含软弱夹层巷道围岩失稳机理及控制技术研究.pdf

第 卷第期有色金属(矿山部分)年月 d o i:/j i s s n 含软弱夹层巷道围岩失稳机理及控制技术研究张文涛,李克钢,秦庆词,刘炼锋,郑聪,廖元欢(昆明理工大学 国土资源工程学院,昆明 ;云南中德蓝色矿山与特殊地下空间利用重点实验室,昆明 ,云南永昌铅锌股份有限公司,云南 保山 )摘要:为解决滇西某铅锌矿在转向深部开采过程中面临的巷道变形失稳加剧与支护结构破坏严重等问题,通过岩石矿物成分分析、地应力测试和松动圈测试分析围岩失稳机理,建立数值模型分析开挖后和现有支护下围岩变形情况.发现研究段属于高应力作用下的急倾斜薄层状破碎岩体,巷道薄弱部位为软弱夹层区域,根据围岩松动圈理论,提出了锚喷薄弱部位补强全断面钢拱架主被动联合支护的优化方案,有效控制了围岩变形破坏.研究结果为类似大埋深、高应力、含软弱夹层巷道围岩的稳定性控制提供了借鉴.关键词:软弱夹层;失稳机理;联合支护;数值模拟中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()I n s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l t e c h n o l o g yo f r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kw i t hw e a ki n t e r c a l a t i o nZ HANG W e n t a o,L IK e g a n g,Q I NQ i n g c i,L I UL i a n f e n g,Z HE NGC o n g,L I AOY u a n h u a n(F a c u l t yo fL a n dR e s o u r c e sE n g i n e e r i n g,K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,K u n m i n g ,C h i n a;Y u n n a nK e yL a b o r a t o r yo fS i n o G e r m a nB l u eM i n i n ga n dU t i l i z a t i o no fS p e c i a lU n d e r g r o u n dS p a c e,K u n m i n g ,C h i n a;Y u n n a nY o n g c h a n gL e a d Z i n cC o,L t d,B a o s h a nY u n n a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e m so f r o a d w a yd e f o r m a t i o na n d i n s t a b i l i t ya g g r a v a t i o na n ds e r i o u sd a m a g eo f s u p p o r t i n gs t r u c t u r ei nal e a d z i n cm i n ei nw e s t e r nY u n n a np r o v i n c ed u r i n gi t st r a n s i t i o nt od e e pm i n i n g T h ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo f t h es u r r o u n d i n gr o c kw a sa n a l y z e db yr o c ka n dm i n e r a l c o m p o s i t i o na n a l y s i s,i n s i t us t r e s st e s t,a n d l o o s ez o n e t e s t,a n dan u m e r i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oa n a l y z e t h ed e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c ka f t e re x c a v a t i o na n du n d e re x i s t i n gs u p p o r t I t i s f o u n dt h a t t h es t u d ys e c t i o nb e l o n g st ot h es t e e p l y i n c l i n e dt h i nl a y e r e db r o k e nr o c km a s su n d e rt h ea c t i o no fh i g hs t r e s s,a n dt h ew e a kp a r to ft h er o a d w a yi st h ew e a ki n t e r l a y e ra r e a A c c o r d i n gt o t h e l o o s e z o n e t h e o r yo f s u r r o u n d i n gr o c k,a no p t i m i z a t i o ns c