逆断层影响区域破碎巷道稳定性控制对策分析
时间：2022-12-06 19:10:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王志修 原 野 于世波
(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；
2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)
近年来，随着矿山开采深度不断增加，地质环境越发复杂，断层影响矿山安全生产问题逐渐突出，严重影响矿山发展。因此，针对近断层巷道稳定性问题，诸多学者进行深入研究，获得众多研究成果。崔魏等[1]结合工程案例，研究断层倾角、破碎带宽度以及侧压力系数与巷道围岩稳定性的关系；
孟庆彬等[2]利用物探方法及理论分析方法，提出断层区域巷道合理掘进与支护技术方案；
谢小平等[3]采用试验测试、理论分析和数值模拟方法，研究了断层附近软岩巷道围岩变形控制对策；
陈辉等[4]研究巷道掘进与断层构造应力的相互关系，针对过断层巷道提出U形钢与锚网索相互配合的支护优化方案；
勾攀峰等[5]采用相似材料模拟试验，建立平面应力模型，分析研究断层区域开掘巷道顶板的位移和巷道变形特征关系；
肖同强等[6]分析了断层附近破碎围岩煤巷锚杆支护围岩稳定机理；
王襄禹等[7]提出断层区域巷道非对称大变形和支护失效的主要原因为断层附近的非对称采动应力场、巷道关键部位的剪切滑移破坏；
陈晓祥等[8]研究过断层破碎带时巷道围岩大变形的机理，提出了“超前预注浆+锚网索”联合支护方式控制断层破碎区域围岩变形；
林海等[9]研究表明断层面剪切滑移破坏、围岩松软破碎、支护结构针对性差是造成大断面巷道变形破坏的原因。
本文以福建马坑铁矿深部破碎巷道为工程背景，针对其典型破碎岩体，开展现场岩体质量分级及超声波测试工作；
结合围岩松动圈结果与岩体质量等级，进行巷道支护方式及支护参数的选择，研究成果可为马坑铁矿巷道支护标准化提供依据。
福建马坑铁矿主要生产铁矿及钼矿，二期设计规模500万t/a采选工程。主矿体的形态为层状、似层状，矿体内部结构较简单。根据勘察报告，F2断层纵贯矿区中部，延长约2 000 m；
走向亦呈舒缓波状，为向北西倾斜、倾角达80°以上的压扭逆断层，断距最大达到250 m以上。
矿体顶板主要为大理岩或大理岩化灰岩，底板主要为石英或石英化砂岩，研究区域的岩体被F2断层切割，导致节理裂隙发育，风化作用加剧及溶蚀裂隙和溶洞发育，因此岩体强度下降，稳固性变差。在岩体未遭破坏的地段，节理裂隙不发育，蚀变作用较弱，其稳固性则较好。
研究区域为中矿段，运输巷道位于85 m中段，见图1，巷道尺寸为(宽×高)3.9 m×3.6 m，破碎区域主要采用U型钢+1.8 m管缝式锚杆(间排距为1.0 m)+网片+喷射混凝土的支护方式。由于近断层矿岩破碎，同时受到长期动态应力扰动的多重影响，导致该矿山巷道灾害问题频繁发生，严重影响矿山的安全生产。
通过物理力学试验得到，上盘大理岩化灰岩饱和单轴抗压强度为76.45 MPa，矿体饱和单轴抗压强度为131.43 MPa，下盘石英砂岩饱和单轴抗压强度为124.76 MPa，结合现场实际工况，采用国标BQ岩体质量分级，针对靠近F2断层100 m范围内的矿岩体进行质量评级，得到上盘区域节理线密度8.23条/m，平均间距121 mm，属于密集的间距，节理以平直波浪状为主，普遍延伸较长，大多起伏粗糙，呈微张开状态，局部有明显充填物；
