小鐵山礦深部開采巷道變形監測與分析

孟慧媚，劉武團，高 忠

(西北礦冶研究院， 甘肅 白銀市 730900)

小鐵山礦深部開采巷道變形監測與分析

孟慧媚，劉武團，高 忠

(西北礦冶研究院， 甘肅 白銀市 730900)

隨著小鐵山礦采礦作業向深部拓展，受地應力和巖性分布的影響，地壓活動頻繁，引發的地壓活動危害問題更為突出。為減少深部開采地壓災害的不利影響，通過對礦山開采巷道圍巖的變形監測，分析深部高應力條件下巷道圍巖變形特征，制定出適合礦山的支護措施，有效減少了二次支護成本，對保證礦山安全生產具有重要指導意義。

深部開采；變形監測；巷道支護；松動圈

近年來隨著開采深度的增加，地應力不斷上升，給深部開采巷道圍巖的穩定性帶來巨大的威脅[1-11]。為了使小鐵山礦山安全高效生產，通過深部開采巷道的收斂變形監測，以及巷道圍巖松動圈厚度的測試與分析評價圍巖穩定性，提供巷道支護最佳時間段；成功指導了礦山支護措施的制定。

小鐵山礦是國內罕見的地下開采多金屬中型礦山，該礦礦床為多成因、多期成礦的復合型海相火山巖層控礦床，現已生產到八中段(1424 m)及以下礦體。該地段內賦存有大小礦體8個，礦體上盤圍巖為硅質千枚巖、綠泥石片巖、凝灰質千枚巖、石英角斑巖，硅化強烈，片理不發育，巖石抗壓強度及硬度系數較大，穩固性較高。礦體下盤圍巖一般為石英角斑凝灰巖，絹云母化強烈，硅化中等，片理發育，巖性較軟，巖石抗壓強度及硬度系數較小，穩固性較差。含礦巖組為綠泥石化石英角斑巖，巖石破碎，片理發育，為不穩定巖組，在采礦過程中易冒頂及片落。破碎帶巖組主要為下盤石英鈉長斑巖與石英角斑凝灰巖的接觸帶，該巖帶的穩定性差，片落、冒頂、跨塌現象常見。隨著采礦作業向深部拓展，引發的地壓活動危害問題將變得更為突出，為減少深部開采地壓災害的不利影響，加強小鐵山礦圍巖巷道變形監測，測試巷道圍巖松動圈厚度以及分析深部高應力條件下巷道圍巖變形特征，制定適合礦山的支護措施等是非常必要的[12]。

1 工程概況

1.1 監測原理

本次巷道圍巖收斂監測使用JSS30A型數顯收斂計，用于量測隧道、巷道、峒室及其它工程圍巖周邊任意方向兩點間的距離微小變化，達到評定工程穩定性，研究工程圍巖及支護的變形發展規律，確定合理支護參數的目的。

1.2 測點布置

經過與礦山討論并實地勘察，最終確定小鐵山巷道圍巖收斂監測點位置共4處，分別監測巷道的水平位移和垂直位移變化情況，監測點位置如下：1416 m水平1200穿脈；1416 m水平1050穿脈；1364 m水平1000穿脈；1304 m水平斜坡道聯絡道。在每個觀測斷面分別設置4個測點，即在巷道兩邦、頂底板各設1個測點，巷道圍巖收斂監測測點布置見圖1。

圖1 巷道圍巖收斂監測測點布置

1.3 監測結果

根據測量結果，監測點垂直位移和水平位移如圖2和圖3所示。

2 巷道松動圈測試

2.1 測試原理

巷道松動圈測試采用SR-RCT松動圈測試儀，本儀器應用于巖體測試，通過對被測巖體聲波參數的測試，可以對巖體內部結構進行分析，判斷巖體內部破壞情況，確定巷道松動圈范圍。

圖2 各測點垂直位移

2.2 測點布置

根據小鐵山巖性和地應力場分析，結合小鐵山生產現狀并進行現場實地調查，確定小鐵山巷道松動圈測試地點6處，分別為：1452 m水平775穿脈(Mπ3)；1416 m水平850穿脈(Mπ3)；1416 m水平850線以西沿脈巷(Mπ3)；1364 m水平850穿脈(Mπ3)；1364 m水平800線以東沿脈巷(Mπ3)；1316 m水平斜坡道(Mπ0)。

2.3 監測結果

通過對小鐵山礦巷道進行松動圈測試，得到各測孔的聲波曲線，由該曲線可以判斷沿孔深方向不同測點的聲速(聲時)，以測孔中不同深度的縱波速度為縱坐標，孔深為橫坐標，做出沿孔深方向不同測點的聲波曲線，即Vp-L曲線，找出曲線上的突變點，其所對應的孔深就為該孔的松動圈范圍值[13]。各測試地點的松動圈測試結果如表1所示。

表1 各測試地點的松動圈測試結果

2.4 巷道圍巖松動圈理論分析

當工程巖體處在巖石應力-應變彈塑性階段時，可釆用彈塑性力學的方法進行分析，則可以應用到超過脆-延轉化圍巖的全部應力-應變曲線區域。針對高應力圍巖進行彈塑性分析時，本文將做出如下假設：深埋圓形平巷且巷道近似無限長；原巖應力各向等壓；圍巖為理想彈塑性體；符合一般理想塑性材料的體積應變為零的假設，不考慮剪脹效應。

在基本理論方程和邊界條件下，經計算得到破碎區半徑：

(1)