h e m eo f s h o t c r e t e s t r e n g t h e n i n go fw e a kp a r t a c t i v ea n dp a s s i v ec o m b i n e ds u p p o r to f s t e e l a r c hw i t hf u l l s e c t i o ni sp r o p o s e d,w h i c he f f e c t i v e l yc o n t r o l st h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo f s u r r o u n d i n gr o c k I tp r o v i d e sar e f e r e n c e f o r t h es t a b i l i t yc o n t r o l o f r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kw i t hs i m i l a r l a r g eb u r i e dd e p t h,h i g hs t r e s s,a n dw e a k i n t e r l a y e r K e yw o r d s:w e a ki n t e r c a l a t i o n;i n s t a b i l i t ym e c h a n i s m;c o m b i n e ds u p p o r t;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();云南省重大科技专项(A G )作者简介:张文涛(),男,硕士研究生,主要研究方向为岩石力学及工程,E m a i l:q c o m.通信作者:李克钢(),男,博士,教授,主要研究方向为岩石力学、工程岩体稳定性等,E m a i l:q q c o m.随着地下开采工作的不断进行,浅部矿产资源呈现出逐渐枯竭的趋势,开采向深部进行已成为了一种趋势,伴随着开采深度的不断提高,井下一些普通岩石在三高一扰动的影响下往往会呈现出软岩特性 ,对井下工程的正常运行带来了极大的挑战.由于软弱夹层在岩体中广泛存在,尤其是沿脉巷道顶底板存在,因其强度和刚度较低,对围岩稳定有显著影响,使巷道开挖后呈现出了大变形特征.近年来,针对含软弱夹层的岩层力学变化机制和围岩破坏模式有着大量的研究与应用,郭富利有色金属(矿山部分)第 卷等结合不同围岩室内三轴试验结果,建立了含软弱夹层围岩的力学模型,探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程,揭示了高地应力条件下软弱夹层引起围岩变形失稳的机理;谭文兵等运用F L A C D软件对巷道在不同支护情况下的应力分布及变形破坏进行了模拟分析,发现矿体崩落回采会对断层造成极大的影响,且巷道距离断层越近破坏越严重,在巷道支护前后,应力由两帮逐渐转移至巷道拱部;殷勇等应用塑性极限平衡分析方法综合考虑软弱夹层面的摩擦条件、土层自重及夹层周围的受力状态等因素,推导出了软弱夹层极限荷载实用计算式,为软弱夹层的承载稳定分析提供了一定的思路;刘占阳等研制了一种新型无机高强材料,通过增强注浆材料的强度及固结效果来提高开采的安全性,有益于破碎带问题解决;文海家等研究了含单条软弱夹层和含条软弱夹层隧道围岩破坏模式的差异,发现含条软弱夹层的围岩破坏模式要更为复杂且更难支护;王勇 采用现场监测、数值模拟及理论分析,研究了含软弱夹层隧道围岩的稳定性和支护结构受力特征;黄锋等 利用室内相似模型试验及有限元数值模拟对软弱夹层围岩松动区、破坏区的发展过程进行了研究;贾后省等 采用理论分析、数值模拟、现场探测等综合研究方法,研究了含软弱夹层顶板采动巷道围岩破裂形态及冒顶机理;赵呈星等 针对研究区域埋深大、应力高、围岩强度低的特点,通过理论计算围岩塑性区范围,采用小、大两个承载体来分别控制围岩破碎区的扩大和限制围岩塑性区的发展,进而提出采用“混凝土喷射注浆锚杆/锚索普通锚杆/锚索”联合支护方案对新掘巷道进行支护;邹佩国等 通过围岩控制试验和研究集成锚注加固技术、锚喷加固技术、锚杆锚索加固技术体系,形成了解决大埋深矿井软岩地层围岩加固的系列适用技术.以上研究主要集中在不同围岩赋存区域下含软弱夹层的巷道围岩控制和整体力学模型研究上,对于埋深大、应力高、软弱夹层影响下的层状岩体的围岩失稳机理和控制还有待进一步深入研究.本文以滇西某铅锌矿埋深 m的主运输巷道为研究对象,探究复杂条件下含软弱夹层巷道的围岩变形原因及控制对策.工程概况滇西某铅锌矿目前井下正常工作中段为 m中段,埋深 m,该中段 勘探线附近巷道变形严重,岩层走向为南北向,倾角为 ,层理发育明显,属于层状急倾斜岩体,巷道上盘为灰岩,下盘区域内含条软弱夹层与砂岩互层,围岩等级为 类围岩,巷道现有支护方式为“锚喷钢拱架”联合支护,巷道左帮向车道内挤出,巷道底鼓明显,车道严重偏离原位置,人行道及水沟破坏严重,部分区域几乎消失,巷道变形情况如图所示.图巷道围岩变形破坏情况F i g S i t e f a i l u r eo f r o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c k 巷道围岩失稳机理分析根据现场变形情况,发现该区域内巷道软弱夹层处有大量泥状千枚岩挤出,以夹层为边界的巷道顶部和底部变形明显,为获取巷道围岩失稳原因,从围岩矿物成分、原岩应力和松动圈测试来研究围岩失稳机理.