倾斜岩层弱结构围岩巷道破坏机理与支护技术研究

倾斜岩层弱结构围岩巷道破坏机理与支护技术研究
曲懋轩;侯克鹏;杨志全
【摘要】为了解决云南某铅锌矿500中段运输平巷倾斜岩层围岩巷道失稳的支护难题，本文通过地质调查、岩石力学实验、微观物化分析、数值模拟等手段，对倾斜岩层弱结构巷道的围岩变形破坏特点以及对称支护下围岩的破坏规律进行了分析研究。

认为巷道的右帮及底板岩性为泥质粉砂岩，是巷道变形破坏的起始部位。

因此，改善该弱结构部位的围岩体力学特性，使支护体与围岩形成共同有效的支护结构，是治理巷道失稳的重要途径，提出了岩性弱结构部位加强的非均匀支护技术。

试验表明，该巷道围岩变形量受到了有效控制，且取得了良好的技术经济效益。

%To solve the problems of unstable wall rock roadway in tilted stratum of 500 middle section haulage way of a certain Pb-Zn deposit in Yunnan,this paper applied geological survey,experiment of rock mechan-ics,microscopic physical and chemical analysis,numerical simulation in the analysis of characteristics of de-formation and failure of weakly structured wall rock roadway in tilted stratum and failure regularity of wall rock under the symmetric supporting.The author believes that the right and foot wall of roadway is argilla-ceous siltstone which is exactly the initiating part of deformation and failure of roadway.Therefore,it is an important way of treating unstable roadway to improve the mechanical property of these weak structure of the wall rock in order to form effective communal supportive structure between the supporting body and the wall rock.Hence the author proposed the inhomogeneous supporting technology which intensifies weak structure parts.The test shows that the deformation of
roadway is under effective control and favorable tech-nical and economic effectiveness is achieved.
【期刊名称】《矿产与地质》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】6页(P784-789)
【关键词】层状岩体;软弱结构;数值模拟;支护设计
【作者】曲懋轩;侯克鹏;杨志全
【作者单位】昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093;昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093;昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093
【正文语种】中文
【中图分类】TD35
随着我国矿产资源开发进一步发展和巷道支护技术的日趋成熟,国内许多矿井进入深部开采。

开采深度的增加,巷道围岩地应力作用明显,部分围岩松散破碎,具有明显的流变变形等软岩特征[1～3]。

当矿山巷道穿越岩系地层时,围岩中可能存在松散夹层,尤其在穿越膨胀性软岩岩层时,这种岩层的膨胀性、流变性和易崩解性,形成巷道围岩中的最软弱面,使得巷道围岩的不对称变形量较大,并且持续变形时间长,为深部资源开采提出了新的挑战[4]。

国内外许多学者对膨胀性软岩巷道支护问题进行了大量研究,提出了许多软岩支护理论和支护方法[5～7]。

但此类依照经验或工程类比的支护对策对倾斜岩层弱结构围岩的巷道支护效果并不理想[8～10],并且对围岩的各项性质没有进行具体分析,依然采用传统对称支护方式,使得巷道经常返修并
伴有安全隐患。

笔者针对云南某铅锌矿500中段28～30#线运输平巷出现顶板下沉,右帮侧鼓出、底板鼓起等非对称大变形现象,通过地质调查、实验室岩石力学实验、微观物化分析、数值模拟等手段,综合研究了倾斜岩层膨胀性软岩巷道的围岩变形破坏特点以及对称支护下围岩的破坏规律,确立了以提高弱结构岩体力学性质为基础的支护方法,对此类型巷道提出了不对称支护对策及设计方案,将研究成果应用于现场,有效解决支护难题。

1.1 500中段28～30#线轨道联络巷工程地质条件
云南某铅锌矿的岩巷支护实践表明,巷道多为穿层巷道,由于沉积历史等情况不同,这些复合结构围岩中各部分的围岩强度等特性也是有差异的,500中段28～30#线运输平巷为主要运输巷道,该巷道东部连接30～56#线岩脉巷道,西部连通28～18#穿脉巷道,巷道设计全长为157 m,最大埋深处450m,为一穿层巷道。

岩层倾角为13°～62°,根据实测地质剖面图,巷道的开挖过程中两次穿越断层,从西至东分别穿越F8与F3断层,巷道掘进初期揭露的主要岩性有泥质粉砂岩、砂岩、碳质千枚岩、千枚岩及矿体,其中泥质粉砂岩、碳质千枚岩强度较低,泥质粉砂岩的吸水性较强,软化系数小,一反面是吸水后岩体强度由于崩解作用降低,另一方面岩体膨胀产生的附加应力对巷道的稳定极为不利。

1.2 巷道的破坏情况
500中段28～30#线运输平巷整体变形较严重(照片1),主要的表现有,顶板右肩侧已经坍塌,有较明显的泥化、风化现象,巷道两帮也有内挤情况,但底脚内挤现象更为严重,支架已严重变形。

