金川二礦區深部高應力碎裂圍巖巷道卸讓壓支護試驗*

馬建龍 顧金鐘 張 超 李思佑 陳懷利

(1.金川集團股份有限公司鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室；2.金川集團股份有限公司鎳鈷設計研究院；3.金川集團股份有限公司二礦區)

金川礦區地應力高、巖體節理裂隙發育導致礦巖破碎，表現出巖塊強度高、巖體強度低的特點，巖體結構面破壞機理和破壞模式導致巖體整體“散”而不是“軟”，其巖體在低應力環境下發生松散垮冒，而在高應力環境中則顯現碎脹蠕變。隨著礦山深度的增加，地應力加大，巖體的流固耦合作用日趨突出，加大了金川礦山深部巷道的掘進、支護難度[1]。經過半個世紀的回采，淺部礦床已經消耗殆盡，陸續轉入深部開采，尤其突出的是二礦區正在建設的700 m水平開拓工程所面臨的高地壓、高溫、高滲透壓的“三高”問題給高效、安全、可持續深部開采帶來困難。2017年中國地質科學院地質力學研究所在850 m水平(垂深接近1 000 m)大理巖(ML)巖體中進行幾個地應力測試，結果顯示42 MPa左右。隨著采礦深度的增加地應力增大明顯、巷道的變形大、支護體開裂嚴重，甚至局部巷道在二次支護后沒有趨于穩定，就面臨失穩的狀態，因此，必須針對具有特殊工程地質類型的巷道進行必要的支護試驗研究，尋求一種高效、穩定的聯合支護方式以滿足深部巷道掘進施工要求。

1 工程概況

金川二礦區位于一、四礦區之間，二輝橄欖巖(Σ3)巖體長3 000 余m，介于斷層F16-1與F23之間，除東端46～52行隱伏于第四系之下，52行以東侵沒于混合巖中，其余地段均出露地表。巖體自西向東逐漸變寬，最寬38行達530 m左右，38行以東又逐漸收縮，呈兩端窄中間寬形態。巖體走向為310°，西端受斷層影響有明顯的偏轉而呈北東東向；巖體傾向南西，傾角為50°～80°[2]。二礦區主要開采6～30行區域，開拓巷道主要集中在礦體上盤，隨著巖層距離含礦巖體二輝橄欖巖(Σ3)越近，其受巖漿巖成礦巖體的影響越明顯，工程地質條件較差，尤以大理巖(ML)、混合巖(Mi)接觸面附近和大理巖(ML)巖層突出，而開拓工程中分斜坡道、分段道、分層聯絡道等工程就處于該類型巖層中，巖層以混合巖(Mi)和大理巖(ML)為主，產狀310°∠70°左右，伴有斜長角閃巖(Am-p)頻繁穿插，巖體穩定性差，巷道圍巖破碎，變形大。

2 深部巷道卸讓壓支護技術

金川深部高應力碎裂巷道圍巖的變形機理和失穩模式表現出復雜和動態特征，而地壓類型和失穩模式隨支護形式和時間發生改變，在巷道掘進初期，圍巖釋放變形較快，巖體軟弱結構面發生剪脹滑移，圍巖變形急劇增大，巖體質量迅速降低，變形達到某一量值，圍巖強度接近殘余強度，變形地壓轉為散體地壓，發生片冒和垮塌，支護難以控制碎裂蠕變變形，巷道變形持續發展。選擇合理的聯合支護方式尤為必要，其支護方式必須鋼柔兼備，讓抗自如，具有緩慢釋放壓力，并能迅速控制變形的特征[1]。