巷道围岩矿物成分分析从软弱夹层区域暴露面取样,利用D/MA X A型X射线衍射仪对样品进行X R D多晶衍射试验以分析矿物成分,检测结果和具体成分含量分别见第期张文涛等:含软弱夹层巷道围岩失稳机理及控制技术研究图和表,检测结果表明该段黏土性矿物成分伊利石、蒙脱石、绿泥石占整个矿物成分的 ,该类矿物在水的影响下会导致围岩的风化潮解,使围岩的强度弱化乃至丧失.图X R D衍射图谱F i g X R Dd i f f r a c t i o np a t t e r n表X衍射矿物成分含量表T a b l eM i n e r a l c o m p o s i t i o nc o n t e n t t a b l eo fXd i f f r a c t i o n/矿物名称含量伊利石 石英 白云石 方解石斜长石蒙脱石绿泥石黄铁矿 原岩应力测试使用套孔应力解除法进行现场原位地应力测量,采集到数据后进行应力解除和围压率定试验,得到表、表的测试结果,最大水平主应力与中间主应力比值约为 ,最小水平主应力与中间主应力的比值约为 ,说明该中段以水平应力为主,且最大主应力方向为东指向西,近乎与岩层走向垂直,研究区域围岩单轴抗压强度处于 MP a,根据围岩强度应力比计算围岩单轴抗压强度与最大主应力 MP a的比值处于 ,故研究段处于高地应力状态.表最大主应力测试结果T a b l eT e s t r e s u l t so fm a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s埋深/m最大主应力中间主应力最小主应力 数值/MP a方位/()倾角/()数值/MP a方位/()倾角/()数值/MP a方位/()倾角/()表测点应力分量T a b l eS t r e s s c o m p o n e n t sa tm e a s u r i n gp o i n t s/M P asxsysztx yty ztz x 地质雷达松动圈测试采用频率为 MH z、时窗为 n s的天线配合地质雷达使用连续采集的方式采集信号,分别对巷道左拱腰、右拱腰、拱顶进行了数据采集,地质雷达测试波形图如图所示,测试结果如表所示,巷道围岩松动圈实测大小为 m,大于m,属于大松动圈极不稳定围岩.有色金属(矿山部分)第 卷图地质雷达测试波形图F i g W a v e f o r mo fg e o l o g i c a l r a d a r t e s t表松动圈测试结果T a b l eT e s t r e s u l t so fa l o o s ec i r c l e/m测试部位松动圈测值松动圈范围平均值左拱腰 、右拱腰 、拱顶 、巷道围岩失稳机理分析通过上述研究,发现研究区域受以下复合型因素影响巷道围岩稳定:)巷道埋深大,且地应力以水平地应力为主,最大地应力方向与巷道走向垂直,不利于巷道的稳定运行;)围岩单轴抗压强度低,整个围岩由破碎程度高的薄层状急倾斜岩层组成,且在当前状态下属于高地应力控制;)存在的软弱夹层,含黏土矿物成分高,属于薄弱部位,在巷道开挖后,该区域发生破坏时,会导致巷道支护体失稳加剧,且伴随着大松动圈的存在,使区域内变形更加严重;)未对巷道底部进行恰当的支护处理,形成了使围岩强度劣化的暴露面.支护优化及效果分析 巷道围岩稳定性数值模拟 数值模型采用有限元软件P h a s e模拟含软弱夹层巷道在掘进影响下的围岩变形破坏特征,建立了断面尺寸为 m m的/直 墙 三 心 拱 形 巷道,模型尺寸为宽高 m m,属深埋巷道模型,具体模型见图.通过对模型各岩石材料赋予岩石力学参数以及约束条件,根据现场实测的地应力参数设置初始地应力场,具体参数见表.图数值模拟模型F i g N u m e r i c a l s i m u l a t i o nm o d e l第期张文涛等:含软弱夹层巷道围岩失稳机理及控制技术研究表岩体物理力学参数T a b l eP h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c km a s s岩体名称天然密度/(gc m)抗压强度/MP a抗拉强度/MP a弹性模量/G P a泊松比内聚力/MP a内摩擦角/()灰岩 细粒砂岩 软弱夹层 无支护下巷道围岩变形分析根据上 述 条 件 对 岩 体 材 料 赋 予 参 数 并 采 用M o h r C o u l o m b破坏准则,计算得到无支护开挖条件下巷道变形图(图).图开挖后巷道围岩变形情况F i g D e f o r m a t i o no f r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ka f t e re x c a v a t i o n根据图(a)可以看出,巷道开挖后,在高地应力的作用下,整个巷道呈现出向巷道内部挤压的趋势,由于巷道沿脉开挖,围岩具有一定的层理性,伴随着软弱岩层的出现,降低了巷道的整体稳定性,使巷道整体变形较大,巷道右拱顶和左底板变形明显,最大位移量分别为 c m和 c m,整个巷道呈现出非常明显的非对称大变形特征,尤其是在软弱岩层穿过区域,整个区域几乎完全破坏.由图(b)可知,巷道两帮在地应力作用下发生内挤,巷道左侧底板由于应力高度集中,整个底板挤压鼓胀,向右呈不规则非对称隆起,此外,整个拱顶在软弱结构面的影响下,在右拱顶甚至整个顶部区域受力集中,整个顶部下沉明显,软弱岩层在挤压作用下受力破坏造成区域冒落.