大,但承載區(qū)深度存在顯著差異。關(guān)鍵承載區(qū)厚度范圍為1.09～1.34 m,平均1.28 m;關(guān)鍵承載區(qū)內(nèi)邊界深度范圍為1.22～2.18 m,平均1.58 m;不同地層關(guān)鍵承載區(qū)深度由大到小排序?yàn)?燈影組＞棲霞—茅口組＞宰格組＞大塘組＞擺佐組。

(5)在巷道規(guī)格和地應(yīng)力環(huán)境相同條件下,巖體強(qiáng)度是影響圍巖承載結(jié)構(gòu)和巷道穩(wěn)定性的最主要因素?？傮w而言,巖體強(qiáng)度越大,關(guān)鍵承載區(qū)深度越小,圍巖損傷區(qū)深度越淺,圍巖變形量越小,巷道越穩(wěn)定。

(6)巷道圍巖損傷分區(qū)和承載結(jié)構(gòu)研究結(jié)果為礦山深部高應(yīng)力巷道穩(wěn)定性控制與支護(hù)參數(shù)選取提供了理論依據(jù)。針對(duì)錨桿支護(hù),提出錨桿有效長(zhǎng)度等于巷道圍巖關(guān)鍵承載區(qū)的內(nèi)邊界深度是比較合理的取值。