金川二礦區(qū)深部巷道支護(hù)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究*

王賢來，崔繼強(qiáng)，張鵬強(qiáng)，趙興東

(1.鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 金昌市 737100；2.東北大學(xué) 深部金屬礦采動安全實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819)

0 引言

金川銅鎳礦床是世界超大型硫化銅鎳礦床，礦石主要賦存于超基性巖體中，與片麻巖、大理巖、條帶狀混合巖等接觸，礦體呈不規(guī)則巖墻狀產(chǎn)出，長約6000 m 以上，寬約0～500 m，延深超1000 m以上，巖體走向約NW50°左右，傾向SW，傾角為50°～80°[1]。礦床根據(jù)勘探歷史劃分為4 個(gè)礦區(qū)，其中金川二礦區(qū)位于中部，占總儲量的76.5%，主礦體包括1#礦體和2#礦體，其中1#礦體是當(dāng)前主要開采礦體。

1#礦體深部850 m 中段是在一期、二期以及礦山改擴(kuò)建工程基礎(chǔ)上新建的接續(xù)工程，埋深約900 m 左右，采用機(jī)械化盤區(qū)下向水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法[2]。礦體賦存于區(qū)域性大構(gòu)造的次級斷裂構(gòu)造中，是典型的超基性巖型礦體，礦體圍巖主要為二輝橄欖巖，其次為大理巖。850 m 中段主要采準(zhǔn)巷道布置在礦體上盤，巷道圍巖節(jié)理構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎且存在塑性蠕變現(xiàn)象；受多次地質(zhì)構(gòu)造活動影響，地應(yīng)力大；為控制巷道圍巖穩(wěn)定，采準(zhǔn)巷道主要采用緊跟掌子面的噴錨網(wǎng)作為一次支護(hù)，隨后的二次支護(hù)主要采用U 型鋼拱架、圓形拱架、網(wǎng)構(gòu)鋼架+噴錨網(wǎng)支護(hù)，以及雙層鋼筋或者單層鋼筋現(xiàn)澆混凝土支護(hù)，部分區(qū)段需要混凝土漿液注漿加固。上述支護(hù)形式都存在成本高、施工工藝復(fù)雜、工序時(shí)間長、工人勞動強(qiáng)度大等問題，一旦局部發(fā)生變形破壞，將導(dǎo)致采準(zhǔn)巷道返修維護(hù)十分困難[3?5]。本文結(jié)合金川二礦區(qū)850 m 中段采準(zhǔn)巷道工程地質(zhì)資料，分別應(yīng)用Q 分級方法、地質(zhì)力學(xué)分類（RMR）、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）進(jìn)行巖體質(zhì)量分級，采用經(jīng)驗(yàn)公式和理論分析法進(jìn)行采準(zhǔn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)用RS2 有限元軟件對支護(hù)巷道效果進(jìn)行驗(yàn)證分析，以期為金川二礦區(qū)采準(zhǔn)巷道穩(wěn)定性控制提供合理的支護(hù)方案。

1 工程地質(zhì)條件

通過對850 m 中段采準(zhǔn)巷道典型研究區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查、結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果表明：巷道主體走向150°，富礦區(qū)域采準(zhǔn)巷道圍巖巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）值約為68%，某采場分層巷道具有明顯三組優(yōu)勢節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為：第1 組約235°∠22°、第2 組約62°∠15°、第3 組約260°∠49°，其中以NW 走向最為發(fā)育，其次為NE 方向，觀察到的大多數(shù)節(jié)理傾角均較小。結(jié)構(gòu)面上多夾雜斷層泥和巖石碎屑。礦體中平均節(jié)理間距為2.20 m，且節(jié)理延伸性較差。根據(jù)以往在附近區(qū)域的地應(yīng)力測試結(jié)果：σ1=45 MPa，方位為232°、傾角為5°；σ2=32 MPa，方位為?62.2°、傾角為?79°；σ3=24 MPa，方位為142°、傾角為?10°[6]。二礦富礦巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 二礦區(qū)850 m 中段富礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2 巖體質(zhì)量分級及巖體力學(xué)參數(shù)估算