巷道卸讓壓支護技術是充分利用圍巖的自身承載能力輔以支護措施的支護能力共同作用維護巷道穩定的技術，圍巖的適當變形可以發揮圍巖的自身承載能力，減少支護的承載強度和剛度，圍巖變形過大，破壞的圍巖將失去自身承載能力，增加支護荷載，甚至破壞支護，使巷道失穩；關鍵是一次支護強度、卸壓時間和二次支護的強度，一次支護有一定支護剛度，保持圍巖的適當變形，發揮圍巖的自身承載能力，卸壓一定時間，使圍巖應力釋放，進行二次支護使巷道趨于穩定。也是借鑒新奧法施工理念，一次支護與掘進同時進行，達到在應力重新分配過程的不均衡分布造成的適當放壓，并保持一定的強度維護圍巖的自承能力，放壓一段時間后進行二次支護，控制圍巖的過度放壓，避免失穩。

3 深部巷道支護試驗

3.1 試驗巷道的選擇

二礦區深部開采工程現階段施工的巷道主要是700 m水平運輸平面巷道、850 m水平向下延伸的主斜坡道和分斜坡道。700 m水平運輸巷道在700 m水平車場附近，圍巖主要以混合巖(Mi)和大理巖(ML)為主，伴有斜長角閃巖(Am-p)穿插，距離礦體1 km左右，巖體穩定，采礦擾動小，巷道變形小；主斜坡延伸工程從810 m破碎站向下延伸，巖性主要為混合巖(Mi)，偶見大理巖(ML)、混合巖(Mi)互層，巖體穩定，巷道變形小；分斜坡道延伸工程從850 m水平材料車場向下巖石，巖性為混合巖(Mi)和大理巖(ML)，斜長角閃巖(Am-p)頻繁穿插其中，局部位置在主要巖層混合巖(Mi)和大理巖(ML)接觸面附近，巖體穩定性差，巷道圍巖破碎，變形大。故選擇深部工程分斜坡道延伸工程為試驗巷道。

3.2 試驗巷道工程地質條件

深部開采工程分斜坡道延伸工程自850 m水平開始至814 m分段道確定為試驗巷道，其地質平面見圖1。其中，有15 m長巷道為鋼筋計、應力計、收斂變形監測點(距5#點35 m)；13#～2#點、3#～5#點巷道圍巖為混合巖(Mi)，薄層斜長角閃巖(Am-p)頻繁穿插，工程地質條件差，巖石破碎，圍巖整體性差，掘進過程中有片幫、垮幫現象；2#～3#點巷道圍巖為大理巖(ML)，有薄層斜長角閃巖(Am-p)頻繁穿插，同時與混合巖(Mi)、大理巖(ML)接觸面較近，圍巖整體性差，巖石破碎，工程地質條件差，掘進過程中有片幫、垮幫現象。

圖1 二礦區850～814 m分斜坡延伸工程地質平面

3.3 試驗巷道支護設計

二礦區深部開采分斜坡道延伸工程施工階段支護設計[3]：

(1)支護方案一。毛斷面為4.4 m×4.5 m(凈斷面4.0 m×4.0 m)，2次支護均采用錨桿+鋼筋網+噴射混凝土支護，距掌子面不超過30 m，并放壓30 d后進行二次支護。錨桿規格為φ22 mm×2 250 mm,間排距為1 m×1 m，水泥砂漿全長錨固;鋼筋網采用φ6 mm、網度150 mm×150 mm鋼筋制作;噴射混凝土等級為C25，噴射厚度為100 mm/次。施工過程為畫中心及輪廓—打眼—裝藥、放炮、通風、安檢、撬頂—打拱頂及上直墻錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—噴漿—出毛—打下直墻錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—噴漿—循環掘進—放壓30 d—布二次錨桿眼—打錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—噴漿，支護完成。