矿体区域节理线密度5.10条/m，平均间距195 mm，属于密集的间距，节理以簇状平行为主，普遍延伸较长，大多起伏粗糙轻微风化，结构面微张开，部分区域有氧化带，填充物为松散体。
2.1 声波测试原理及测试方案
根据弹塑性介质中的波动理论，波速具有随围岩裂隙越发育、密度越降低、声阻抗越大而波速降低的特性。因此，可以根据超声波在同一钻孔不同位置下的波速变化情况来判断围岩松动圈的范围，已测得的声波波速高则说明围岩完整性好，波速低说明围岩存在裂隙，受到损伤；
因此连续钻孔测量的波速突变值区域，就是松动圈的范围[10]。
由于岩体的完整性与岩体自身特征、巷道尺寸、爆破扰动及方位有关，基于这一原则并根据前期勘查结果得出，85 m中段脉外运输巷岩体受破碎接触带影响较大，支护效果较差，存在喷层开裂等破坏现象。因此，在85 m中段近断层脉外运输巷道布置3个测试孔；
测试孔均位于巷道帮部，测试孔深均为5 m，孔口距离底板高度约1.5 m，钻孔向下倾斜3°～5°，钻孔具体布置位置见图1。
图1 85 m中段地质平面图及测试孔布置图
2.2 测量结果分析
各测孔点的纵波波速及波速梯度如图2所示。由图2可知，在85 m分段中测段距离为0.8～4.4 m。1#孔测试结果在1.8 m时的纵波波速范围为5 200 m/s，到1.6 m距离时纵波波速范围为3 600 m/s，波速变化较大；
2#孔测试结果在1.8 m时的纵波波速范围为4 400 m/s，到1.6 m距离时纵波波速范围为3 200 m/s，波速变化较大；
3#孔测试结果在1.8 m时的纵波波速范围为4 000 m/s，到1.6 m距离时纵波波速范围为3 200 m/s，波速变化较大；
同时，由波速梯度分布可见，3个测试孔在1.6 m位置处，波速梯度值最大。因此可知，1#测试孔、2#测试孔及3#测试孔松动圈1.6～1.8 m范围。
图2 纵波波速(VP)信息-钻孔深度关系曲线
85 m中段脉外运输巷道实测松动圈的范围为1.6～1.8 m，现场采用1.8 m管缝式锚杆已不满足支护要求，同时踏勘巷道现场可见管缝式锚杆脱环的情况，因此急需优化先前支护方式。
根据马坑铁矿的岩体质量分级结果及生产技术条件，结合现场测试松动圈结果，利用工程类比法及理论计算法确定支护方式及支护参数。方案采用以钢拱架+锚杆为主体，辅以喷射混凝土加金属网联合的支护手段。锚杆主要用于控制围岩的碎胀变形，金属网加混凝土支护相结合的方式主要防止围岩脱落同时封闭。
结合现场围岩松动圈的测量结果，采用经验公式法及悬吊理论确定锚杆长度。
2)悬吊理论计算：LS≥L1+LP+L2，L1为锚杆外露长度，取0.1 m；
L2为锚杆锚入围岩松动圈外的长度，按经验取0.3 m；
LP为松动圈的厚度，根据测试得到松动圈的范围1.6～1.8 m，考虑围岩具有膨胀性及多次应力扰动因素，取值为1.8 m；
计算可得最低为2.2 m锚杆满足设计要求。
综合松动圈测试结果、锚杆长度经验公式计算及悬吊理论计算，并结合现场实际工况，选用长度2.5 m的树脂锚杆进行加固。
根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)，锚杆选择树脂锚杆，锚固长度为1.2 m，锚杆的间距不宜大于锚杆长度的1/2，因此可取锚杆间距为1.0 m。结合“三径”合理区配原则及现场实际工况及技术装备，树脂锚杆直径为22 mm，钻孔直径与锚杆直径相差6～8 mm最佳，因此钻孔直径为28 mm。参考规范，钢筋网喷射混凝土支护设计厚度不应小于80 mm，因此厚度取100 mm，设计标号为C20，标准设计如图3所示。