基于850 m 中段富礦工程地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)特征及巖石力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用Barton 的Q 分級方法，依據(jù)RQD、巖體節(jié)理組數(shù)Jn、巖體節(jié)理粗糙度Jr、節(jié)理蝕變程度Ja、地下水情況Jw以及應(yīng)力折減系數(shù)（SRF），應(yīng)用式（1）可以確定研究區(qū)域巖體質(zhì)量Q 分級值為0.13，可見金川二礦區(qū)850 m 中段采準(zhǔn)巷道研究區(qū)域內(nèi)的巖體為非常差的巖體。Q 分級值計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

表2 巖體質(zhì)量Q 分級結(jié)果

式中，Q為Q 分級指標(biāo)；A2為巖石質(zhì)量指標(biāo)，Jn為節(jié)理組數(shù)，Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)，Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)，Jw為節(jié)理水折減系數(shù)，kSRF為應(yīng)力折減系數(shù)[7]。

依據(jù)完整巖石強(qiáng)度（A1）、RQD（A2）、節(jié)理間距（A3）、節(jié)理?xiàng)l件（A4）、地下水（A5）以及節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整（B），根據(jù)式（2）～式（3）計(jì)算kRMR[8]，分級參數(shù)評分結(jié)果見表3，計(jì)算可得kRMR為56，研究區(qū)域內(nèi)巖體評為一般巖體。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，確定巖體相互鑲嵌程度和節(jié)理蝕變程度表征的巖體特征，依據(jù)RMR 地質(zhì)力學(xué)分級結(jié)果并結(jié)合式（4）[9]可以確定kGSI為51。

表3 RMR 巖體分級參數(shù)評分結(jié)果

式中，kRMR為地質(zhì)力學(xué)分級值；k89為RMR 分類法1989 版修正值；kGSI為地質(zhì)強(qiáng)度因子。

巖體主要由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成，其力學(xué)參數(shù)與完整巖塊的力學(xué)參數(shù)有較大差別，Hoek 等對大量巖石三軸試驗(yàn)資料和巖體現(xiàn)場試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，綜合考慮巖體結(jié)構(gòu)、巖塊強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)等多方面的影響，提出了Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則[10]。本文應(yīng)用Roclab進(jìn)行金川二礦區(qū)850 m中段巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算，折減后所得巖體力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 巖體力學(xué)參數(shù)

3 采準(zhǔn)巷道支護(hù)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 支護(hù)參數(shù)

為有效控制深部850 m 中段采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式和理論分析法進(jìn)行支護(hù)參數(shù)選擇。850 m 中段采準(zhǔn)巷道設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱形，巷道斷面尺寸（寬×高）為：4900 mm×4750 mm。根據(jù)圖1，當(dāng)RMR 為56 時(shí)，跨度4.9 m 的巷道自穩(wěn)時(shí)間不足1 個(gè)月，迫切需要選擇合理的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖1 850 m 中段采準(zhǔn)巷道自穩(wěn)時(shí)間

依據(jù)巖體質(zhì)量Q 分級值確定850 m 中段采準(zhǔn)巷道采用樹脂錨桿+金屬網(wǎng)+雙筋條+噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)[11]，樹脂錨桿直徑為20 mm，長度為2.4 m，錨桿間排距為1.2 m。

3.2 數(shù)值模型

根據(jù)選定區(qū)域中段采準(zhǔn)巷道工程地質(zhì)條件，采用RS2 有限元軟件建立數(shù)值分析模型。考慮到計(jì)算速度、內(nèi)存要求及計(jì)算精度等問題，僅對巷道周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。模型寬度為44.90 m，高度為44.75 m，單元類型為6 節(jié)點(diǎn)三角形單元，共劃分為3104 個(gè)三角形單元，6492 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型采動位移約束見圖2。由于最大主應(yīng)力與巷道長度方向大致相同，因此，垂直方向即為垂直應(yīng)力方向，水平方向?yàn)樽畲笏綉?yīng)力方向。假設(shè)巖體為均勻各向同質(zhì)，破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖2 數(shù)值模擬模型

