劉塘坊鐵礦3#礦體下盤深部脈外巷道圍巖剝落原因分析及處理措施

石國華 白 銀 石廣斌

(1.中鋼集團劉塘坊礦業有限公司，安徽 六安 237471；2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

0 引言

劉塘坊鐵礦礦區位于吳集-周集蚌埠期褶皺帶中段，構造特征以褶皺為主，斷層不發育，構造簡單。一般性斷層按方向分為三組：近南北向斷層組、北西-南東向斷層組、北東-南西向斷層組。較大的近南北向斷層有三條，分別位于周集、吳集兩側，造成第三系、白堊系與太古界，上太古界與震旦系直接接觸，推測為高角度正斷層。北西-南東向斷層位于周集、吳集及西側低丘區，為一組橫向逆沖斷層。兩組斷層對礦體有破壞作用。從現場來看，斷層破碎帶影響范圍在20 m左右，在-500 m層礦塊回采時，脈外巷道開始會發生輕微剝落破壞，剝落層的厚度一般為1～5 cm，面積較小的不到0.5 m2,大的達到10 m2。當采場回采到-487 m層礦塊時，巷道圍巖剝落破壞范圍和厚度都有所加大，不僅在斷層破碎帶，其他區域的巷道圍巖也存在，巷道圍巖剝落破壞的位置主要位于墻部，拱部基本完好。針對破壞情況，從地壓變化方面著手，分析巷道圍巖剝落破壞原因，并結合工程地質特性分析，參考了類似工程和規范，提出相應的處理，起到了良好的技術經濟效果。

1 礦體下盤巖體的工程地質基本特性

1.1 工程地質基本條件

礦體上盤巖石主要為斜長角閃片麻，下盤有斜長角閃片麻、花崗片麻巖等。通過對北部3號礦體上下盤巖體結構面分布情況進行調查巖體，從現場調查情況來看，巖體呈層狀優勢非常明顯，緩傾斜節理裂隙占絕對優勢。礦體下盤巖體基本屬于厚層狀～中厚層狀結構巖體，礦體上盤基本屬于中厚層狀～薄層狀結構巖體。用RMR巖體質量分類的方法來對巖體質量分級，礦體中巖體結構面很發育，間距為5～8 cm，RMR=54，屬于Ⅲ類巖體偏下；上盤巖體結構面比較發育，間距為9～33 cm，RMR=62,屬于Ⅱ類巖體偏下；下盤巖體結構面也比較發育，間距為10～62 cm，RMR=68,屬于Ⅱ類巖體偏下。下盤巖體整體狀況要好于上盤巖體。 礦巖表現出較強的脆硬性，巖石單軸抗壓強度為71.1～169.8 MPa，平均130.37 MPa。

1.2 巖體力學參數分析

在巖樣單軸抗壓和三軸試驗的基礎上，用Hoek提出的以巖石試樣力學參數來估算巖體力學參數[1-3]，得出巖體物理力學特性指標，見表1。

表1 劉塘坊鐵礦巖體物理力學理力學特性指標

2 采場回采過程中地壓變化對巷道

圍巖應力影響

2.1 平面有限元模型

礦床開采采用向上水平分層充填法，由高程-500 m,逐步向高程-457 m回采。脈外巷道斷面形式為城門硐，開挖凈斷面尺寸有三種，即開挖尺寸為3.25 m×3.33 m(跨度×高度)、3.6 m×3.4 m、3.4 m×3.4 m，相互之間相差不多，巷道與礦體相對位置關系見圖1。為了分析采場回采過程地壓變化對巷道圍巖應力影響，采用彈塑性有限元法，其模型范圍為450 m×500 m，回采工作面到模型邊界最短長度為130 m，巷道到模型邊界最短凈長度為217.8 m。模型單元網格如圖2。模型x軸垂直巷道，y軸豎直，z軸沿著巷道縱軸。

圖1 巷道與礦體相對位置關系示意圖

圖2 模型單元網格

計算模型四周為固端約束，施加初始最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力值隨埋深變化的回歸曲線方程(1)～(3)。

σhmax=-0.244 4+0.032 6 H

(1)

σhmin=-1.387 2+0.020 7 H

(2)

σz=-0.068+0.022 9 H

(3)

式中：σhmax—最大水平主應力；σhmin—最小水平主應力；σz—垂直主應力；H—埋深，m。

計算首先是模擬巷道掘進，然后模擬礦體由高程-500 m，逐次分階段向上回采，直至高程-442 m。

2.2 數值計算結果與分析

2.2.1 巷道掘進

巷道開挖后，巷道周圍一定范圍內的地壓會發生較大幅度的變化，其周邊出現較大拉應力，尤其是棱角處，最大主拉應力為5.9 MPa，大于巖體抗拉強度(0.42 MPa)，甚至大于巖石的抗拉強度(2.5～9.3 MPa)，最大主壓力值達到66.3 MPa，也大于巖體抗壓承載強度(10～15 MPa)，甚至接近巖石的單軸抗壓強度。

