某銅礦深部軟巖破碎巷道變形機制研究

翁占斌 吳 鋒 魏海濤 彭劍平

（1.招金礦業股份有限公司，山東招遠265400；2新疆伽師銅輝礦業有限公司，新疆喀什844000）

由于近年來大規模的開采，目前國內大多金屬礦的開采深度已超過600 m，甚至部分礦山超過900 m［1-3］。隨著開采深度的增加，軟巖破碎巷道處于高地應力狀態，巷道圍巖很容易出現變形失穩破壞，給支護帶來很大的難題［4］。對此，國內外學者對軟巖巷道支護理論分析和現場應用做了大量的科學研究，并取得了一系列豐碩的成果。張紅軍等［5-6］針對圍巖變形規律和破壞機制，提出了以“錨注”為核心的“高強高預應力錨桿”和“錨注”聯合支護方法；柏建彪等［7］針對深部軟巖巷道應力大，變形嚴重的特點，提出了高水速凝材料注漿的方法加固巷道；張宇旭［7］基于地質力學測試，提出了注漿加固+高預應力錨索的聯合支護方法；孟慶彬等［9-10］針對破碎軟巖巷道變形劇烈，支護難的特點，創新性地提出了“錨網索噴+U型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯合支護方案。

伽師銅礦位于新疆省喀什市伽師縣，其礦體賦存于柯坪塔格背斜南翼下第三系下部碎屑巖層中，斷續延伸長度16.70 km，由3個礦段組成。含礦層以淺綠色、棕色中細粒砂巖、粉砂巖為主。巖層比較松散，巖體十分破碎，膨脹性較弱，遇水易泥化，穩定性較差。目前該礦已開采到深600 m以下，進入深部開采階段。由于針對伽師銅礦的軟巖巷道科研成果較少，缺乏正確的支護指導和支護對策，該礦現有的鋼支架+背板木頭支護方法，隨著開采深度的增加，不足以滿足巷道穩定的要求，出現片幫、冒頂甚至塌方，嚴重影響礦山開采效率及人員安全。本研究在現場監測、數值模擬及機理分析的基礎上揭示了軟巖巷道收斂變形規律，為礦山支護提供了理論依據。

1 巷道變形規律研究

1.1 監測儀器安裝

（1）數顯收斂計。數顯收斂計通過測量兩幫及頂板的位移來監測軟巖巷道表面位移，安裝示意如圖1所示，圖2為現場讀取監測數據圖。

（2）多點位移計。多點位移計通過不同讀數的差值來反應軟巖巷道內部位移，安裝示意如圖3。

1.2 數據處理及分析

1.2.1 軟巖巷道表面位移變化規律

巷道表面位移變化監測結果如圖4～圖6所示。

圖4中顯示1#斷面的3條測線在數值上均表現為收斂，且其收斂速率呈現出緩慢—快速—緩慢的趨勢；測線BC、AB和AC的收斂速率分別為0.079 cm/d、0.06 cm/d和0.05 cm/d。圖5中可以看出2#斷面的測線BC、AB和AC的收斂速率為0.06 cm/d、0.015 cm/d、0.051 cm/d。圖6顯示3#斷面的3條測線收斂速率呈現出的緩慢—快速—緩慢的趨勢，其中測線BC、AB和AC的收斂速率分別為0.057 cm/d、0.059 cm/d和0.03 cm/d，測線BC與測線AB表現為穩步收斂，而測線AC變化頻繁，收斂不顯著。

綜上所述，巷道表面位移的收斂速率呈現出緩慢—快速—緩慢的趨勢，巷道水平方向收斂量大于垂直方向，由于鑿巖爆破的影響，在前期收斂較快，后期趨于穩定；鋼支架+背板木支護方式雖然在一定程度上能夠較好地支護巷道頂板，但隨著時間進行，巷道兩幫收斂速度會越來越快，該方式不能有效保護兩幫的變形，可能造成嚴重的安全事故。因此，為達到最佳的支護效果，應對兩幫巖體進行有效支護。

1.2.2 巷道內部位移變化規律

每個鉆孔共布置3個基點，深基點3.0 m，中部基點2.0 m，淺基點1.0 m，將監測的結果進行統計分析，圍巖位移變化規律如圖7～圖9所示。

由圖7可知，兩幫的位移變化較為明顯，深度為1 m、2 m及3 m處的巖體位移變化平均值分別為1.1 mm、0 mm、-0.2 mm（根據多點位移計設計原理，測得的值若為負值，則說明該孔處的巖體向外發生了移動）。圖8顯示不同深度處的巖體位移均較小，深度為1 m、2 m及3 m處的巖體位移變化平均值分別為-0.1 mm、-0.5 mm與0.5 mm，推測在2～3 m深度之間可能存在斷層結構或該深度范圍為該中段礦巖的松動圈范圍。由圖9可以看出，兩幫巖體的位移在深度為1 m、2 m及3 m處的巖體位移變化平均值分別為-0.3 mm、0.3 mm與0.8 mm，表明在1～2 m深度之間可能存在一定的斷層結構或該深度范圍為該中段礦巖的松動圈范圍。

根據工程地質調查結果，監測區域內無明顯斷層結構，故可以推測出監測區域內監測到的位移為松動圈導致，綜上所述，可以推測出礦巖的松動圈范圍介于2～3 m之間。

2 軟巖巷道變形規律數值模擬

2.1 模型的建立

根據圣維南原理，巷道的開挖會對周圍3～5倍的圍巖產生一定程度的影響，同時考慮到模型計算的速度，因此確定整個模型的范圍為：垂直巷道走向為X方向，沿巷道走向為Y方向，豎直方向為Z方向，建立的模型尺寸長×寬×高為15.4 m×10 m×28.3 m。采用有限元軟件FLAC3D建立整個巷道的三維模型。

