鎮(zhèn)沅金礦特厚煤層巷道圍巖破壞力學(xué)分析

鎮(zhèn)沅金礦特厚煤層巷道圍巖破壞力學(xué)分析

巷道圍巖現(xiàn)狀云南金融資產(chǎn)監(jiān)督管理公司鎮(zhèn)遠(yuǎn)分支機(jī)構(gòu)（以下簡稱“鎮(zhèn)遠(yuǎn)金礦”）位于云南省鎮(zhèn)遠(yuǎn)彝族自治州和平市。鎮(zhèn)沅金礦屬于國內(nèi)特大型金礦區(qū)，目前主要開采范圍為老王寨礦段的1633m、1593m中段和冬瓜林礦段的1633m、1593m中段，設(shè)計采礦生產(chǎn)能力66萬t/a，年產(chǎn)金金屬量1800kg。礦體厚度薄至中厚，一般為3～20m，形態(tài)多變。隨著開采深度的增加，礦巖呈現(xiàn)松軟破碎狀態(tài)，礦巖穩(wěn)固性處于中等穩(wěn)固到極不穩(wěn)固，地應(yīng)力急劇增加，地壓開始逐漸顯現(xiàn)。巷道開挖后，巷道圍巖受工程擾動、水等因素的影響，一些區(qū)域會出現(xiàn)軟巖變形破壞現(xiàn)象。在巷道掘進(jìn)過程中會出現(xiàn)較大的片幫冒頂?shù)痊F(xiàn)象，為了確保工作的安全，需要及時對巷道進(jìn)行支護(hù)。雖然對巷道頂板及兩幫進(jìn)行了支護(hù)，但當(dāng)巷道處于地壓較大的巖層中時還會出現(xiàn)支護(hù)被破壞的情況，且伴隨著巷道底板上鼓，鐵軌逐漸傾斜，導(dǎo)致礦車無法正常行駛。目前巷道主要采用鋼拱架支護(hù)，巷道變形導(dǎo)致鋼拱架變形嚴(yán)重，為了保證井下正常生產(chǎn)，確保人員及車輛的安全，需要及時拆換變形的鋼拱架。巷道的變形、破壞不僅增大了巷道的支護(hù)與維護(hù)成本，而且嚴(yán)重影響了采區(qū)的生產(chǎn)效率與安全條件1巖石力學(xué)特征鎮(zhèn)沅金礦區(qū)北西自丫口街，南東至庫獨(dú)木大寨，長12km，北東、南西分別以F鎮(zhèn)沅金礦地處哀牢山脈西坡，地貌溝壑縱橫，最高標(biāo)高2230.35m(大磨山)，屬中山中切割的山岳地貌。山間滑坡、崩塌等地質(zhì)地貌現(xiàn)象普遍，形成山坡重力脊椎地形，礦區(qū)地形復(fù)雜。鎮(zhèn)沅金礦井下礦體頂板巖性為凝灰質(zhì)粉砂巖及巖屑石英雜砂巖。凝灰質(zhì)雜砂巖巖石力學(xué)強(qiáng)度低，為泥質(zhì)粉砂狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖性單一，巖石中裂隙均為閉合狀及延續(xù)性差的擠壓面，一般不破壞巖體的連續(xù)性及完整性。巖屑石英雜砂巖，巖石膠結(jié)緊密堅硬。礦體底板巖性為薄層狀泥晶灰?guī)r夾含碳鈣質(zhì)板巖。巖層經(jīng)受擠壓揉皺，形成褶皺及碎裂呈薄板狀和不規(guī)則塊狀，層理延續(xù)性差。整層巖體層間結(jié)合力中等，含溶蝕裂隙水，屬半堅硬、較穩(wěn)固巖層。目前，冬瓜林礦段已經(jīng)開拓到1473m中段，隨著開采深度的增加，巖體的節(jié)理面逐漸發(fā)育，礦巖的穩(wěn)定性越來越差，巷道變形破壞的情況逐漸加劇。1473m中段圍巖為極薄的含碳鈣質(zhì)絹云板巖和雜砂巖，節(jié)理較為發(fā)育，巖層間內(nèi)聚力小，呈松軟破碎狀態(tài)，在巷道掘進(jìn)中成型較為困難，開挖后受空氣、水等因素的影響發(fā)生膨脹，出現(xiàn)變形破壞。巷道破壞不僅增加了巷道的支護(hù)與維護(hù)成本，而且嚴(yán)重影響了采區(qū)的生產(chǎn)效率和作業(yè)安全。為了維持井下正常的生產(chǎn)運(yùn)輸及確保井下作業(yè)人員、設(shè)備的安全，亟需對其進(jìn)行整改加固。2礦區(qū)土壤肥力和道路土壤壓度的估計2.1初步判斷礦區(qū)地應(yīng)力特征地質(zhì)資料顯示，礦區(qū)未出現(xiàn)過原巖應(yīng)力過高導(dǎo)致破壞硐室穩(wěn)定及有關(guān)巖爆方面的工況。在鎮(zhèn)沅金礦區(qū)及附近礦區(qū)沒有明顯的新構(gòu)造活動跡象，由此可以初步判斷礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)主要為正常的地應(yīng)力，即自重應(yīng)力的影響，沒有明顯的地應(yīng)力異?，F(xiàn)象。