(2)支護方案二。毛斷面為4.9 m×4.75 m(凈斷面4.0 m×4.0 m)，采用2次支護，第一次采用錨桿+鋼筋網+噴射混凝土支護，第二次支護采用單層鋼筋混凝土+內注式砂漿錨桿，距掌子面不超過30 m，并放壓30 d后進行二次支護。錨桿規格為φ22 mm×2 250 mm，間排距為1 m×1 m，水泥砂漿全長錨固；鋼筋網采用φ6 mm、網度150 mm×150 mm鋼筋制作；噴射混凝土等級為C25，噴射厚度為100 mm/次。第二次支護混凝土等級為C30，厚350 mm，注漿錨桿采用φ32 mm×3 000 mm無縫鋼管制作，間排距為2 m×2 m。施工過程為畫中心及輪廓—打眼—裝藥、放炮、通風、安檢、撬頂—打拱頂及上直墻錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—噴漿—出毛—打下直墻錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—噴漿—循環掘進—放壓30 d—綁扎單層鋼筋—支模—澆混凝土—拆模—布注漿錨桿—打注漿錨桿眼—安裝注漿錨桿—注漿，支護完成。

(3)支護方案三。毛斷面為4.9 m×4.75 m(4.5 m×4.55 m)，采用2次支護，加強第一次采用錨桿+鋼筋網+鋼拱架+噴射混凝土支護，第二次支護采用錨桿+鋼筋網+噴射混凝土支護單層支護，距掌子面不超過30 m，并放壓30 d后進行二次支護。錨桿采用φ22 mm×2 250 mm，間排距為1 m×1 m，水泥砂漿全長錨固；鋼筋網采用φ6 mm、網度150 mm×150 mm鋼筋制作；鋼拱架間距為1 m；噴射混凝土等級為C25，噴射厚度為100 mm/次。第二次支護參數與第一次支護相同(不采用鋼拱架)。施工過程為畫中心及輪廓—打眼—裝藥、放炮、通風、安檢、撬頂—打拱頂及上直墻錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—架設鋼拱架拱頂—噴漿—出毛—打下直墻錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—架設鋼拱架拱腳—噴漿—循環掘進—放壓30 d—布二次錨桿眼—打錨桿眼—掛網—安裝錨桿錨固—噴漿，支護完成。

4 圍巖監測

4.1 松動圈對比

在分斜坡深部道延伸工程13#～3#點選取3個點，分別在巷道的拱角上下0.5 m位置垂直于巷道壁打孔，進行松動圈測試。測試結果顯示，雙層噴錨網支護方式(方案一)的巷道拱角上0.5 m位置2#點的圍巖松動圈均為2.25 m，拱角下0.5 m位置2#點的圍巖松動圈均大于2.05 m；雙層噴錨網+鋼拱架支護方式(方案三)拱架上下0.5 m位置的圍巖松動圈均為1.85 m；在同類型的工程地質條件下支護方案三有效遏制巷道圍巖裂隙范圍擴大，支護錨桿長2.25 m，錨桿底端處在松動圍巖內，達不到最優錨固效果，使支護方案一在該類型的工程地質條件下支護失效，支護方案三優于支護方案一，必須在此支護方案的基礎上，輔以鋼拱架、注漿等支護方式，遏制巷道圍巖裂隙逐步延伸。

4.2 支護體外觀觀察

二礦區深部開采工程分斜坡延伸工程從850 m水平向深部延伸，從2016年2月開始進行13#點～3#點掘進施工，2016年7月掘進施工至距3#點15 m，共完成88 m，采用支護方案一施工，巷道圍巖為混合巖(Mi)，斜長角閃巖(Am-p)穿插頻繁，巖石破碎，巷道右側距混合巖(Mi)、大理巖(ML)接觸面較近，圍巖整體穩定性較差，在二次支護完成后，巷道整體沒有趨于穩定，收縮變形較大，支護體外觀表現在兩幫支護體在腰線附近及以上開裂，巷道凈斷面收縮嚴重，已處于失穩狀態，不能滿足于下面巷道的掘進使用，于2017年11月開始返修。支護體外觀觀察結果表明，在該類型工程地質條件下，支護方案一支護失效。

