焦家金礦深部巷道圍巖穩定性控制優化研究

摘要：針對焦家金礦深部巷道現有支護體系無法有效防止巷道局部破壞的問題，結合巖石力學理論與工程實踐展開了深入研究。通過現場調查與典型破壞模式分析，采用先進的結構面三維掃描技術，系統掌握了巷道巖體破壞特征及其成因。采用3DEC離散元軟件建立了三維巷道開挖數值模型，對不同支護方案的穩定性進行了模擬分析。研究提出了具有創新性的斜交錨桿支護方案，針對巷道圍巖復雜應力環境進行優化設計。數值模擬結果表明，優化后的支護體系顯著提升了巷道整體和局部穩定性，有效抑制了破壞的發生，為深部巷道的安全運營提供了可靠保障。該方案不僅提升了支護效率，還降低了施工成本，為焦家金礦深部破碎巷道圍巖穩定性控制提供了重要的參考和技術支持。

關鍵詞：巖體力學；結構面掃描；巖體穩定；巷道破壞；支護設計；圍巖控制

[中圖分類號：TD353 文章編號：1001-1277（2025）04-0025-05 文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250405 ]

引言

巷道支護技術是確保地下礦山安全和高效生產的重要環節，尤其是在深部開采中，復雜的地質條件和高地應力環境對支護技術提出了更高的要求［1］。近年來，隨著礦產資源的不斷開發，深部礦產資源開采已成為研究的重點領域。深部開采面臨的主要問題包括高地應力、軟弱巖層、水浸等，這些問題對巷道的穩定性和安全性構成了嚴重威脅。為了應對這些挑戰，眾多學者和工程師進行了大量的研究，提出了多種創新性的支護技術和方法。駱秀生等［2］針對巷道中錨索裝卸的安全問題進行了深入探討，指出了操作過程中的潛在風險點，并提出了相應的安全管理措施，這對于提高巷道施工的安全水平具有重要意義。與此同時，YANG等［3］研究了高應力和軟巖條件下水浸巷道的破壞機理及控制技術，通過理論分析和現場試驗，提出了有效的支護方案，為解決類似地質條件下的巷道穩定性問題提供了科學依據。

支護技術的創新和優化也是研究的熱點。劉許亭［4］研究了某礦山破碎巷幫中錨索錨固力的提高技術，通過優化錨索參數和施工工藝，顯著提升了支護效果。張延磊［5］將錨索框架梁技術應用于滑坡的加固，結合預警技術，實現了對滑坡災害的有效預防。武帥［6］研究了飽和黏土層中錨索錨固段長度對支護效果的影響，提出了基于工程優化的設計方法，為復雜地質條件下的支護設計提供了新思路。吳蒸［7］對某礦山3號工作面的巷道錨桿支護方案進行了合理性分析，通過數值模擬和現場監測，驗證了現有支護方案的有效性，并提出了改進措施。單仁亮等［8］綜述了國內外巷道支護技術的研究進展，總結了不同類型巷道支護技術的特點和適用條件，為選擇合適的支護方案提供了參考。

此外，深部開采的特殊地質條件也對支護技術提出了新的挑戰。周保精［9］研究了充填體與圍巖之間的協調變形機制，提出了沿空留巷技術。張忠輝等［10］針對焦家金礦巷道圍巖松動圈的特性，開展了支護技術研究，提高了巷道的穩定性和安全性。陳洪凱等［11］研究了徑向錨釘與斜交錨桿復合支護技術，證明了該技術在提高圍巖穩定性方面的有效性。王云生［12］對三山島金礦西山深部北區礦體采場結構參數進行了優化，提出了合理的支護方案，有效提高了采場的穩定性和安全性。王輝等［13］綜述了深井開采地壓基礎理論與防控研究進展，為深井開采的安全管理提供了理論支持。趙興東［14］總結了黃金礦山深井開采的研究進展與發展趨勢，指出了未來研究方向。沈泉生等［15］研究了高海拔破碎圍巖排水巷道錨索支護參數的優化，提出了適用于高海拔地區的支護方案。臧冀川［16］對高水平應力礦巖接觸帶巷道的穩定性進行了分析，提出了有效的支護措施。鑒于巖體非連續性及多因素制約的力學行為，錨桿支護成為常用策略，但針對破碎圍巖的有效支護設計仍具挑戰。山東黃金礦業（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）深部巷道面臨圍巖破碎問題，傳統增密錨桿雖能提升承載力，但成本增加且效果有限，凸顯個性化支護設計的重要性。本文針對焦家金礦14中段巷道受深部應力及開采擾動影響顯著的現狀，分析現有支護效果，借鑒成熟支護體系［17-21］，旨在提出優化策略，以增強圍巖穩定性并實現支護成本的經濟性。

