紗嶺金礦深部巷道頂板分級支護設計與分析*

秦紹龍,趙興東,張武

(東北大學 深部金屬礦采動安全實驗室,遼寧 沈陽 110819)

0 引言

井巷支護工作是保證礦山企業安全高效生產的前提[1-2],隨著我國金屬礦開采深度的增加,地質條件也愈發復雜多變,受高地應力的影響,圍巖物理力學性質與淺部巷道存在明顯不同,深部圍巖往往完整性較差,且易出現圍巖塑性變形、冒頂片幫和巖爆等地質災害[3],既嚴重阻礙了礦山的安全生產,又給巷道支護帶來了困難。在我國,頂板冒落事故在礦山安全事故中的占比約為27%[4],且因其具有突發性和沖擊能較大的特點,往往會帶來極大的安全隱患和經濟損失,因此,頂板支護對于礦山井巷支護工作尤為重要[5]。

考慮到經濟性原則,目前大部分金屬礦山的支護方式往往較為單一,而單一支護形式對于完整性較好的圍巖,可能會存在過度支護問題,導致支護成本增大。而對于巖體質量較差的圍巖,則可能會出現支護不足,導致圍巖與支護體沒有達到有效承載結構,出現支護失效等問題。為保證圍巖支護的有效性,同時兼顧支護成本,劃分頂板支護等級十分重要。

本文以紗嶺金礦井下－1400 m 巷道為背景,基于RMR 分級和Q 系統分級對不同巖性巖體進行巖體質量評價[6],并基于評價結果提出三級頂板支護分級,確定不同跨度和用途的巷道支護方案及參數,可為巷道實際支護提供參考。

1 工程地質

萊州匯金礦業投資有限公司紗嶺礦區位于萊州市北東部金城鎮與朱橋鎮境內,距離萊州市區直線距離約27 km。礦區屬丘陵與濱海平原過渡地帶,東高西低,地面標高最低為9.30 m,最高為21.80 m。區內巖漿巖廣布,以中生代燕山早期晚侏羅世玲瓏序列巖體為主體,斷裂構造發育為其突出特征,按其展布方向的差異將其大致分為北東向和近南北向兩組。其中北東向斷裂構造區內最為發育,為膠西北伸展拆離控礦構造的重要組成部分,也是區內最重要的金礦控礦構造。

礦區深部圍巖主要巖性包括二長花崗巖、變輝長巖、黃鐵絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質碎裂巖及黃鐵絹英巖化碎裂巖,頂、底板的巖石以塊狀巖類的巖漿巖、變質巖為主,巖石的力學強度較高,屬堅硬、半堅硬巖石,局部受構造裂隙影響較軟弱。巖體結構較完整,以整體塊狀結構為主,頂板總體穩定性一般,現場圍巖狀況如圖1所示。通過測線法獲得長花崗巖、變輝長巖、黃鐵絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質碎裂巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖的RQD 值分別為54%、67%、49%、41%、74%。

圖1 深部圍巖形態

2 巖體質量分級

2.1 室內巖石力學試驗

選取現場完整性較好的不同巖性的巖石試樣,根據巖石力學學會試驗方法委員會推薦的巖石試件尺寸要求,將試件分別加工成Φ50 mm×100 mm的標準件和Φ50 mm×25 mm 的圓盤,對標準件進行單軸抗壓強度試驗和剪切強度試驗,圓盤則進行巴西劈裂試驗。為減小試驗誤差,提高試驗結果的準確性,每種巖性分別進行5組平行試樣,并取平行試驗的均值以此獲得完整巖石的物理力學參數。

將上述各組巖石力學試樣所獲數據進行統計整理,最終獲得不同巖性巖石的密度、抗拉強度、抗壓強度、內聚力、內摩擦角、彈性模量和泊松比,并統計于表1。

表1 巖石物理力學參數

2.2 巖體質量評價結果

根據現場工程地質調查數據、地質巖芯數據和室內巖石力學試驗結果,采用RMR 分級和Q 分級對紗嶺礦區深部的不同巖性圍巖進行巖體質量評價。RMR 巖體地質力學分級是Bieniawski根據大量工程地質條件和工程實例提出的,其通過將巖塊強度、RQD 值、節理間距、節理條件、地下水及節理方向對工程影響的修正參數等6個指標參數相加計算得出[7]。Q 分類法是由Barton等于1974年基于200個工程實例提出的隧道開挖質量分類方法,經過多次修正完善后,Q 值可以由式(1)確定[8]。

式中,RQD為巖體質量指標;Jn為節理組數;Jr為節理粗糙系數;Ja為節理蝕變系數;Jw為節理水折減系數;SRF為應力折減系數。

經過以上計算獲得各巖性圍巖的RMR 值和Q值,結果統計于表2。由表2可知,紗嶺金礦深部圍巖RMR 分級結果為Ⅱ至Ⅲ級,Q 系統分級結果為Ⅲ級,圍巖整體質量一般。

表2 巖體質量分級結果

3 頂板分級支護方案

3.1 頂板分級依據

基于現場操作的可行性和實用性考慮,通過上述巖體質量評價結果,將深部巷道頂板分為三級支護強度,Ⅰ級可視為穩固頂板;Ⅱ級為中等穩固頂板,Ⅲ級為不穩固頂板?？紤]到不同巖體質量分級指標的差異性,將頂板分級與RMR 分級、Q 分級的對應關系統計于表3。