原巖應(yīng)力為自重應(yīng)力，最大主應(yīng)力σ式中:ρ為巖石密度(kg/m對冬瓜林礦段1473m中段巷道圍巖的壓力進(jìn)行估算，其上部覆巖的高度約500m，礦巖的平均密度為2.7t/m2.2巷道圍巖地應(yīng)對能力計算1)破碎圈半徑(R式中:R2)每米巷道頂壓(Q式中:a為巷道掘進(jìn)斷面上寬的一半(m);η為非圓巷破碎帶寬度修正系數(shù);h3)每米巷道的總側(cè)壓力(Q式中:h鎮(zhèn)沅金礦巷道斷面掘進(jìn)尺寸為2.5m×2.6m，巷道的頂、底板包括兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角φ=25°，C=34.4MPa，則1473m中段的水平巷道地壓計算結(jié)果為:破碎圈半徑9.28m，巷道頂壓7MPa，巷道總側(cè)壓力3.14MPa。從地應(yīng)力角度來看，該區(qū)域的巷道位于地表以下約500m，以該開拓深度計算礦區(qū)地應(yīng)力為垂直方向13.5MPa，水平方向4.5MPa;對于開掘的巷道，其圍巖的垂直應(yīng)力為7MPa，水平應(yīng)力為3.14MPa。由此可以看出，巷道破壞不屬于構(gòu)造應(yīng)力破壞，而屬于自重應(yīng)力及其節(jié)理剪切滑移造成的破壞。3道路穩(wěn)定性分析3.1巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗為了明確巷道變形破壞的特點(diǎn)和巷道破壞原因，對巷道巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性分級。主要對冬瓜林礦段1473m中段主巷圍巖進(jìn)行了巖體結(jié)構(gòu)面測量與點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗，對主巷掘進(jìn)的掌子面、巷道噴漿層破壞處及穿脈中相同巖層地段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面測量和巖石強(qiáng)度測試，結(jié)構(gòu)面調(diào)查及取樣地點(diǎn)見圖1。共測量結(jié)構(gòu)面32組(443條結(jié)構(gòu)面)。其中，1473m中段主巷圍巖13.2巖石力學(xué)參數(shù)根據(jù)巖體穩(wěn)定性分級的要求由于巷道圍巖的節(jié)理裂隙都比較發(fā)育，考慮到巷道巖體在受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的影響時，其力學(xué)參數(shù)與巖石的力學(xué)參數(shù)存在較大差異，因此需要根據(jù)Hoek在1992年對Hoek-Brown準(zhǔn)則的修正結(jié)果，對巷道巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估算，估算后得到的巖體破壞準(zhǔn)則表達(dá)式為:式中:σ通過對巖體力學(xué)參數(shù)的估算，近似得到1473m中段的礦體和圍巖在原始應(yīng)力條件下的力學(xué)狀態(tài)，其巖體的基本力學(xué)參數(shù)見表3。4道路損壞的原因和破壞形式4.1巷道破壞破壞機(jī)理通過對礦區(qū)及巷道圍巖地應(yīng)力估算可以看出，巷道的變形破壞并不是由構(gòu)造應(yīng)力引起的，主要是自重應(yīng)力及其節(jié)理剪切滑移造成的。通過分析初步確定巷道圍巖的破壞原因主要有以下幾點(diǎn):(1)巷道層節(jié)理面發(fā)育，其巖石強(qiáng)度不低，但受節(jié)理面的影響導(dǎo)致巷道圍巖的整體穩(wěn)定性較差，呈現(xiàn)碎裂結(jié)構(gòu);(2)巷道圍巖暴露在空氣中，在空氣和水的作用下巖石發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致巷道兩幫被鼓出破壞;(3)巷道破壞區(qū)域普遍分布于巷道兩幫中線以下區(qū)域，由于該段區(qū)域未采取相應(yīng)的支護(hù)措施，且緊鄰底板，底板含水量較大，底板中的水沿巷道裂隙滲透到巷道兩幫;(4)巷道圍巖受到層節(jié)理和地下水的作用，在上部圍巖自重應(yīng)力及其節(jié)理面的剪切滑移作用下，最終導(dǎo)致變形破壞。4.2巷道圍巖應(yīng)力及位移根據(jù)鎮(zhèn)沅金礦冬瓜林礦段1473m中段主巷圍巖的產(chǎn)狀，利用有限云軟件建立數(shù)值模型，模型共45464個單元塊，237577個節(jié)點(diǎn)。所建巷道模型水平標(biāo)高距離地表約為300m，上覆巖體的平均密度為2.7t/m通過計算分析可得，應(yīng)力及位移云圖見圖2～5。由圖2、圖3可知:巷道開挖后圍巖會出現(xiàn)應(yīng)力集中，但整體所受的應(yīng)力并不大，巷道兩幫及底板所受的最大主應(yīng)力為5～6MPa，最小主應(yīng)力為2～3MPa，數(shù)值模擬的巷道受力結(jié)果與估算結(jié)果基本吻合。但是，通過位移云圖(見圖4、圖5)可以看出:巷道兩幫所產(chǎn)生的位移為20～40mm，而巷道頂板和底板所產(chǎn)生的位移約為30mm。