基于多因素耦合影響軟巖巷道破壞機理及控制對策研究

王志修，于世波，董凱程，黃發凱

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628；3.新疆亞克斯資源開發股份有限公司，新疆 哈密 839000)

目前，礦山開采深度逐年增加，礦山深部開采面臨更多的問題。其中深部軟弱礦巖條件礦山，面臨采動地壓顯現強烈、巷道圍巖變形嚴重、支護成本指數倍增等問題，對該類型礦山安全、經濟生產造成巨大影響[1-2]。因此，深部礦山軟弱圍巖巷道破壞機理、支護方法，一直是相關學者研究的熱點問題。近年來，我國很多學者對深部礦山軟巖巷道破壞機理及支護技術方面開展了大量研究，并取得了豐碩成果。

何滿潮等[3]提出以恒阻大變形錨網索耦合支護為核心的主動支護體，解決中生代復合型軟巖非線性大變形破壞問題。康洪普等[4]提出千米深井，軟巖，強采動巷道支護-改性-卸壓協同控制理念。于洋等[5]發現軟巖巷道變形破壞過程具有明顯的階段性。謝生榮等[6]針對深部軟巖巷道圍巖破化現象，提出集密集高強錨桿承壓拱、厚層鋼筋網噴層拱和滯后注漿加固拱于一體的錨噴注強化承壓拱支護技術。宗義江等[7]基于極破碎軟巖巷道破壞特點，提出“控頂卸壓”技術手段。劉高等[8]提出高應力軟巖巷道的破壞特征及探討了高應力軟巖圍巖的變形破壞機理。王祥秋[9]針對軟弱圍巖提出圍巖蠕變損傷具有變形損傷與時間損傷耦合效應的觀點。柏建彪[10]針對深部軟巖巷道破壞現象，提出主動有控卸壓的方法，釋放圍巖膨脹變形能。

相關研究學者針對軟巖巷道破壞機理及控制技術做了大量研究，但大部分對于軟巖巷道初次控制進行相關分析研究，本文針對主運巷道圍巖發生破壞且多次補強后控制效果依舊不佳的實際情況，從巷道圍巖失穩機理及支護應對策略不清晰角度，進行現場試驗分析，提出各類圍巖巷道失穩破壞類型的支護對策，確保本區域巷道的正常使用。

1 區域巷道工程概括

該礦山井口標高+1 070 m，主要礦體賦存于超基性角閃橄欖巖、角閃輝石橄欖巖中，礦體下盤主要以基性輝長閃長巖為主，局部為超基性和上石炭統干墩組(C2g)細碧玢巖。下盤巖石多數完整堅固，局部礦巖接觸帶，有巖石蝕變強烈、裂隙發育、巖石破碎或具糜棱巖化等地質現象。

目前礦山采用無底柱分段崩落法進行回采，進路間距15 m，分段高度13.3 m。井下+490 m分段脈外運輸巷道布置在下盤圍巖中，見圖1，脈外運輸巷道為(寬×高)4.2 m×3.9 m，采用7根間排距為2 m管縫式錨桿(直徑40 mm，內徑36 mm)+雙筋條+噴射混凝土支護方式為主，如遇到極其破碎區域加密2根管縫錨桿，并采用鋼拱架支護，礦山常用支護方式見圖2。由于該區域受到高地應力、頻繁采動及圍巖自身性質影響，經常發生破壞，目前已經進行多次返修工作。

圖1 巷道位置圖及巖體完整性測試孔位置圖Fig.1 Roadway location map and rock integrity test hole location map

圖2 巷道原始支護方式Fig.2 The original supporting mode of roadway

2 區域巷道破壞情況

490 m分段巷道受到工程環境變化影響后，巷道區域發生嚴重破壞，經過對該區域巷道破壞現象的踏勘調查，其巷道破壞特征如下，現場破壞特征見圖3。

(a)幫部層狀巖體片幫。主因是由于發育一組與巷道走向方向平行的薄層狀巖體，而巖體之間又有膨脹性黏土礦物，在地應力、巖體傾向、充填物受潮、支護不當等多重因素影響下，噴射混凝土一段時間后在幫部出現大范圍擠出、片幫破壞。該種破壞形式主要出現在下盤破碎帶接觸帶中。

(b)采動動壓巖體內擠。由于該礦采用崩落法采礦，致使采場底部壓力相對較大，形成較高偏應力，造成破碎巖體呈現高采動應力作用下的持續變形破壞。

圖3 巷道破壞特征匯總Fig.3 Summary of roadway failure characteristics

(c)管縫式錨桿銹蝕腐爛。受到早期構造運動和成巖作用影響，該銅鎳礦井下鹽堿化嚴重，致使管縫式錨桿桿壁不斷銹蝕，部分錨桿銹蝕嚴重而破斷失效。

(d)二次返修全斷面內擠變形。這種巖體破壞的根本原因是膨脹性黏土礦物的遇水膨脹，該種破壞類型也日益成為礦山最為突出的巷道破壞類型。

(e)破碎帶“涌出式”冒頂。破碎帶由于其本身巖體完整性差、巖體強度低等特點，自承載能力極低，導致拉開后巷道無法短時間內自穩，因此，出現頻繁冒頂現象。

(f)頂板噴層脫落剝離。頂板及幫部噴層脫落和剝離是黃山銅鎳礦普遍存在的巷道破壞形式，與膨脹應力發展、地應力顯現、噴層自身質量有直接關系。

3 巷道圍巖失穩原因及機理分析

3.1 高地應力影響

巷道圍巖主要以細碧玢巖、橄欖輝石巖及綠泥滑石千糜巖為主；細碧玢巖和橄欖輝石巖抗壓強度分別為102.3 MPa及139.5 MPa，屬堅硬巖，這種類型巷道的失穩主要是應力條件下的結構面產狀控制；而綠泥滑石千糜巖的抗壓強度僅為14.9 MPa，屬于軟巖。地應力實測結果表明：450 m中段最大主應力為29.5 MPa，方向為321°，最小主應力15.8 MPa，方向113°。最大主應力的方向與沿脈巷道呈大角度交叉，形成不利的影響，尤其對于接觸帶發育1～2組優勢結構面的巖體，巷道開挖后直接導致了巷道表面巖體主應力場的旋轉，形成更為不利的應力狀態，且地應力大于圍巖強度，導致發生破壞。