表3 基于RMR 分級的頂板分級

3.2 分級支護設計

3.2.1 巷道自穩時間和跨度

巷道支護方式的確定需要估算其最大無支護跨度和時間。在不同開挖跨度和不同質量等級的巖體中,巷道自穩時間差別很大,巷道自穩時間與巷道的服務年限關系也是確定支護方式的重要條件。紗嶺金礦深部巷道根據斷面尺寸和用途共分為5種,巷道跨度包括3.3 m、4.5 m、4.2 m、3.6 m和4.6 m。

從表2巖體質量分級可知,巖體的RMR 值為54～79,將其范圍在圖2中描繪出來。由圖2可知,當RMR 數值為54 時,巷道最大自穩跨度為2.7 m;RMR 數值為79 時,巷道最大自穩跨度為3.9 m。對于最小跨度為3.3 m 的巷道,當RMR 數值為54時,巷道自穩時間約為2個月,對于最大跨度為4.6 m 的巷道,當RMR 數值為54時,巷道自穩時間約為20 d。圍巖的自穩時間無法滿足巷道正常生產作業的服務年限,需采取相應的支護措施。

圖2 無支護巷道自穩時間和跨度

3.2.2 巷道支護參數

Q 系統支護圖表法需根據開挖體的當量尺寸和Q 值進行支護方式和參數的選取,其中,當量尺寸De可根據式(2)進行計算:

式中,B為開挖跨度;ESR為開挖支護比,跟巷道的用途有關,本文取1.0。

將不同支護等級的頂板和不同斷面尺寸的巷道分別在Q 系統支護圖表中進行描繪,本文以Ⅲ級頂板和4.6 m 跨度的巷道為例,如圖3所示。由圖3可知,對于Ⅲ級頂板和4.6 m 跨度的巷道,Q 系統支護圖表推薦的支護方式為錨噴支護,噴射混凝土厚度為150 mm,錨桿間排距為1 m,錨桿長度為2.4 m。支護參數需根據工程類比法和實際工程經驗進行校核,獲得最終支護參數為:噴射混凝土厚度為100 mm,錨桿間排距為0.8 m,錨桿長度為2.4 m。

圖3 Q 系統支護圖表

通過以上支護設計方法,最終獲得不同跨度的巷道三種等級頂板的錨噴支護參數(見表4)。根據工程類比法可知,對于深度超過1000 m 的巷道,為預防高應力可能帶來的頂板壓裂破壞,巷道需加裝50 mm×50 mm 網度的菱形鍍鋅金屬網,托盤選取8 mm 厚鐵板制作,中部要沖壓成碗狀,尺寸為120 mm×120 mm。同時,為提高錨桿的抗腐蝕性能、使用壽命和錨固能力,錨桿宜采用樹脂錨桿。對于局部極破碎巖體,必要時增設長錨索、采取壁后注漿等支護手段。

表4 巷道支護參數

4 支護數值模擬

4.1 數值模型和邊界條件

針對表4的支護方案,可采取有限元數值模擬對其支護效果進行驗證。為最大程度地表征支護的有效性,本文選取跨度為4.6 m 巷道的Ⅲ級頂板進行驗證。首先假設圍巖為均質、各向同性彈塑性材料,且符合摩爾庫倫強度準則。圍巖邊界尺寸為39 m×39 m,圍巖邊界添加零位移約束條件,圍巖所受最大主應力為35.14 MPa,最小主應力為28.07 MPa,垂直應力為30.2 MPa。采用三節點三角形劃分網格,分級因數為0.15,建立如圖4所示巷道數值模型。

圖4 巷道數值計算模型

4.2 模擬結果分析

由圖5可知,在巷道開挖后,圍巖出現了較大范圍的變形,變形量從巷道邊界往深部遞減,且水平方向的圍巖變形范圍更大,其中,巷道兩幫和底板出現了明顯的變形破壞區,左右兩幫圍巖最大總位移量分別為19 mm 和22 mm,底板最大總位移量為21 mm,頂板最大總位移量為18 mm,由此可知,巷道可能會出現一定程度的片幫和底鼓破壞。在支護以后,圍巖變形范圍和變形量明顯減小,頂板最大總位移量僅為9 mm,能滿足實際安全生產需求。

圖5 巷道圍巖總位移

由圖6可以看出,巷道開挖后,圍巖四周出現了明顯的塑性區,且塑性區范圍較大,支護前頂板、左幫、右幫的塑性區范圍分別為1.248 m、1.325 m 和1.370 m。采取支護措施后,塑性區頂板和左右幫范圍分別減小至0.392 m、0.650 m 和0.820 m,分別減少了69%、51%和40%。且錨桿有效錨固長度皆超過50%,證明所選支護方式可有效保證巷道圍巖的穩定。

圖6 巷道塑性區范圍

4 結論

(1)通過現場工程地質調查和室內巖石力學試驗,獲取了紗嶺金礦深部巷道不同巖性巖石的物理力學參數,采用RMR 分級和Q 系統分級對現場圍巖巖體質量進行評價,獲得其RMR 值為54～79,Q值為1.53～5.40,圍巖整體質量一般。

(2)基于巖體質量分級將巷道頂板分為三級支護強度,通過RMR 值估算獲得巷道最大自穩跨度為2.7～3.9 m。最大自穩時間為20 d至2個月不等。采用Q 系統巷道支護圖表法對井下不同用途和斷面尺寸的巷道進行支護設計,通過工程類比法對其進行校核,最終獲得各巷道不同等級頂板的支護參數。

(3)采用有限元數值模擬軟件Phase2對巷道支護效果進行驗證,可知在采取支護措施以后,巷道圍巖的變形量明顯減小,頂板和左右兩幫塑性區范圍分別減少了69%、51%和40%,驗證了所選支護方案的有效性。