2.1 巷道围岩的变形特征
500中段运输平巷原设计断面为直墙拱形,采用废旧钢轨制成支架,顶板采用管缝式锚杆作为超前锚杆支护,其支护方式无法控制围岩变形,巷道顶底板最大变形量达到35cm,严重影响了运输、安全、通风。

这种不恰当的支护方式导致巷道靠近泥岩层
的上帮侧鼓出和底板下沉,右侧底脚严重内挤,呈上部空间大,下部空间小的坡状特征,巷道变形的非对称现象十分明显,在累计60天的观测期内,巷道顶底板移近量达到15cm,两帮总变形量约为23cm。

巷道所处岩层见图1。

2.2 岩石成分与微观结构分析
岩石矿物成分分析使用Bruker D8型X射线衍射仪,岩石微观结构采用OLYMPUSBH-2型扫描电子显微镜。

测试结果表明,泥质粉砂岩中的物质成分以粘土矿物为主,含量为75%～83%,其余为石英等。

在粘土矿物中高岭石占29%、伊利石/蒙脱石混层占53%,属于膨胀性软岩。

微观结构显示,泥质粉砂岩裂隙非常发育,连通性也比较好,在巷道开挖后,围岩的原岩应力重新分布,使得泥质粉砂岩的裂隙更容易得到扩展,从而变得更加破碎。

从以上泥岩性质来看,巷道围岩遇水岩体会急剧膨胀,在原岩应力场中岩体亦会变得更加破碎,从而导致巷道产生较大的变形。

2.3 数值模拟与分析
本次取巷道某一断面处作为计算实例。

巷道埋深450m,岩层倾角45°。

根据现场地应力测试结果,水平地应力大致为垂向地应力的1.3倍,即侧压系数为1.3。

计算模型见图2,模型尺寸为50m×50m,巷道为直墙拱形,其中直墙高为1.8m,宽为
2.4m,三心拱拱高为0.8m。

数值模拟参数通过现场取样,在实验室TAW-2000三轴试验机试验得到,并对参数进行Hoek-Brown强度准则折减,巷道岩石力学参数见表1。

对上述巷道的开挖过程采用MIDAS GTS岩土计算软件进行分析,屈服准则选用摩尔―库伦,层间选用接触单元模拟,数值模拟结果见图3。

2.4 巷道变形破坏机理分析
通过室内实验、巷道的工程地质条件、巷道围岩结构、岩石成分、数值模拟等分析,可以得出500中段34～40#线运输平巷产生非对称大变形破坏的机理。

(1)巷道围岩岩体结构非对称变形机理。

在同一条巷道内,同时出现两种岩性,并且巷
道受到岩层产状影响,巷道两侧岩体表现为明显的非对称分布,在开挖此类型围岩巷
道时,围岩应力非对称重新分布,由于岩性的不同,所以造成围岩变形上的非对称性。

(2)围岩层间滑移变形机理。

当巷道岩层倾角较大时,层间的剪切应力增加,导致巷道围岩产生软弱面或产生剪切破坏,发生滑移变形。

巷道围岩岩性主要为结晶灰岩与
泥质粉砂岩,泥质粉砂岩的力学性质与结晶灰岩岩性相差较大,对岩层的整体稳定性
有一定影响,这种岩层的组合也易发生倾倒、溃曲性破坏,对巷道的开挖是非常不利的。

巷道断面为直墙拱形。

巷道掘进初期采用铁轨作为钢架,超前锚杆做管棚支护,钢架
与围岩接触不良位置用原木或沙袋挤紧。

在对原等强对称支护下,巷道围岩的应力分布区非对称变形呈椭圆形,其中应力集中
区域位于巷道底板右侧,受水平应力影响,巷道受力衰减区从右侧向左侧发展,呈明显的非对称性分布。

垂直集中应力集中区域位于巷道的右侧帮部、底部与右侧底角。

巷道的非对称性变形,是由于支架受巷道弱侧帮急剧收敛使支架发生内弯变形,这种
刚性支护受力比较大,当一端支架发生变形时,原本在钢架与围岩中的原木部分被折断,未折断部分与围岩接触面变小,起不到原支护设计目的,导致支架失去支护作用,支架上方的超前锚杆,因为顶板冒落的缘故受力不均匀,部分产生变形,根本起不到提高围岩自承能力的作用。

由于巷道基本为穿层巷道,所以其沉积历史、岩性状况不同,这些复合岩层中岩石力
学特性是有较大差异的,其中岩性较弱的巷道围岩为弱结构体。

目前巷道支护中一
般采用全断面等密度支护,使用此类支护方法来控制围岩的变形与破坏对于性质软弱、集中应力明显的部位不具有适用性,往往巷道因局部的破坏导致巷道整体失稳。