式中，R0為巷道等效半徑，m；p為原巖應力，MPa；C為巖體內聚力，MPa；φ為巖體內摩擦角，(°)。

小鐵山各中段的運輸巷道采用下盤沿脈平巷與穿脈組成的盡頭式運輸方式，各運輸巷道主要布置在礦體下盤，因此本次計算以礦體下盤的石英角斑凝灰巖作為主要考慮對象，石英角斑凝灰巖物理力學參數見表2。

表2 石英角斑凝灰巖物理力學參數

根據現場調研，小鐵山巷道破壞情況以1416 m水平沿脈巷道最有代表性，因此本次計算以1416 m水平為例。根據小鐵山地形地質圖可知，1416 m水平950～825線沿脈巷道的埋深約為484 m，根據小鐵山地應力水平最大應力與垂直應力擬合公式，計算出1416 m水平最大應力為31.85 MPa，垂直應力為21.33 MPa。

由于分段沿脈平巷布置在礦體下盤與輔助斜坡道相連，斷面3.6 m×4.0 m，根據面積等效原理，計算出巷道的等效半徑R0=2.14 m；那么小鐵山1416 m水平沿脈巷道圍巖松動圈理論計算值Rp為：

同理，八中段及以下圍巖松動圈計算值見表3，圍巖松動圈計算值與垂直應力關系見圖4。

表3 八中段以下圍巖松動圈計算值

圖4 八中段以下圍巖松動圈計算值與垂直應力關系

3 小鐵山礦深部礦壓顯現分析[14]

3.1 巷道收斂變形監測分析

由圖2和圖3可以看出，小鐵山斷面的水平位移和垂直位移在斷面開挖1周后，圍巖變形加速，明顯的變形約在開挖后的7～21 d，因此支護應該在變形加速前及時進行，從而以支護構件的支護反力約束圍巖變形。分析小鐵山巷道位移變形的斜率，巷道斷面位移在14 d的時候變形加速明顯，因而巷道斷面支護時間應在14 d之前，而本次監測點多數位于穿脈巷道中，且穿脈巷道的長度較短，周圍的開挖影響范圍較小，考慮到正常的采動影響，建議小鐵山穿脈巷道的支護時間為斷面開挖后8～10 d。

由于沿脈巷道擔任階段內的運輸任務，布置測點影響正常的出礦活動，沿脈巷道沒有監測點。根據之前小鐵山巷道現場破壞調查結果，沿脈巷道與最大水平應力近似垂直，且巖層層理方向與沿脈巷道方向近似平行，這樣造成沿脈巷道比穿脈巷道變形嚴重，因此沿脈巷道變形加速階段應該比穿脈巷道更早，同時結合國內相關深井軟巖變形的文獻[15-17]，合理的支護時間約在1周左右，因此綜合考慮小鐵山沿脈巷道的支護時間應為5～7 d。

3.2 巷道松動圈測試分析

通過現場測試小鐵山巷道斷面圍巖松動圈，結果表明穿脈巷道的多數圍巖松動圈在1.5 m范圍以內，與理論值相近；而沿脈巷道圍巖松動圈在1.6 ～3.2 m范圍之內，普遍大于理論值，這是由于巷道支護形式和支護方法單一，同時支護錨桿未進入基巖，導致錨桿錨固不牢，另外支護措施沒有及時跟進，沒有起到限制圍巖變形的效果，在原巖應力的作用下，圍巖松動圈繼續發展，裂隙逐漸發展為裂縫引起局部巖體松動，甚至發生局部頂板冒頂，如1416 m水平850沿脈出現數次冒頂事件，因此，選擇合理的支護方式和支護時機對于限制圍巖松動圈具有重要的意義。

3.3 巷道支護措施

根據以上巷道變形監測與分析，結合小鐵山礦巷道圍巖特性、原巖應力分布特征及巷道破壞特征，提出如下巷道支護方案：

穿脈巷道：在初期支護8～10 d后，首先在頂板和兩幫進行打眼，然后進行掛網和安裝錨桿，錨桿之間用W型鋼帶連接，這樣鋼帶能夠提高錨桿整體支護效果，最后進行混凝土噴層，使凝灰巖與外界水分進行隔離，同時混凝土噴層使金屬網、錨桿、鋼帶與圍巖重新組合，形成加固拱，共同阻止拱外圍巖變形，限制巷道圍巖松動。

沿脈巷道：在初期混凝土噴層支護5～7 d后進行二次支護，首先在頂板和兩幫進行打眼，然后進行掛網，在頂板位置錨索與錨桿支護，把錨索錨固至圍巖深部，并施加預應力。這樣在巷道支護中，錨桿、錨索配合使用，形成錨桿、預應力錨索的加固群體，相鄰的錨桿、錨索的作用力相互疊加，組合成一個“承載層”，這個新的承載層厚度比單用錨桿成倍增加，能使圍巖發揮出更大的承載作用。

4 結 論

(1) 根據巷道收斂監測，分析數據得出小鐵山沿脈巷道最佳支護時機為5～7 d，穿脈巷道的最佳支護時機為8～10 d；

(2) 對巷道斷面圍巖松動圈進行現場測試，結果表明穿脈巷道的多數圍巖松動圈在1.5 m范圍以內，沿脈巷道圍巖松動圈在2～3 m范圍之內；

(3) 根據小鐵山巷道變形監測與分析，結合巷道圍巖特性、原巖應力分布特征及巷道破壞特征，穿脈巷道采用噴+網+錨支護方案，沿脈巷道采用噴+網+錨+索+帶支護方案。

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2017-06-14)

孟慧媚(1987-)，女，甘肅會寧人，助理工程師，主要從事采礦工程研究，Email：975773913@qq.com。