1工程背景

焦家金礦床屬破碎帶蝕變巖型金礦床。焦家金礦主要有焦家礦區、望兒山礦區和寺莊礦區3個礦區。其中，焦家礦區是主要的開采區域，目前已開采至14中段（-630 m水平），礦區內主要為玲瓏花崗巖，位于礦體下盤及深部，礦體呈淺肉紅色，中粒花崗結構，塊狀、片麻狀構造。礦體上盤圍巖為斜長角閃巖，穩固性差，暴露面積較大或滯留時間較長易發生塌落。礦體下盤為絹英巖化、硅化和鉀化花崗巖，其內也發育有相互交錯的裂隙節理，造成局部圍巖破碎。

14中段為目前焦家金礦焦家礦區主要開拓中段，標高-630 m，已進入深部開采階段，主要采用上向進路充填采礦法，單采場回采能力達94 t/d。在巷道開拓過程中，圍巖狀況較差的區域時常發生巷道圍巖失穩破壞現象，嚴重干擾正常工期與生產安全。現有支護方案對于圍巖破碎區的控制效果不夠理想，亟須對現有支護措施進行優化以提升圍巖破碎區域巷道的穩定性。

1.1現有支護措施下圍巖典型破壞特征

根據實地調查，14中段巷道圍巖破壞形式主要表現為頂拱巖石的冒落、拱腳巖石的壓剪型破壞、沿構造面擠出及兩幫的片幫破壞（如圖1所示）。其中，頂板巖石的三角形冒落多出現在交叉節理發育地段，而在2條垂直巷道的交叉口及周邊小范圍區域，拱腳的壓剪型破壞與側幫沿構造面擠出的現象更為明顯。

14中段巷道形狀主要為直墻拱頂形巷道，頂部拱形基本可認為是三心拱，巷道的初始斷面尺寸為3.5 m×3.5 m。三心拱巷道周邊應力較大的區域通常為巷道頂板和拱角。這2處地方最容易因為壓力過大而出現巖體破壞，又由于區域地應力的影響，垂直于巷道的地應力大于垂直應力，使得巷道側幫巖體中同樣容易出現拉應力。同時，節理的存在會極大程度地劣化圍巖自身的承載能力。巷道主要破壞模式力學狀態如圖2所示。由圖2可知：頂板冒落一般發生在節理交叉發育的地方，巖石被交叉的節理組切割成楔形體，楔形體會在自重（G）作用下沿著節理面下滑，兩側的圍巖會對其產生一個擠壓力（N），從而使其在沿節理面的方向產生摩擦力（F）；而當開挖活動影響到構造面的穩定時，擠壓力（N）就會減弱，進而弱化周圍巖體對楔形體的摩擦力（F），巖塊就會冒落從而形成三角形的冒落空間。當巷道兩側節理較為發育，巖體中存在多組交叉節理面，相互交叉的節理面將兩幫圍巖切割成獨立的巖塊，這些巖塊在重力分量和摩擦力（F）的作用下保持平衡狀態；當有爆破擾動或地下水滲入節理面時，巖塊與節理面之間的摩擦系數減小，從而使得重力分量大于摩擦力（F），巖塊沿著節理面發生移動，即片幫。

1.2巷道圍巖結構面分布特征調查

為了能夠更貼近真實的構建該區域的巖體數值計算模型，使用結構面數字識別系統ShapeMetriX 3D對14中段巷道圍巖進行結構面調查分析（如圖3所示），將現場所獲取左視圖、右視圖導入軟件分析系統，可以構建得到巖體表面的三維視圖及結構面分布情況。

統計匯總巷道范圍內的結構面調查信息，得出分析區域內2組優勢結構面參數，結果如表1所示。

2現有支護方案下巷道圍巖變形特性

根據上文中得到的巖體力學參數對14中段典型穿脈巷道區域進行建模，結合現場節理裂隙調查結果，利用3DEC離散元軟件與DFN方法，構建符合實際節理產狀的隨機裂隙網絡計算模型（如圖4所示），模型尺寸為50 m×30 m×30 m，底部邊界固定，其余邊界施加法向約束，以巷道軸向為最大主應力方向，則按照地應力實測結果向模型施加應力場[σx]=26.75 MPa，[σy]=32.47 MPa，[σz]=25.46 MPa。

14中段現有支護方式為錨網支護，支護參數如表2所示，建立的現有支護結構數值模型如圖5所示。

巷道采用分步開挖的模式，以2 m為一個進尺，共開挖5次，在巷道軸向1 m位置的頂拱與右幫處設置位移與應力監測點，開挖完成后，監測記錄的位移與應力變化趨勢如圖6所示。現有支護結構下，頂拱與側幫位移在開挖完成后以較快的速度增長并隨著巷道推進減緩增速，達到3 mm后仍在緩慢增長；巷道淺層圍巖的拉應力值最大達2.8 MPa，已超過巖石自身的抗拉能力，存在一定的風險。

巷道圍巖塑性區的分布情況如圖7所示。由圖7可知：現有支護結構下，在構造面較為發育的部位，塑性區會沿著構造面繼續延伸，有多組構造面交叉的部位，巷道極易形成崩落或向臨空面擠出的塊體，影響巷道的穩定性。