模型的邊界條件：對模型的左、右2個面設置為X方向的水平位移約束，對前、后2個面設置為Y方向的水平位移約束；計算中首先進行初始化，然后將初始化后的位移和速率清零；由于模型距地表600 m左右，在模型的底部施加水平和豎直方向的約束，同時對整個模型施加自重應力場。主要巖體力學參數如表1所示。

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2.2 模擬方案與目標

在相同礦井地質條件下，模擬地應力作用下，拱形與矩形2種斷面巷道圍巖塑性區分布規律、圍巖主應力分布規律、圍巖最大剪應力分布規律、圍巖變形規律等。由于巷道模型對稱，因此，只分析一半模型即可。模擬方案為軟巖巷道采用矩形設計。

2.3 模擬結果

（1）軟巖巷道圍巖塑性區分布規律。圖10顯示了巷道的頂、底板和兩幫均出現了較大的剪切塑性區。從圖10可以看出巷道塑性區頂板最大深度為3 m，兩幫的塑性區深度為3 m，底板塑性區深度為1.8 m，這與巷道內部位移監測結果得出的最大松動圈3 m相符，驗證數值模擬的準確性。

（2）軟巖巷道圍巖變形規律。圖11中顯示兩幫向巷道中心移動，兩幫的中心處水平位移最大，兩幫的最大移近量為26.07 cm。圖12可以看出巷道的頂板發生下沉，底板出現局部底鼓，頂板和底板的中心處垂直位移最大，巷道頂板的最大下沉量為23.87 cm，底板上升位移為11.78 cm。計算結果相比巷道表面位移變化監測結果偏小，表明巷道圍巖實際情況較為破碎。

綜上所述，巷道的頂、底板和兩幫均出現了較大的剪切塑性區，塑性區最大深度為3 m，兩幫向巷道中心移動，巷道的頂板發生下沉，底板出現局部底鼓，頂板和底板的中心處垂直位移最大。巷道兩幫相比頂板的圍巖內部位移變化明顯，同一斷面中深度在1 m和2 m處的位移變化量均為負值（向巷道內部移動），3 m處位移變化量為正值，經調查區域內無明顯斷層結構，確定礦巖的松動圈范圍介于2～3 m之間。

3 軟巖巷道破壞機理

3.1 巷道圍巖變形的時間效應

（1）變形量大。由于軟巖巷道具有圍巖應力較高、強度低、結構完整性差、泥化易風化等特征，在支護強度不足夠大的時候，巷道圍巖巨大的塑性變形能以及破碎巖體碎脹變形量必須釋放出來。在巷道變形過程中，就是能量釋放的過程，釋放能量必須以巷道變形表現出來，因此巷道開挖后，巷道變形量較大，巷道圍巖松動圈范圍大，破裂區、塑性區半徑大。

（2）初期變形速率大。由于原巖應力高，開挖卸荷迅猛，來壓快，故巷道初期變形速率大，巷道開挖后的初期變形量和變形速率均很大。初期巷道頂板變形速率一般為0.158～0.26 cm/d，巷道兩幫變形速率一般為0.25～0.55 cm/d。

（3）變形持續時間長。根據巷道變形規律分析結果及變形跡象可知，巷道在初期變形速度很大，變形趨向穩定后仍以較大速度持續流變，且持續時間很長，其變形具有明顯的時效性。這種變形表現出蠕變的3個變形階段：減速蠕變、定常蠕變及加速蠕變。巷道開挖完以后，由于開挖卸荷的影響，導致巷道初始變形比較劇烈。巷道支護以后，其變形進入緩慢變形階段，由于支護強度不夠，導致變形速率無明顯降低，巷道繼續變形，達到穩定變形階段。

3.2 巷道圍巖變形的空間效應

巷道來壓方向多表現為四周來壓。頂板、低板和兩幫發生顯著變形和破壞，如不對頂、底板和兩幫采取有效控制措施，則會加劇頂、底板和兩幫的變形和破壞。巷道變形規律表明，4個月的巷道頂板下沉量為9～25 cm，兩幫的移近量為24～52 cm。巷道圍巖頂板和兩幫區域空間效應示意圖如圖13所示。

4 結論

（1）巷道兩幫相比頂板的圍巖內部位移變化明顯，同一斷面中深度在1 m和2 m處的位移變化量均為負值（向巷道內部移動），3 m處位移變化量為正值，經調查區域內無明顯斷層結構，可以推測出礦巖的松動圈范圍介于2～3 m之間。

（2）巷道表面位移的收斂速率呈現出緩慢—快速—緩慢的趨勢，巷道水平方向收斂量大于垂直方向，由于鑿巖爆破的影響，前期變化較快，后期收斂趨于穩定。

（3）數值模擬表明巷道頂、底板和兩幫均出現了較大的剪切塑性區，兩幫向巷道中心移動，巷道的頂板發生下沉，頂、底板和兩幫的中心處位移最大，與巷道變形規律一致。

（4）軟巖巷道具有典型的時空效應，具有變形量大，初期變形速率大，變形時間長的特點，巷道來壓方向多表現為四周來壓，頂板、低板和兩幫發生顯著變形和破壞，如果工程持續時間較長，大范圍非線性流變現象趨于明顯，將對巷道穩定性造成大的影響。

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