所以,在巷道围岩支护结构中,弱结构的支护是控制围岩变形的重点,必须用过对弱结构体的加强控制来实现巷道围岩的整体稳定。

4.1 巷道变形控制途径
通过对上述对层状岩体巷道变形分析,500中段巷道围岩变形控制主要有以下途径:
(1)控制水对巷道围岩的侵蚀作用,减少围岩风化,提高围岩强度。

(2)对巷道关键部位进行支护,提高弱侧围岩的强度。

(3)通过对锚杆角度的控制,充分发挥锚杆的悬吊作用和组合拱作用,提高巷道围岩强度。

(4)巷道底板受层理构造影响,应对巷道底板的底鼓量进行控制,以减少和转移底鼓塑性滑移作用力。

(5)巷道围岩是相互关联的整体,因此要采用具有允许围岩产生一定变形的柔性支护。

4.2 巷道变形控制方案
巷道断面为直墙三心拱型,其净断面尺寸:宽×中高=2.4m×2.6m。

采用锚杆技术方
案如图4所示。

(1)根据巷道围岩的岩性,可用长度为1800mm, Φ20mm等强数值螺纹钢锚杆进行一次支护,木铁复合托盘可增加锚杆和锚索适应围岩的变形量,缓解应力集中现象,减小支护体荷载,在前期安装顶板与两帮锚杆,右帮侧应多安装锚杆,前期锚杆安装完成,围岩释放变形能之后,再实施锚索和底脚锚杆安装,底脚锚杆选择Φ42mm管缝式锚杆,倾角分别为25°、30°,其中靠近右侧底部采用注浆锚杆,锚杆长度1800mm,角度为30°,采用刚度较大的底脚锚杆对破坏部位加强支护,可转移底鼓塑性滑移作用力。

如此在围岩释放塑性变形能的同时,亦可最大程度发挥围岩的自承能力。

(2)采用锚杆加面积1000mm×1000mm,网格尺寸50mm×50mm金属钢筋网耦
合支护,提高围岩整体的稳定性,增加围岩强度。

(3)针对右帮侧变形较大的特点,合理布置锚索的位置和角度。

锚索采用Φ15mm钢线锚索,长度为8m,右侧顶板增加一排锚索。

通过锚索对深部围岩的锚固,减小作用
在帮侧的集中应力。

(4)初喷30mm,强度等级为C20的混凝土,之后复喷50mm。

以提高围岩的整体强
度和防止围岩过度风化。

4.3 围岩注浆加固方案
巷道全断面布置5根注浆锚杆,采用一次注浆方式,注浆孔的间距为1.2m,排距为2.4m,注浆孔深2.5m。

注浆管为Φ20mm、厚度为4mm的钢管,其一端有螺纹,另一端均匀钻Φ8mm的小孔。

注管长2m,螺纹长25mm,当注浆结束后,注浆管可作锚杆使用。

上述研究成果在云南某铅锌矿500m中段28～30#线的运输大巷返修及新开拓巷道支护工程中进行了应用。

由现场的围岩变形―时间监测结果显示,在巷道掘进初期,受掘进扰动影响,巷道围岩变形较为剧烈,随着巷道工作面的推进,支护体与围岩逐渐达到耦合状态,巷道变形逐渐减缓,进入稳定期,巷道最终底鼓量为25mm,底板下沉量17mm,两帮移近量24mm,与设计计算分析结果基本吻合,巷道的非对称变形得到了很好的控制(照片2)。

(1)此类存在弱结构的巷道在复杂的工程应力环境下,其中岩性较弱的岩层对巷道的整体稳定性起着至关重要的作用,巷道的破坏首先从弱结构及邻近底板区域开始,逐渐从巷道的肩部向底角发展,弱侧在围岩压力状态下的滑移、错动形成剪胀变形,弱结构的变形破坏会使围岩整体稳定性发生恶化,从而呈现非对称变形现象。

(2)采用喷射混凝土与注浆加固支护技术,有效的阻隔水沿裂隙流动的通道,避免围岩因遇水而发生崩解,提高巷道围岩岩性的强度。

(3)在存在弱结构围岩巷道中采用对称形支护,会导致围岩弱结构侧的松动圈明显大于其他部位,常用的对称支护方式只注重支护的强度,对弱结构侧关键部位耦合程度不够,不能控制巷道产生的非对称形破坏。

利用支护强度不同、有改善弱结构岩体岩性功能的非对称形支护,可以有效的控制弱结构侧塑性区破坏发展,从而提高围岩的整体稳定性。

(4)岩性弱结构支护体系主要由及时喷层,合理布置弱结构位置的锚杆、锚索及对岩
性较弱部分注浆四个内容组成。

(5)本文所提出的巷道支护技术,成功的应用于云南某铅锌矿现场工业性试验,在巷道围岩存在岩性弱结构时,有效的控制了巷道变形,保证了矿山安全高效生产。

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