由此可以看出，巷道發(fā)生破壞受巷道圍巖自身的力學(xué)性質(zhì)影響較大，巷道圍巖呈現(xiàn)松軟破碎狀態(tài)，自身承載能力較弱，在工程擾動、空氣、地下水等因素的影響下將發(fā)生較大變形，引起巷道的破壞。巷道開挖后的塑性區(qū)見圖6。由圖6可知，巷道的變形破壞主要發(fā)生在巷道的兩幫、底板及右?guī)偷捉遣课?，通過數(shù)值模擬計算出的結(jié)果與巷道破壞情況基本相符。5道路防護(hù)技術(shù)5.1道錨注聯(lián)合支護(hù)參數(shù)根據(jù)巷道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，且層間內(nèi)聚力較小的特點(diǎn)，通過綜合對比分析確定采用錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是利用注漿錨桿向破碎巖體內(nèi)注入漿液，漿液充填至巖體裂隙內(nèi)，改變巖石的松散結(jié)構(gòu)，提高節(jié)理之間的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角，進(jìn)而提高巖體自身的承載能力1)支護(hù)參數(shù)。巷道錨注聯(lián)合支護(hù)斷面形式及支護(hù)方式見圖7。(1)噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)參數(shù)。采用水泥卷錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿長度2.0m，錨桿直徑16mm，錨桿排距0.8m，錨桿間距0.9m，托盤規(guī)格150mm×150mm×10mm，噴漿層厚度70～100mm，噴射混凝土強(qiáng)度等級C20。(2)注漿錨桿。采用中空注漿錨桿進(jìn)行二次支護(hù)，錨桿長度1.8m，錨桿直徑25mm，厚度3mm，錨桿間排距1.2m×1.2m。底板注漿錨桿下扎，與水平夾角為30°～45°。2)注漿量。注漿壓力隨時間的增加而增大。通過監(jiān)測注漿壓力可以保證不超出最大允許壓力的情況下確定每孔的注漿量，一般每孔注1～2袋水泥即可。當(dāng)有漿液溢出時停止注漿，待漿液初凝后再次注漿。3)注漿壓力。注漿壓力根據(jù)以往經(jīng)驗，頂板及底板最大注漿壓力2.0MPa，兩幫最大注漿壓力為1.5MPa。4)水灰質(zhì)量比為(1∶1)～(0.8∶1)。5.2算模型單元分布根據(jù)設(shè)計的巷道斷面形狀及支護(hù)參數(shù)建立數(shù)值模型，建立的計算模型共39704個單元塊，196189個節(jié)點(diǎn)。所建巷道模型對應(yīng)的地表標(biāo)高為1900m，巷道所在水平標(biāo)高為1473m，上覆巖體的平均密度為2.7t/m5.2.1巷道支護(hù)情況分析巷道掘進(jìn)后及時對巷道進(jìn)行封閉，完成噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，迅速提供連續(xù)的支撐力，改變圍巖的受力狀態(tài)，阻止變形的發(fā)展，避免了圍巖的松散和脫落。應(yīng)用某礦業(yè)軟件模擬巷道開挖后噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的效果見圖8。由圖8-a)、圖8-b)可知:巷道頂板及兩幫的最大豎直位移為5.0～6.1mm，且分布較均勻，最大位移出現(xiàn)在巷道左幫位置，巷道底板的最大位移為25～30mm;巷道兩幫的水平位移為5～10mm，最大位移位置出現(xiàn)在巷道底角，底角最大位移為10～15mm。巷道開挖后及時對其采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，能夠提供連續(xù)的支撐力，有效抑制了巷道的變形。噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)后圍巖的塑性區(qū)情況見圖8-c)。由圖8-c)可知，巷道圍巖的塑性區(qū)主要出現(xiàn)在巷道兩幫及巷道底板，巷道兩幫及底板的破壞主要是剪切破壞和張拉破壞。5.2.2巷道圍巖塑性區(qū)分析噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)束后經(jīng)過2～4d，巷道壓力得到有效釋放后進(jìn)行錨注二次支護(hù)，通過注漿使巷道圍巖形成一個整體，提高了其自身的強(qiáng)度和完整性，從而提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。