现有支护条件下围岩失稳分析对于当前巷道,主要在拱腰和拱顶区域展开支 护,在 该 区 域 加 设 直 径 mm、长 度L mm、排间距 mm mm的全场粘结锚杆,喷射厚度 mm的C 混凝土,安装U 钢拱架,主要支护情 况见图,支护后围岩变形情况见图.图当前支护方式F i g C u r r e n t s u p p o r tm o d e对开挖后的巷道施加图所示的支护后,巷道两帮位移控制到了c m以下,巷道底部在没有施加支护构件的情况下变形严重,整个底部向巷道内挤压,巷道底部变形较未支护时整体增加了 左右.在巷道底部,围岩的整体变形量在高应力下持续增加,应力向相对较弱的方向转移,使左边拱底软有色金属(矿山部分)第 卷弱夹层穿过区域位移甚至超过了未支护时的最大位移值,达到了 c m,巷道右拱顶在支护构件作用下整体位移得到了一定控制,但软弱夹层穿过区域位移较未支护前变化不大.总体来说,除未支护的巷道底部外,巷道其余部位在施加了“锚喷钢拱架”支护后得到了相对有效的控制,但个别部位仍应考虑施加额外的支护方式以控制围岩变形.支护优化方案针对研究区域的“关键部位”为近软弱岩层的顶底板部位,结合围岩岩层倾角和走向情况,考虑在原来支护方式下采用全断面支护的同时对薄弱部位加以长短锚杆结合来支护巷道,具体支护参数如表所示.支护优化示意图见图.图当前支护方式下巷道围岩变形情况F i g D e f o r m a t i o no f r o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c ku n d e r t h ec u r r e n t s u p p o r tm o d e表支护优化参数表T a b l eS u p p o r t o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s序号支护构件构件参数间排距作用部位全长粘结锚杆直径 mm,长度L mm直径 mm,长度L mm mm mm mm mm mm mm两帮拱顶拱底拱底软弱夹层区域拱顶软弱夹层区域C 混凝土厚度d mm/两帮、拱顶钢拱架U 型间距:mm全断面图优化后支护方式示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f s u p p o r t i n gm o d e 支护效果分析对支护后的巷道围岩进行计算分析,得到如图所示的围岩支护优化后变形情况.图支护优化后围岩变形情况F i g D e f o r m a t i o ne f f e c t o f s u r r o u n d i n gr o c ka f t e rs u p p o r t o p t i m i z a t i o n第期张文涛等:含软弱夹层巷道围岩失稳机理及控制技术研究围岩 进 行 支 护 优 化 后,围 岩 最 大 变 形 量 为 c m,处于地下矿山最大允许变形量范围内,软弱夹层部位的大变形得到了有效控制,结合图 和图 的未支护、原有支护和优化支护后的塑性区和围岩变形量对比来看,针对巷道不均匀变形的特征,通过对原有支护方式进行模拟分析,原有支护方式下塑性区面积大大减少,且两帮围岩变形有了良好的控制,证明“锚喷钢拱架”的主被动联合支护方式对于该区域是行之有效的.此外,发现软弱夹层穿过区域的塑性区仍然很大,尤其是巷道底部穿过区域塑性区变化不大且巷道底部未支护部分位移较未支护开挖时增加了,因此综合分析考虑巷道围岩的薄弱部位为软弱夹层部位.对薄弱部位进行补强支护,依据松动圈大小进行锚喷支护设计,结合全断面钢拱架的被动支护能力,整个支护方案起到了良好的效果,巷道整体变形有了良好的控制,巷道围岩塑性区在优化后的支护方案控制下减到了未支护情况下的/左右,与原有支护方式相较而言,对于原有支护条件下的巷道底部和右侧拱顶区域得到了极大的控制,巷道整个区域变形相对稳定,由此说明,在巷道全断面开展主被动联合支护方式情况下,针对软弱夹层这一薄弱部位补强支护的方式可对该类型巷道围岩变形控制起到有效作用.图 塑性区变化情况F i g C h a n g e s i nt h ep l a s t i cz o n e图 支护前后围岩位移对比F i g D i s p l a c e m e n t c o m p a r i s o no f s u r r o u n d i n gr o c kb e f o r ea n da f t e r s u p p o r t 结论)采用现场取样岩性分析、地应力与松动圈测试,得出研究段属于高应力影响下的大松动圈软弱围岩,围岩呈急倾斜薄层状,岩体结构极易破碎,属高应力破碎型围岩.)通过对埋深为 m的研究段进行数值模拟,计算得出巷道沿脉掘进情况下围岩变形量大,且巷道薄弱部位为软弱夹层所在区域,在高应力下整个巷道顶底板向内挤压变形严重,使围岩变形具非对称性,与现场调查破坏情况基本一致.)根据围岩非对称变形相关特征及原支护方案有色金属(矿山部分)第 卷模拟结果,采用“锚喷薄弱部位补强全断面钢拱架支护”的主被动联合支护方式,该方式围岩变形控制效果良好,软弱夹层的变形影响得到了一定的控制,保证了巷道运行的整体稳定.