图3 运输巷道标准支护方案(单位：mm)
4.1 数值模拟方案
采用数值模拟手段，以马坑铁矿85 m中段运输巷道为背景建立工程地质模型，模型尺寸(长×宽×高)为36 m×30 m×34 m，巷道尺寸(宽×高)为3.9 m×3.6 m，模型采用弹塑性本构模型，屈服准则采用Mohr—Coulomb模型，模型底部边界的水平、竖直方向的速度约束，模型两侧边界水平方向速度约束。岩体的力学参数见表1，参考文献[11]和文献[12]给出支护材料的计算力学参数，见表2，施加实测地应力值。在巷道顶部设置变形监测线。
图4 工程地质模型及监测方案点
表1 岩体物理力学性质
表2 支护材料计算力学参数
4.2 模拟结果分析
图5为现场支护方案和优化后支护方案的最大主应力分布图。由图5可知，由于巷道开挖，导致应力重分布，致使两种支护方式工况下，在开挖临空面均出现卸压区域，内部聚集能量向临空面转移。在现场支护工况下，临空面均为压力释放区，压力值达到1.2 MPa。优化后的支护工况，由于增加顶板锚固力，顶板临空区域压力转移至其他临空面。
图5 巷道围岩最大主应力分布图
图6为现场支护方案及优化后支护方案的塑性区分布图。现场支护方案塑性区分布图如图6(a)所示，塑性区主要以剪切破坏为主，在顶板区域出现两条剪切破坏带；
优化支护方案塑性区分布图如图6(b)所示，顶板剪切塑性区破坏区域明显减少，在底板出现拉破坏区域，巷道开挖后应力转移至底部，导致底部出现破坏。
图6 塑性区分布图
图7为现场支护方案及优化后支护方案的监测点变形量趋势图。1#监测点距离巷道临空面0.2 m位置，在现场支护方案中1#监测点变形量达到20 cm，采用优化后的支护方案，顶板围岩变形量变为12 cm，降低了40%。采用优化的支护方案可以有效降低围岩变形量，加强围岩本身自稳定能力，由此可见优化支护方案具有良好的支护效果。
图7 监测点变形量趋势图
4.3 现场工业试验应用
在85 m中段脉外运输巷道破碎段区域，采用新支护方案进行支护工业试验工作。从现场施工及锚杆监测点情况来看，利用树脂锚杆的锚固剂可将孔壁周围一定深度的裂纹进行充填，提高岩体自稳能力，具有较大的承载力，有效控制围岩的初始松动破坏。同时对巷道表面采用三维激光扫描方式进行位移监测，监测周期50～80 d，在50 d后围岩变形逐渐趋于稳定，顶板下降量为40～90 mm，巷道两帮变形量为30～50 mm。监测期间锚杆、钢拱架完好，工程应用表明针对该区域采用树脂锚杆+钢拱架+锚喷联合支护方式，可有效降低巷道边帮垮塌、顶板大变形等事故发生概率，保证巷道安全。
1)针对马坑铁矿85 m中段运输巷道岩体完整性试验，利用波速梯度最大数值判别准则，确定巷道围岩松动圈为1.6～1.8 m。
2)结合完整性试验测试结果，利用经验公式法及悬吊理论进行锚杆长度计算，并结合相关规范制定主要支护结构的参数。
3)提出了钢拱架+树脂锚杆+金属网+喷射混凝土联合支护方式，树脂锚杆长2.5 m，锚杆间排距均为1.2 m，喷射混凝土厚度为100 mm。通过数值模拟手段，对比分析现场支护方案与优化后的支护方案，结果可知优化后的支护方案可使围岩破坏范围减小，顶板变形量降低了40%。同时，采用优化后的支护方案进行现场工业试验，巷道表面监测的变形量较小，可见优化后的支护方案可有效保证马坑铁矿近断层区域巷道的稳定性。
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