受巷道開挖后圍巖應力二次調整，局部圍巖進入塑性狀態，塑性區深度0.7 m，如圖3。巷道變形為頂拱變形為6.05 mm，水平收斂變形為16.63 mm，是巷道跨度的0.46%，參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB50086-2015)，小于1.2%，說明巷道在掘進挖過程中，圍巖整體是穩定的；錨桿長度為2 m，大于圍巖塑性區深度0.7 m，滿足要求。

圖3 巷道開挖后周邊圍巖塑性單元

2.2.2 礦體回采過程

由于礦石回采，巷道和采場周圍一定范圍內的地壓會發生較大幅度的變化。當采場回采時，巷道的塑性區逐漸發生變化，當高程-500～-487 m回采時，巷道圍巖塑性區基本沒有變化，但表現出部分卸荷特征，這時采場與巷道距離較遠，兩者相距的距離大于巷道跨度的10倍，約是采場頂板橫向跨度的一倍。隨著階段回采進展，巷道圍巖塑性區也在不斷發展,如圖4。

(a)高程-500～-487 m回采 (b)高程-487～-472 m回采(c)高程-472～-457 m回采(d)高程-457～-442 m回采 圖4 階段回采過程中的巷道圍巖塑性區延展狀態

巷道圍巖應力基本表現為受壓，沒有拉應力。隨著階段回采進展，脈外巷道設置6個觀測點的最大主壓應力變化如圖5，其位置見圖1。從6個觀測點的第一主壓應力變化過程可清楚看出，隨著巷道的掘進和采場回采階段的增加，第一主壓應力也逐漸增加，相對應的第三主壓應力會有所降低，如觀測點A1，第一主壓應力由18.07 MPa增加到107.15 MPa，而其第三主壓應力由16.16 MPa降低到14.80 MPa，如此地壓大幅度增加會增加圍巖塑性區的發展。可以用圖6的力學作用模式來解釋脈外巷道素噴混凝土和圍巖剝落掉塊機制，當巷道掘進后，第一主壓應力變為切向，巷道墻壁淺表層處于切向擠壓，隨著階段回采進展這種擠壓力會逐步增加，當增加到一定的量值時，巷道墻壁就會發生擠壓劈裂破壞，所表現出的宏觀現象即是巖層剝落掉塊，如圖7。因此可以認為巷道周邊產生的破壞是由礦體回采過程中巷道周圍的地壓明顯增加所致。

圖5 脈外巷道監測點A1和A2最大主壓力應力變化過程

圖6 力學作用模式示意圖

圖7 脈外巷道素噴混凝土和圍巖剝落破壞現狀

根據計算結果，建議脈外巷道布置時，其與下盤礦巖交界面之間的最近距離宜在15～30 m，圍巖類別高時取小值，低時取大值。

3 處理措施

脈外巷道圍巖原支護參數為：拱部為噴錨網支護，噴射混凝土厚10 cm；邊墻為素噴混凝土支護，噴射混凝土厚5 cm。根據脈外巷道圍巖破壞特征與現有的圍巖支護措施，結合采場回采過程地壓變化對巷道圍巖應力影響，同時還參考了類似工程和規范[4-6]，提出巷道圍巖補強措施為錨網噴。錨桿直徑為18 mm，長度為1.8 m，間排拒距為1 m×1 m；鋼筋網直徑為6 mm，網孔間距為100 mm×100 mm，噴混凝土強度為C20,厚度為10 cm，如圖8。從實施后的情況來看，圍巖剝落得到了有效控制。

圖8 脈外巷道破壞與補強支護現場照片

4 結語

1)通過工程地質測繪和統計分析，并由RMR巖體質量分類法得出巖體質量分級，即礦體中巖體結構面很發育，屬于Ⅲ類巖體偏下；上盤巖體結構面比較發育，屬于Ⅱ類巖體偏下；下盤巖體結構面也比較發育，屬于Ⅱ類巖體偏下；下盤巖體整體狀況要好于上盤巖體。

2)基于礦巖巖樣抗壓強度試驗的物理力學特性指標，應用Hoek-Brown準則，推算巖體力學參數，并應用數值分析中。

3)通過數值分析揭示了脈外巷道圍巖發生剝落破壞機制，并且佐證了剝落破壞是由礦體回采所造成下盤脈外巷道圍巖應力調整，而導致巷道圍巖發生劈裂破壞。

4)根據脈外巷道圍巖破壞特征和數值分析結果，提出巷道圍巖補強措施，并經實踐驗證，圍巖剝落得到有效的控制。