参考文献何满潮,景海河,孙晓明软岩工程力学M北京:科学出版社,HE M a n c h a o,J I N G H a i h e,S UN X i a o m i n g E n g i n e e r i n gm e c h a n i c so f s o f t r o c kM B e i j i n g:S c i e n c eP r e s s,赵兴东,周鑫,赵一凡,等深部金属矿采动灾害防控研究现状与进展 J中 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版),():Z HA O X i n g d o n g,Z HOU X i n,Z HA O Y i f a n,e ta l R e s e a r c hs t a t u sa n d p r o g r e s s o f p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l o f m i n i n gd i s a s t e r si nd e e p m e t a lm i n e sJ J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y(S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y),():康永水,耿志,刘泉声,等我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展J岩土力学,():KAN GY o n g s h u i,G E N GZ h i,L I U Q u a n s h e n g,e ta l R e s e a r c hp r o g r e s so ns u p p o r t t e c h n o l o g ya n dm e t h o d s f o r s o f t r o c kw i t hl a r g e d e f o r m a t i o n h a z a r d s i n C h i n aJR o c k a n d S o i lM e c h a n i c s,():黄庆享,赵萌烨,张强峰,等含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究J岩土力学,():.HUA N GQ i n g x i a n g,Z HA O M e n g y e,Z HA N G Q i a n g f e n g,e ta l M e c h a n i s m so fo u t w a r dd i s l o c a t i o ns l i d i n go fr o a d w a ys i d e sa n di t ss u p p o r ti nat h i c kc o a ls e a m w i t has o f t m u d s t o n ei n t e r l a y e rJR o c k a n d S o i l M e c h a n i c s,():郭富利,张顶立,苏洁,等含软弱夹层层状隧道围岩变形机理研究J岩土力学,(增刊):GUO F u l i,Z HAN G D i n g l i,S U J i e,e t a l R e s e a r c h o nd e f o r m a t i o n m e c h a n i s m a b o u ts t r a t i f i e dt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s sc o n t a i n i n g w e a ki n t e r c a l a t i o nJ R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s,(S u p p l ):谭文兵,冯钰炜,杜侠飞,等近断层深部巷道变形破坏分析及支护研究J有色金属(矿山部分),():T AN W e n b i n g,F E N G Y u w e 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研究J煤炭科学技术,():Z HA OC h e n g x i n g,L IY i n g m i n g,L I U G a n g,e ta l S t u d yo ns u r r o u n d i n g r o c k s u p p o r t t e c h n o l o g y o f d e e p s o f t r o c kr o a d w a yJ C o a lS c i e n c ea n d&T e c h n o l o g y,():邹佩国,任胜文大埋深复合软岩顶板围岩控制关键技术研究J煤炭科学技术,(增刊):Z OUP e i g u o,R E NS h e n g w e n R e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fs u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l o f c o m p o s i t e s o f t r o c kr o o fw i t h l a r g eb u r i e dd e p t hJ C o a l S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,(S u p p l ):(编辑:周叶)