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(jì)近些年來的迅猛發(fā)展，發(fā)展與建設(shè)現(xiàn)代化社會(huì)極大地增加了對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求，促使我國的許多金屬礦山開始進(jìn)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(shí)際是巖體中應(yīng)力場(chǎng)重新分布的過程。這是因?yàn)殡S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(chǎng)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(qiáng)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(qiáng)度極限時(shí)，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(qiáng)度時(shí)，巖體停止破壞，此時(shí)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(dòng)圈［3-5］。

在松動(dòng)圈支護(hù)理論中，通常認(rèn)為支護(hù)的作用就是通過限制圍巖松動(dòng)圈的碎脹力來控制圍巖的變形破壞［6］。因此，為了設(shè)計(jì)出最為經(jīng)濟(jì)有效的巷道支護(hù)方式，確定安全的支護(hù)參數(shù)，可以選擇對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍進(jìn)行測(cè)量進(jìn)而得出優(yōu)化的支護(hù)方案，這對(duì)于確定合理的工作面超前支護(hù)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(duì)斷層附近圍巖的松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最終參考圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，提出優(yōu)化的巷道支護(hù)方式及參數(shù)設(shè)計(jì)。

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(jìn)入深部開采階段，開拓深度已達(dá)到－780 m，自－600 m水平的盲豎井開拓深度已達(dá)－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(duì)三山島深部高地應(yīng)力巷道圍巖的松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)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(jìn)入萊州灣，南東方向延長到礦區(qū)之外。斷層貫穿整個(gè)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(gè)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(dòng)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(chǎng)巷道內(nèi)F3斷層附近，現(xiàn)場(chǎng)條件十分惡劣，極大地增加了測(cè)量工作量。

2 聲波法測(cè)量圍巖松動(dòng)圈

測(cè)量圍巖松動(dòng)圈的方法包括雷達(dá)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(diǎn)是測(cè)量技術(shù)成熟可靠，原理簡(jiǎn)單，測(cè)量成本低廉且測(cè)量?jī)x器可重復(fù)使用。

本研究中使用的聲波法測(cè)量?jī)x器是由武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM－SY6型聲波檢測(cè)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(dòng)深度計(jì)數(shù)器，可有效避免手動(dòng)提升誤差，大幅度提高檢測(cè)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(diǎn)。因此，可以通過測(cè)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(dòng)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(dòng)彈性模量，μd為動(dòng)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(dòng)彈性模量Ed、動(dòng)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(gè)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(shí)，波速相對(duì)較快;而在應(yīng)力較低的區(qū)域內(nèi)時(shí)，波速相對(duì)較慢［9］。

根據(jù)這個(gè)原理，對(duì)巖石進(jìn)行聲波測(cè)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(shí)間。

可以根據(jù)式(2)中的縱波速度Vp或者縱波傳播時(shí)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(dòng)圈的范圍，從而為后續(xù)的巖石穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［3，7］。

3 圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與分析

3.1 測(cè)量方案

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量選擇在－600 m采場(chǎng)巷道的北巷，在F3斷層的南北方向各選擇了1個(gè)巷道斷面作為松動(dòng)圈的測(cè)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(chǎng)的測(cè)量工作條件十分惡劣。

測(cè)點(diǎn)布置是在巷道斷面的兩幫腰線處分別設(shè)置測(cè)量鉆孔，使用?42 mm鉆頭在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)各打出2個(gè)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(jìn)行耦合，如圖1所示。設(shè)置F3斷層南側(cè)為1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，北側(cè)為3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)。

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

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

從測(cè)試結(jié)果看出，聲時(shí)－鉆孔深度曲線出現(xiàn)較大波動(dòng)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(dòng)圈范圍附近的測(cè)量。由1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的曲線圖可以看出，F(xiàn)3斷層南側(cè)附近圍巖的松動(dòng)圈范圍大約為1.1 m;由3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)的曲線圖得到北側(cè)附近圍巖松動(dòng)圈約為0.9 m。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鉆孔布置

圖2 聲時(shí)－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(chǎng)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?yàn)閦軸方向。模型中間巷道為北巷巷道，尺寸采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(gè)單元和45 961個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(cè)點(diǎn)測(cè)得的對(duì)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(chǎng)巷道內(nèi)圍巖表面滲水嚴(yán)重，結(jié)合實(shí)際情況，選擇飽水狀態(tài)下的絹英巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)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(hù)的條件下對(duì)巷道進(jìn)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(hù)圍巖最大主應(yīng)力

圖5 開挖不支護(hù)x軸方向圍巖應(yīng)力

圖6 開挖不支護(hù)z軸方向圍巖應(yīng)力

圖7 開挖不支護(hù)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(hù)的情況下開挖巷道，圍巖將會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。應(yīng)力主要集中在巷道兩個(gè)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(duì)稱。

巷道開挖不支護(hù)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(dòng)圈只是塑性區(qū)內(nèi)的一部分。測(cè)點(diǎn)位置附近的塑性區(qū)半徑比松動(dòng)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(shí)際測(cè)量得到的松動(dòng)圈的范圍，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果基本保持一致［10］。

5 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授的圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論中對(duì)圍巖松動(dòng)圈的分類方法可知，三山島金礦－600 m采場(chǎng)巷道的松動(dòng)圈屬于中松動(dòng)圈［6］。中松動(dòng)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(hù)的話，將很難抑制圍巖松動(dòng)圈的碎脹變形，支護(hù)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(hù)方式。錨桿為主體支護(hù)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(jì)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(dòng)圈的厚度，取1.1 Lm;L2為錨桿錨入圍巖松動(dòng)圈外的長度，取0.3 m。

經(jīng)過計(jì)算，錨桿長度L=1.595 m。

(2)錨桿間距計(jì)算。錨桿根據(jù)實(shí)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(hù)作業(yè)中被廣泛使用。錨桿間距

式中，Q為錨桿設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)圈巷道支護(hù)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(duì)三山島金礦－600 m采場(chǎng)巷道內(nèi)，F(xiàn)3斷層附近的圍巖，使用聲波法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量圍巖松動(dòng)圈。測(cè)量結(jié)果表明金礦深部巷道內(nèi)的圍巖松動(dòng)圈為0.9～1.1 m范圍的中松動(dòng)圈，F(xiàn)3斷層以南的松動(dòng)圈范圍略大于斷層北側(cè)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況分析，需要對(duì)圍巖采取支護(hù)措施。

(2)使用FLAC3D軟件對(duì)三山島深部巷道進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，巷道在開挖后不支護(hù)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(chǎng)測(cè)量得到的松圍巖松動(dòng)圈范圍提供參考驗(yàn)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(hù)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(duì)圍巖進(jìn)行有效支護(hù)。

(4)基于圍巖松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果對(duì)三山島金礦深部高地應(yīng)力巷道支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化，在保障巷道安全的前提下，能夠?yàn)榈V山節(jié)省大量支護(hù)建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)能夠?yàn)榈V山未來的發(fā)展建設(shè)提供技術(shù)參考。

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