分斜坡延伸工程距3#點5 m處20 m施工于2016年8月結束，共完成20 m。采用支護方案二施工，巷道圍巖一段為混合巖(Mi)，一段為大理巖(ML)，斜長角閃巖(Am-p)穿插頻繁，巖石破碎，圍巖混合巖(Mi)、大理巖(ML)接觸面斜切巷道，巷道左、右幫距混合巖(Mi)、大理巖(ML)接觸面較近，圍巖整體穩定性較差，支護完成后巷道的整體趨于穩定，一段時間后，在巷道的右上45°～90°有一條沿巷道延伸方向左幫向上、右幫向下的剪切裂縫(圖2)，裂縫一直處于擴大狀態，有一定的安全隱患，存在施工速度慢、成本高的缺點。

圖2 支護方案二支護后效果

分斜坡道延伸工程距3#點5～15 m、3#點向前15 m到4#點彎道施工于2016年11月結束，4#～5#點施工于2017年3月結束。采用支護方案三施工，3#～5#點圍巖在3#點開始為大理巖(ML)，至19 m位置逐漸變為混合巖(Mi)，斜長角閃巖(Am-p)穿插頻繁，巖石破碎，圍巖整體穩定性較差；考慮到鋼筋混凝土施工速度慢，成本高，先用鋼拱架代替，輔以大斷面掘進，觀察巷道的收斂情況，決定是否增加鋼筋混凝土支護；二次支護后從外觀觀察巷道整體性較好，支護體無開裂、無鼓包等，至2018年3月巷道穩定性較好，無開裂現象。對比支護方案一、二在巷道的整體穩定性、支護體完整度上，支護方案三的支護效果最好，為最優方案，并做出相應的巷道變形監測和分析。

4.3 支護方案三巷道變形監測

2017年3月初巷道一次支護完成，4月初進行二次支護施工，4月17日噴射混凝土完成，進行巷道的收斂變形監測，每2 m設置1個監測斷面，每個斷面設置6個監測點，7個監測斷面，使用激光測距儀測量兩點之間的距離，每兩周監測1次，選取巷道的凈寬、左斜右高、右斜左高的監測數據，以二次支護完成后開始按0—0.5月、0.5—1月、1—6月、6—7月7個斷面的日變形情況進行統計分析，結果見表1～表3、圖3～圖5。可以得出，巷道凈寬0—0.5月變形速率為0.000 1～0.006 1 m/d，0.5—1月變形速率為0.000 1～0.000 5 m/d,1—6月變形速率為0～0.000 1 m/d,6—7月變形速率為0～0.000 5 m/d；巷道左斜右高0—0.5月變形速率為0.001 6～0.019 1 m/d，0.5—1月變形速率為0.000 2～0.003 1 m/d,1—6月變形速率為0～0.000 3 m/d,6—7月變形速率為0.000 2～0.001 7 m/d；巷道右斜左高0—0.5月變形速率為0.000 4～0.002 5 m/d，0.5—1月變形速率為0.000 1～0.001 3 m/d,1—6月變形速率為0～0.000 3 m/d,6—7月變形速率為0.000 4～0.001 3 m/d。二次支護后1個月巷道的凈寬、左斜右高、右斜左高都趨于穩定，收斂變形速率趨于0 m/d(0～0.000 3 m/d),6個月以后變形速率開始變大(0～0.001 7 m/d)，說明巷道穩定期在二次支護后6個月，支護效果較好，6個月以后巷道逐漸變得不穩定，變形速率加大，建議在該階段進行相應加固措施，以延長巷道的使用壽命；同時表現出巷道豎向變形大于橫向變形，表明巷道的失穩先從豎向開始，在支護過程中要考慮加強豎向的支護強度，使巷道頂部圍巖穩定，發揮拱頂支護體各部位作用，減輕由頂部圍巖的荷載向兩幫圍巖傳導，防止巷道兩幫腰線位置斷面收縮、支護體開裂等問題。

