大斷面軟弱圍巖巷道開挖變形機(jī)制研究

張 兵 王 檑＊ 楊 懷 包 松

（1.畢節(jié)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

0 引言

在地下礦山的生產(chǎn)和建設(shè)中，巷道占有極為重要的位置，是開發(fā)礦床的基本工程，如：階段運(yùn)輸平巷、石門、鑿巖道、人行通道等。夏鵬飛等[1]基于巷道地質(zhì)條件和鄰近巷道工程實(shí)踐，對(duì)10-1002巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)原則的分析，確定巷道的支護(hù)重點(diǎn)為控制兩幫圍巖變形，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)選。米文川等[2]分析了巷道底鼓機(jī)理，結(jié)合礦井實(shí)際，探討了錨桿、錨索加固及鉆孔卸壓在底鼓治理中的應(yīng)用；劉全林等[3]分析了錨注支護(hù)對(duì)具有流變特性圍巖在維護(hù)其穩(wěn)定性方面的作用；陳士海等[4]針對(duì)大興煤礦3208材料巷頂板巖石特征和煤層賦存條件結(jié)合現(xiàn)代煤巷支護(hù)技術(shù)理論，提出了該巷道錨桿錨索掛網(wǎng)支護(hù)參數(shù)并對(duì)其頂板離層巷道收斂變形、錨桿（索）錨固力等日常巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析。胡正坤等[5]分析了軟巖支護(hù)注漿加固施工特征，并分析了一般注漿加固作業(yè)流程，結(jié)合工程實(shí)例總結(jié)注漿加固技術(shù)在圍巖支護(hù)中的應(yīng)用。

本文以貴州黔西南貞豐地區(qū)爛泥溝金礦巷道變形為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)采樣實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析造成該巷道圍巖大變形的原因，并針對(duì)其變形特點(diǎn)提出支護(hù)方案。

1 研究背景

爛泥溝金礦[6-8]位于貴州黔西南貞豐地區(qū)，見圖1所示。礦區(qū)金礦儲(chǔ)量達(dá)到110t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量在130t以上，成為世界級(jí)特大型金礦，儲(chǔ)量占黔西南州成礦片區(qū)金礦總量的42%。該礦已探明儲(chǔ)量在全國(guó)黃金金礦中位居第一，是亞洲最大的金礦，2007年3月18日煉出第一爐黃金。斷面尺寸為10.0m×7.0m，主體硐室全長(zhǎng)60m。

圖1 爛泥溝金礦

2 巷道變形機(jī)理分析

2.1 圍巖破壞區(qū)間計(jì)算

力的傳播路徑如圖2所示，可看出圍巖形成的卵形松動(dòng)圈會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，其失穩(wěn)機(jī)理可用極限自穩(wěn)平衡拱理論進(jìn)行分析[9-13]：該硐室的相關(guān)已知資料為：斷面高度H為7m、寬度W0為10m、原巖應(yīng)力P0為17.5MPa、抗拉強(qiáng)度σt為0.55MPa、平均內(nèi)摩擦角φ為36°。

圖2 應(yīng)力傳播路徑

2.2 地應(yīng)力分析

地應(yīng)力[14-18]是巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力。明確地應(yīng)力是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖土工程開挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提。對(duì)大斷面巷道水平設(shè)計(jì)3個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行空心包體地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表1和表2所示。

表1 主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表2 應(yīng)力分量（單位：MPa）

通過主應(yīng)力測(cè)試可知，最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力屬于近水平應(yīng)力，傾角分別為10°和8°，而最小主應(yīng)力位于近似垂直的平面內(nèi)為近垂直應(yīng)力，同鉛垂面之間的夾角小于25°。根據(jù)應(yīng)力分量測(cè)試可知，垂直應(yīng)力對(duì)比水平應(yīng)力偏小，Y向應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.43倍，X向應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.17倍。以上分析表明，在工程建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小跨度采用應(yīng)力分散措施預(yù)防應(yīng)力向兩幫集中，而實(shí)際工況中該硐室井巷工程較為密集，主體斷面跨度達(dá)到7m，工程建設(shè)打破了原應(yīng)力平衡，導(dǎo)致地應(yīng)力發(fā)生二次重分配，垂直方向應(yīng)力σv向巷道兩幫擴(kuò)展，水平應(yīng)力σh向頂?shù)装宸稚ⅲ罱K造成巷道兩幫和頂?shù)装鍛?yīng)力集中并產(chǎn)生混凝土開裂及底鼓現(xiàn)象。

2.3 巖性強(qiáng)度分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研巷道中未噴漿支護(hù)的位置，發(fā)現(xiàn)存在圍巖巖體破碎的現(xiàn)象，巖體表現(xiàn)為互層和層理發(fā)育，部分層理受應(yīng)力影響產(chǎn)生變形破壞。為分析巖體變化狀態(tài)與圍巖失穩(wěn)之間的關(guān)系，在巷道中選取合適位置鉆取巖心制作四組巖樣，采用高精度微機(jī)控制電液伺服單軸壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)過程