3.2 圍巖礦物組成

巷道軟弱破碎，在接觸帶及破碎帶巖體中，具有“泥化”現象。通過X射線衍射試驗和電鏡掃描試驗分析，見圖4，發現巷道圍巖主要為含鐵綠泥石，屬于膨脹性黏土礦成分，黏土礦物遇水泥化分解，體積迅速膨脹，圍巖力學參數進一步降低，出現魚鱗狀裂紋，造成巷道局部的片幫與冒頂，加劇圍巖破壞。

圖4 典型樣品電鏡掃描圖Fig.4 Electron microscope scan of typical sample

3.3 巖體結構特征調查與分析

現場工程地質調查分析，上盤巖體三組優勢結構面分別為51°∠86°，84°∠69°，7°∠34°，礦體三組優勢結構面分別為198°∠80°、101°∠77°、139°∠78°，下盤兩組優勢結構面分為38°∠82°、10°∠75°。在上盤巖體和礦體中，主要是由三組優勢結構面形成的頂板的楔形體冒頂破壞。在下盤巖體中，發育的優勢結構面呈現近似平行方向，與下盤沿脈巷道呈現近似平行分布，并且結構面的密度大，在巷道開挖后，受到構造應力、自重應力和膨脹應力的影響，在沿脈巷道的北側邊幫發生嚴重的片幫現象。

3.4 松動圈測試分析

在490 m水平脈外運輸巷道布置7個孔深5 m測試孔及1個貫穿測試孔；脈內運輸巷道布置2個孔深5 m松動圈測試孔。測試孔均位于巷道幫部，距離底板大約1.5 m，具體布置位置示意圖見圖1，其中2#、5#及10#測試孔由于塌孔及孔內殘渣較多無法測試。

通過對7個測點數據進行分析處理，得到測點巖性的孔深與聲速的變化曲線，如圖5所示，結果顯示，在區域范圍內，7個測試孔縱波波速在1.6～2.2 m范圍銳降，因此可知松動圈在1.6～2.2 m范圍內，根據松動圈分類，該區域內松動圈為大松動圈。

圖5 不同區段巖體完整性聲波測試結果統計分析圖Fig.5 Statistical analysis of acoustic test results of rock mass integrity in different sections

4 支護對策分析

4.1 支護類型初步劃分

通過對巷道失穩破壞因素的分析，大致可將該銅鎳礦的破壞類型分為三類，并相對應于支護類型：

1)一般結構面控制型失穩破壞類型：主要受到地應力和結構面兩個主控因素的影響。

2)一般幫部失穩破壞類型：主因是巷道受走向近似平行或小角度交叉的單一優勢結構面和結構面之間的膨脹性黏土充填物的控制，同時還受到地應力和結構面兩個主控因素控制。

3)破碎帶強膨脹性失穩破壞類型：主要是強膨脹性巖體礦物的強烈作用，造成巷道開挖后的短期、中長期的持續性流變大變形。同時需考慮黃山銅鎳礦井下鹽堿化腐蝕性。

4.2 變形力學機制轉化與支護方式選擇

根據以上巷道及支護類型的初步分析，通過變形力學機制轉化的方法尋求最優支護類型對應的支護方式，并分析其對應解決的巷道破壞控制因素，具體如圖6所示。

圖6 巷道變形力學機制轉化Fig.6 Mechanical mechanism transformation of roadway deformation

5 支護方案設計

綜合分析巷道圍巖失穩原因及機理，對巷道變形力學機制及支護方式選擇進行匹配分析，結合《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB50086—2015)規范，制定支護對策，具體見表1。

6 結論

本文針對某銅鎳礦巷道變形破壞特征及失穩模式，綜合分析了巷道破壞的各種影響因素，提出了不同巷道破壞類型的控制對策，并設計了相應的支護方案，進行了新方案和原方案支護成本的對比分析，得出如下結論：

1)礦山存在的失穩模式：幫部層狀巖體片幫、采動動壓巖體內擠、管縫式錨桿銹蝕腐爛、二次返修全斷面內擠變形、破碎帶“涌出式”冒頂、頂板噴層脫落剝離。

2)通過現場工程地質調查、圍巖X射線衍射和電鏡掃描礦物試驗及現場圍巖完整性測試并結合地應力及礦巖物理力學參數分析得出，該區域圍巖具有三組優勢節理面，圍巖中含有綠泥石屬于黏土性礦物具有膨脹性，且圍巖強度低于地應力，因此巷道圍巖破壞由多重因素引起。

3)礦山圍巖破壞類型分為：一般結構面控制型失穩破壞類型、一般幫部失穩破壞類型、破碎帶強膨脹性失穩破壞類型，并根據臨時巷道及永久巷道進行針對性的支護方案設計，以保證礦山依據破壞工況快速選擇支護方案。