3.3 結(jié)果分析

從圖3 可以看出，采用設(shè)計(jì)的支護(hù)方式后，巷道兩幫水平位移顯著降低。未支護(hù)時(shí)，巷道左幫最大水平位移為16.902 mm，巷道右?guī)妥畲笏轿灰茷?6.584 mm；支護(hù)后，巷道左幫最大水平位移為13.707 mm, 巷道右?guī)妥畲笏轿灰茷?3.364 mm。從圖4 可以看出，采用設(shè)計(jì)的支護(hù)方式后，巷道頂?shù)装逦灰埔诧@著降低。未支護(hù)時(shí)，巷道頂板最大垂直位移為15.537 mm，巷道底板最大垂直位移為28.516 mm；支護(hù)后，巷道頂板最大垂直位移為7.089 mm，巷道底板最大垂直位移為18.899 mm。從數(shù)值模擬可以看出，巷道幫部變形基本呈現(xiàn)對稱分布，而底板鼓起位移均較為顯著。現(xiàn)場調(diào)查研究也發(fā)現(xiàn)巷道部分區(qū)段會出現(xiàn)不同程度的底鼓現(xiàn)象[12]。

圖3 巷道兩幫水平位移

圖4 巷道頂?shù)装逦灰?/p>

從圖5 可以看出，按設(shè)計(jì)支護(hù)方案支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)分布得到顯著改善。未支護(hù)情況下，巷道頂板塑性區(qū)最大深度為1.818 m, 底板塑性區(qū)最大深度為2.491 m，左幫塑性區(qū)最大深度為1.748 m，右?guī)退苄詤^(qū)最大深度為1.450 m；按設(shè)計(jì)支護(hù)方案支護(hù)后，巷道頂板塑性區(qū)最大深度為0.797 m，底板塑性區(qū)最大深度為2.426 m，左幫塑性區(qū)最大深度為0.923 m，右?guī)退苄詤^(qū)最大深度為1.022 m，錨桿均能錨固于完整巖體內(nèi)。巷道頂板和兩幫塑性區(qū)厚度顯著降低，而底板塑性區(qū)無明顯降低。若現(xiàn)場底鼓嚴(yán)重，則需要及時(shí)采取應(yīng)對措施。從破壞類型上看，巷道圍巖淺層破壞以拉破壞為主，而圍巖深層破壞以剪切為主（見圖6）。巷道圍巖開挖卸荷后導(dǎo)致淺層圍巖產(chǎn)生拉破壞，淺層圍巖最大主應(yīng)力降低，高應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移，較大的偏應(yīng)力會導(dǎo)致深部圍巖產(chǎn)生剪切破壞。

圖5 未支護(hù)和按設(shè)計(jì)支護(hù)方案塑性區(qū)分布特征

圖6 偏應(yīng)力及圍巖破壞類型

4 結(jié)論

本文以金川二礦區(qū)深部850 m 中段富礦采準(zhǔn)巷道為工程背景，應(yīng)用Q、RMR、GSI 進(jìn)行巖體質(zhì)量分級，并結(jié)合Roclab 進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)折減。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和理論分析確定850 m 中段采準(zhǔn)巷道支護(hù)方法及參數(shù)，應(yīng)用RS2 有限元分析軟件分析支護(hù)前后圍巖變形破壞特征，主要結(jié)論如下。

（1）根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Q、RMR 和GSI 進(jìn)行巖體質(zhì)量分級，Q 分級結(jié)果為非常差巖體，RMR 分級結(jié)果為一般巖體，GSI 分級結(jié)果為一般巖體，綜合評價(jià)巖體質(zhì)量為差至一般。

（2）應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法和Q 分級確定采準(zhǔn)巷道支護(hù)方法及參數(shù)。采用樹脂錨桿+金屬網(wǎng)+雙筋條+噴射混凝土支護(hù)，樹脂錨桿直徑為20 mm，長度為2.4 m，錨桿間排距為1.2 m，噴射混凝土厚度為10 mm。

（3）應(yīng)用數(shù)值模擬對比未支護(hù)和支護(hù)兩種情況下巷道圍巖變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用現(xiàn)有支護(hù)方案支護(hù)后巷道頂?shù)装濉蓭妥冃尉霈F(xiàn)不同程度降低；巷道圍巖塑性區(qū)也出現(xiàn)顯著降低，錨桿均能有效錨固于完整巖體中；巷道圍巖淺層破壞以拉破壞為主，而圍巖深層破壞以剪切為主，主要原因是深部巷道開挖后圍巖中較高的偏應(yīng)力會導(dǎo)致深部圍巖產(chǎn)生剪切破壞。本研究可為研究區(qū)域巷道支護(hù)提供可靠的參考依據(jù)，但實(shí)踐中仍需加強(qiáng)支護(hù)監(jiān)測。