應(yīng)用某礦業(yè)軟件模擬巷道開挖后噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的效果見圖9。由圖9-a)、圖9-b)可知，巷道注漿后，巷道頂板的豎直位移為2.0～4.2mm，巷道底板的豎直位移為6.0～9.3mm，巷道兩幫的水平位移為3.0～4.6mm。巷道注漿后圍巖的塑性區(qū)情況見圖9-c)。由圖9-c)可知:注漿后巷道底板圍巖的塑性區(qū)明顯減小，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍已經(jīng)非常小，巷道破壞深度大大降低，說明注漿后巷道的塑性破壞范圍減小。通過對巷道圍巖注漿前后巷道的位移對比可以看出:巷道采用注漿錨桿支護(hù)后，提高了整體的強(qiáng)度和支撐結(jié)構(gòu)的承載力，有效減小了巷道圍巖的變形量，對提高巷道的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。5.3工程應(yīng)用和效果5.3.1噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)對于冬瓜林礦段1473m中段主巷掘進(jìn)施工段試驗采用噴錨網(wǎng)與注漿聯(lián)合支護(hù)的形式，巷道掘進(jìn)后馬上進(jìn)行噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，經(jīng)過一段時間再進(jìn)行錨注聯(lián)合支護(hù)。對于巷道巖體非常破碎的區(qū)域，巷道裸露2～3h就可噴射混凝土，并保證在8～16h完成噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，以便能迅速為巷道提供連續(xù)支撐力，改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，防止巷道變形的快速發(fā)展。噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)不但具有一定的柔性，允許巷道發(fā)生一定的變形，減輕支護(hù)層的支撐壓力，而且可以及時封閉巷道圍巖，防止空氣和水對巷道巖體的侵蝕和風(fēng)化，有利于保持巷道圍巖的自身強(qiáng)度和承載能力。噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)結(jié)束后經(jīng)過4～7d，巷道壓力得到有效釋放后，再進(jìn)行錨注聯(lián)合支護(hù)，作為巷道的二次支護(hù)，錨注聯(lián)合支護(hù)主要針對巷道兩幫下部及底角位置，通過注漿巷道圍巖的裂隙得到黏結(jié)，形成整體，進(jìn)而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性及巖體的自身承載能力。5.3.2巷道圍巖變形破壞特征在采用錨注聯(lián)合支護(hù)的巷道內(nèi)對巷道兩幫的變形量進(jìn)行監(jiān)測，巷道變形監(jiān)測及變形收斂后的效果見圖10。由圖10可知:巷道經(jīng)過4個月后達(dá)到最終收斂，最終的巷道變形量不超過20mm，巷道未發(fā)生較大的變形和破壞。在周邊穿脈及相應(yīng)的采場采準(zhǔn)切割工程施工過程中的爆破對主巷的震動影響下，巷道也未發(fā)生破壞。因此，錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有效控制了巷道的變形，維持了巷道的穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。5.3.3降低巷道支護(hù)成本對冬瓜林礦段1473m中段主巷錨注聯(lián)合支護(hù)的材料成本進(jìn)行標(biāo)定及計算，結(jié)果見表4。巷道錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)和作業(yè)循環(huán)能夠較好地控制巷道的變形和破壞，雖然巷道前期支護(hù)成本較高，但通過錨注聯(lián)合支護(hù)后巷道在服務(wù)期內(nèi)不會出現(xiàn)較大的破壞，不需要進(jìn)行巷道的二次維護(hù)，因此錨注聯(lián)合支護(hù)大大減少了后期巷道的維護(hù)次數(shù)和維修費(fèi)用，有效降低了井下巷道支護(hù)的綜合成本。6支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)確定1)對鎮(zhèn)沅金礦的地應(yīng)力及巷道壓力進(jìn)行了估算，根據(jù)估算結(jié)果，巷道破壞不屬于構(gòu)造應(yīng)力破壞，而是由自重應(yīng)力及其