5 錨桿孔切割卸壓分析

錨桿孔切割卸壓分析主要針對850～814 m分斜坡道延伸工程4#～5#的2段巷道，一段是安裝了鋼筋計和應力計的巷道，位置在距5#點35 m處15 m 長的鋼筋計安裝段，鋼筋計安裝在二次支護時的錨桿孔內(代替原有錨桿)，二次支護是11個錨桿，而只有5個鋼筋計，施工了11個錨桿孔，由于錨桿孔和鋼筋計孔徑不匹配，使原部分錨桿孔(5個)作廢，重新施工了鋼筋計孔；另一段巷道是鋼筋計安裝段以上至4#點的巷道。2段巷道于2017年4月17日同時完成二次支護，從支護體外觀觀察鋼筋計安裝段巷道支護體無開裂、無鼓包，整體性較好，而鋼筋計安裝段以上至4#點的巷道于2017年10月右幫局部位置腰線以上出現開裂、鼓包、逐漸向內收斂明顯等問題(圖6)。

表1 巷道凈寬變形數據統計

表2 巷道左斜右高變形數據統計

表3 巷道右斜左高變形數據統計

圖3 巷道凈寬變形速率曲線◆—斷面1；■—斷面3；▲—斷面5；×—斷面7； ★—斷面9；●—斷面11；▼—斷面13

鋼筋計安裝段以上至4#點的巷道一次和二次支護時間間隔太長而造成卸壓過度，使圍巖失去部分自承能力，導致支護效果不佳，但是從支護體外觀觀察該段巷道有一定穩定期，不符合卸壓過度支護體變形現象，只是表現出穩定期較短，如果卸壓過度，其巷道穩定期很短或沒有趨于穩定，說明該段巷道支護體開裂不是卸壓過度造成的。鋼筋計安裝段作廢錨桿孔不易使圍巖形成局部的應力集中而導致的巷道開裂變形，說明一定數量孔口密封的空置錨桿孔對巷道圍巖有一定卸壓作用。

圖4 巷道左斜右高變形速率曲線◆—斷面1；■—斷面3；▲—斷面5；×—斷面7； ★—斷面9；●—斷面11；▼—斷面13

6 結 語

借鑒淺部巷道卸讓壓支護經驗，選取二礦區深部開采工程分斜坡延伸工程850～814m段作為試驗地點，根據工程地質條件選取了不同的支護方案，在施工過程中依據巷道的支護效果對方案進行修正，通過巷道圍巖松動圈對比、支護體外觀觀察、道收斂變形監測等方法對3 種支護 方案的支護效果評價，分析了各支護方案在讓卸壓 過程中存在的問題、巷道圍巖的裂隙發育情況、支護 體外觀情況、巷道凈斷面收斂變形規律。在金川礦 山深部高應力碎裂巖體混合巖( Mi) 、大理巖( ML) 接觸面區域范圍內，斜長角閃巖( Am-p) 頻繁穿插， 工程地質條件差，支護方案三為最優方案; 支護方案 三中鋼拱架有效解決了方案一第一次支護強度不夠及放壓過快使圍巖應力分布不均衡問題，有效遏制 了一次支護后巷道快速變形、局部位置放壓過度和 巷道圍巖裂隙延伸的問題，卸壓時間大于30 d 較為 合理; 支護方案三施工的巷道穩定期在二次支護后 6 個月，其后巷道逐漸趨于失穩狀態，巷道失穩從豎 向向兩幫傳導，表現出兩幫支護體先開裂、巷道豎向 斷面收斂的現象，建議在該階段進行相應加固措施， 以延長巷道的使用壽命; 支護方案一失效的主要原 因是錨桿全長處于圍巖松動圈范圍內，不能有效遏 制巷道圍巖的變形; 在支護方案三條件下，一定數量 的孔口密封空置錨桿孔對巷道圍巖有一定卸壓作 用，不易使圍巖形成局部的應力集中而導致巷道開 裂變形; 本次試驗只得出了該類型的工程地質條件 下的支護方案，還需對二礦區深部主要工程地質條 件下的各組合支護方案進行研究，防止出現支護失 效的情況。

圖5 巷道有斜左高變形速率曲線◆—斷面1；■—斷面3；▲—斷面5；×—斷面7； ★—斷面9；●—斷面11；▼—斷面13

圖6 鋼筋計安裝段以上至4#點巷道穩定期后效果