為減小端部粗糙和不平整等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，預(yù)先在試樣端部和剛性承壓板之間涂抹適量黃油，實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取的應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果見圖4所示，共得到四組峰值壓力分別為159kN、165kN、132kN、292kN，其中第四組在損傷過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)驟然降低，初步判斷是由于巖樣中含有特殊微構(gòu)造，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了影響，故舍去此組實(shí)驗(yàn)結(jié)論。進(jìn)一步分析表明，低載荷時(shí)，內(nèi)部孔隙空間逐漸壓密，隨著載荷增大，砂巖內(nèi)部的晶體礦物由彈性變形逐漸發(fā)生不可恢復(fù)的塑性破壞，發(fā)生應(yīng)力突然降低的脆性破壞情況，加之圍巖結(jié)構(gòu)受層理、節(jié)理等軟弱面影響，荷載-位移曲線在殘余強(qiáng)度后，多次出現(xiàn)跌落現(xiàn)象，進(jìn)而表現(xiàn)出“巖石脆性破壞-弱面壓密-巖石再次破壞”的周期性力學(xué)行為，使得大斷面巷道圍巖巖性極弱，對(duì)圍巖整體穩(wěn)定性有很大影響，巷道圍巖擾動(dòng)情況下，松動(dòng)圈增大，變形增大。

圖4 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 大斷面巷道數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，利用FLAC3D模擬大斷面軟弱巖體開挖過程中對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。通過上述工程概況及理論分析，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模擬時(shí)對(duì)頂部邊界施加壓力為上覆巖層的重量。根據(jù)計(jì)算，對(duì)底面邊界進(jìn)行固定，巖體很大程度上屬彈塑性介質(zhì)，故本構(gòu)模型選擇摩爾庫倫模型，此次實(shí)驗(yàn)主要觀察大斷面巷道的開挖過程的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的特點(diǎn)。圖5為大斷面軟弱圍巖在開挖情況下，巷道圍巖的位移變形云圖。從圖5（a）可以看出在巷道開始掘進(jìn)時(shí)，兩幫及頂板兩角的位移量最大，隨著掘進(jìn)過程的進(jìn)行，頂角的位移量迅速增大，逐漸造成淺層頂板貫通型失穩(wěn)，但是兩幫的位移量并未有明顯的增加趨勢(shì)。如圖5（b）～（h）所示，隨著開挖步數(shù)的增加，頂板失穩(wěn)愈加強(qiáng)烈，逐漸由淺層貫通型失穩(wěn)迅速拓展到深部圍巖，兩幫的變形量也呈線性增加，因此大斷面軟弱圍巖在開挖采動(dòng)等生產(chǎn)活動(dòng)作用下，應(yīng)該特別注意頂板及兩幫的失穩(wěn)情況。

圖5 位移云圖

圖6為大斷面軟弱圍巖在開挖情況下，巷道圍巖的主應(yīng)力變化云圖。可以發(fā)現(xiàn)在巷道開始掘進(jìn)時(shí)，巷道圍巖周圍應(yīng)力呈卵形分布，應(yīng)力主要集中在巷道的兩幫、頂板、底板，而在底角無明顯的應(yīng)力集中情況。隨著開挖進(jìn)行過程中，應(yīng)力逐漸聚集，從開始無明顯應(yīng)力集中情況發(fā)展到應(yīng)力在頂板及底板大量聚集，底角隨著底板的應(yīng)力增大而增大，隨著開挖的進(jìn)行，頂板應(yīng)力迅速集中，并且向深部圍巖拓展，在頂板上方形成大面積的應(yīng)力集中區(qū)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圍巖的兩幫應(yīng)力緩慢增加與兩幫位移量相符，底板在開挖后期的應(yīng)力變化量并不明顯，因此在大斷面工程中要注意頂板及兩幫的維護(hù)。

圖6 主應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文以貴州黔西南貞豐地區(qū)爛泥溝金礦巷道變形為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料和數(shù)值模擬軟件，分析了該大斷面巷道失穩(wěn)機(jī)制和變形原理：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，該硐室圍巖巖性十分軟弱，易在開采擾動(dòng)下，圍巖的變形量隨塑性區(qū)增大而增大；通過理論計(jì)算，可知該巷道的潛在變形區(qū)極大，特別是頂板的塑性區(qū)易持續(xù)拓展到深部巖體。該大斷面巷道的水平應(yīng)力較大，易在兩幫和頂、底板上形成應(yīng)力集中區(qū)域，與數(shù)值模擬軟件反應(yīng)的情況相符，在大斷面巷道施工過程中，需要十分注意頂板及兩幫的維護(hù)，必要時(shí)可以對(duì)頂板進(jìn)行卸壓措施。