在現有支護體系下，巷道圍巖的頂拱沉降量和邊幫擠出量均在合理范圍邊緣，且表層圍壓承受的拉應力也十分接近巖體的抗拉極限，一旦遇到節理的弱化作用，則極易沿著構造面產生大變形，嚴重威脅巷道的正常運營，因此需要對現有支護方案進行優化調整，以維護巷道的穩定性與安全性。

3斜交錨桿支護技術設計

巖體中的天然結構面容易相互交錯延伸形成楔形體，而傳統徑向錨桿很難錨固小傾角徑向結構面。當某一相鄰排錨桿之間經過巷道壁面任一點的徑向裂隙不能被錨桿有效攔截的區域即為錨固盲區（如圖8所示），其大小可用式（1）進行定量化描述。

式中：M為錨固盲區（m）；[Sj]為圍巖體內部相鄰排錨桿端頭間距（m）；[θmax ]為盲區最大掃掠角度（°）。

針對現有支護方式對錨固盲區內圍巖構造缺乏有效控制的缺點，提出斜交錨桿支護方案，斜交錨桿支護技術中錨固盲區可按式（2）計算，計算模型如圖9所示。

式中：[h]為斜交錨桿頂端距巷道斷面的距離（m）。

根據現有支護方案，相鄰排錨桿端頭間距為1.65 m，因此，計算得現有支護錨固盲區為0.872 m。優化后支護錨桿端頭間距為0.32 m，錨固盲區為0.34 m，減小幅值約61 %。

4斜交錨桿支護效果驗證

將斜交錨桿支護方案應用于數值模型，并進行開挖模擬，結果如圖10所示。

支護方案優化后監測點位移與應力變化趨勢如圖11所示。由圖11可知：斜交錨桿支護技術對巷道頂板沉降、拉應力增長、塑性區分布相較于原支護有好的控制效果，頂拱與側幫的位移處于安全范圍之內，巷道表層圍巖的拉應力也遠小于圍巖的抗拉承載能力，巷道失穩風險降低，穩固性提升。

巷道斷面塑性區分布如圖12所示。由圖12可知：優化后的支護有效縮小了巷道頂拱與拱腳的塑性區集中程度，對塑性區會沿構造面進一步延伸的情況有了更好的控制，有效提升了巷道的整體穩定性與局部穩定性。

根據優化后的支護方案，在14中段選擇一個獨頭位置進行了小型工業試驗。試驗期間，對巷道的變形情況進行了實時監測，發現圍巖位移明顯減少，巷道輪廓保持了較好的幾何形狀，沒有出現明顯的塌陷或裂縫。試驗結果顯示，優化后的支護方案在多個方面表現優異，能夠有效控制破碎圍巖的變形與破壞，顯著提升了巷道的穩定性。雖然初期投入成本有所增加，但由于支護效果顯著，減少了后續的維護和修復工作，整體運營成本得到了有效控制。此外，優化后的支護方案還提高了作業安全系數，減少了因圍巖不穩定導致的事故風險，為礦山的安全生產提供了有力保障。

5結論

1）通過對焦家金礦焦家礦區14中段巷道圍巖主要破壞模式展開調查，明確了巷道的破壞模式以頂板冒落、拱腳崩壞與片幫為主，并對破壞區域典型圍巖進行結構面三維掃描，明確了區域優勢結構面的產狀。

2）通過3DEC離散元軟件構建符合現場實際的裂隙巖體三維模型，分析現有支護方案下的巷道穩定性，結果表明現有支護方案下，圍巖位移與應力均貼近安全值，且對節理構造處的圍巖塑性區控制效果較差。

3）以縮小錨固盲區為基本思路，提出斜交錨桿支護技術，有效地提升了巷道整體的穩定性及對于節理構造發育的局部區域穩定性的控制能力。

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Optimization study on stability control of surrounding rock in deep roadways

of the Jiaojia Gold Mine

Wang Xingya

（Jiaojia Gold Mine， Shandong Gold Mining Industry （Laizhou） Co.， Ltd.）

Abstract： To address the inefficiency of existing support systems in preventing localized failures in deep roadways at the Jiaojia Gold Mine， this study integrates rock mechanics theory and engineering practice. Through field investigations and analysis of typical failure patterns， advanced 3D structural plane scanning technology was employed to systematically master roadway rock mass failure characteristics and causes. A 3DEC discrete element software was used to develop a 3D numerical model for roadway excavation that simulates and analyzes the stability of various support schemes. An innovative diagonal bolt support scheme was proposed， specifically optimized for the complex stress environment of the surrounding rock. Numerical simulation results demonstrate that the optimized support system significantly enhances both global and local stability， effectively suppressing failure initiation and ensuring safe operations in deep roadways. This solution not only improves support efficiency but also reduces construction costs， providing critical references and technical insights for stability control in fractured surrounding rock under deep mining conditions at the Jiaojia Gold Mine.

Keywords： rock mechanics; structural plane scanning; rock mass stability; roadway failure; support design; surrounding rock control

收稿日期：2024-10-05；修回日期：2024-11-25

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFC3001300）

作者簡介：王興亞（1988—），男，工程師，從事金屬礦山采礦技術研究工作；E?mail：106533252@qq.com