孫 揚(yáng)， 王志遠(yuǎn)， 張愛民， 安建英

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

金屬礦產(chǎn)作為工業(yè)大宗原料，近年來隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)體量的增加，對(duì)金屬礦產(chǎn)需求逐年增加；同時(shí)，金屬礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備為國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全發(fā)展提供保障，為抗衡國(guó)際市場(chǎng)變化和維護(hù)綜合國(guó)力保駕護(hù)航。隨著淺部資源逐漸枯竭，國(guó)內(nèi)礦山正在逐漸向1 000 m至1 200 m開采，少數(shù)的金屬礦井正在建設(shè)超過1 400 m的深井開拓系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)諸多在產(chǎn)金屬礦山轉(zhuǎn)入深部開采，如金川鎳礦、冬瓜山銅礦、銅綠山銅礦、會(huì)澤鉛鋅礦、三山島金礦等。同時(shí)，諸多新建礦山直接進(jìn)入深部開采，如思山嶺鐵礦、海域金礦、高地錳礦、水旺莊金礦、紗嶺金礦等。

隨著深度繼續(xù)增加，受深部巖層“高應(yīng)力、高水壓、高巖溫、高溫水”等不利因素影響，給深井礦山開采帶來諸多困難。對(duì)于深井硬巖礦山，巖爆災(zāi)害控制成為主要難題；對(duì)于深井軟巖礦山，高應(yīng)力井巷大變形成為主要開采難題。我國(guó)面向2030年“深度”布局，提出了“深空、深海、深地、深藍(lán)”系列重大專項(xiàng)；2020年10月，國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃再次明確深地深海領(lǐng)域，繼續(xù)實(shí)施國(guó)家重大科技支持項(xiàng)目。井巷工程是進(jìn)入深地的咽喉工程，是礦山連接地表和地下空間的物流通道，開展高應(yīng)力深埋井巷支護(hù)技術(shù)研究是保證其服役期安全穩(wěn)定的重要關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)深井礦山正常安全生產(chǎn)具有重要意義。

金川二礦區(qū)鎳礦是一座高地應(yīng)力、深埋、圍巖極不穩(wěn)固的大型地下礦床，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、高地應(yīng)力環(huán)境、不穩(wěn)固圍巖一直給礦山開采帶來巨大困難。隨著開采深度的增加，采場(chǎng)地壓活動(dòng)更加劇烈，采動(dòng)影響范圍擴(kuò)大，使巷道掘進(jìn)與支護(hù)更加困難。二礦區(qū)當(dāng)前已進(jìn)入850 m和700 m中段深部開采，正在進(jìn)行650 m深部中段采準(zhǔn)工程。由于高地應(yīng)力和圍巖條件差，一直以來巷道工程塌方、冒頂、底鼓在二礦區(qū)工程中屢見不鮮，由此造成事故不斷、巷道掘進(jìn)效率低、安全隱患多；諸多返修巷道工程，既提高了支護(hù)成本，又直接影響了礦山的正常生產(chǎn)[1]。在850 m中段的開拓工程中，該中段在施工中超過一半的巷道實(shí)施返修加固，部分地段多次返修。許多地段掘支成巷兩周后兩幫收斂變形達(dá)到500 mm以上，底鼓超過1 000 mm，導(dǎo)致巷道斷面由5.4 m×5.4 m收縮為3.5 m×3.0 m。深部大變形巷道如圖1所示。

圖1 金川二礦深部大變形巷道

金川二礦650 m深部中段巷道工程埋深超過1 100 m，其地應(yīng)力水平更高，遇到的井巷大變形問題更加突出，解決深埋高應(yīng)力巷道大變形技術(shù)難度更大。本文依托650 m中段開采斜坡道工程，針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力場(chǎng)及支護(hù)工況等主要因素，采用數(shù)值分析方法對(duì)高應(yīng)力大變形巷道支護(hù)技術(shù)開展研究。

2 工程地質(zhì)條件

礦山地下工程賦存于地層圍巖中，地質(zhì)條件是影響井巷工程穩(wěn)定性的主要因素。地層構(gòu)造、地應(yīng)力場(chǎng)水平、圍巖性質(zhì)、地下水等是工程地質(zhì)條件的主控因素。

2.1 地層條件

金川礦區(qū)主要地層為前震旦系白家嘴子組(AnZb)和第四系(Q)，白家嘴子組構(gòu)成含鎳超基性巖的直接圍巖。白家嘴子組經(jīng)受了各種變質(zhì)作用和多期巖漿侵入，以混合巖、片麻巖、大理巖為主的巖系。礦區(qū)位于龍首山隆起構(gòu)造線由東西走向變?yōu)楸蔽髯呦虻霓D(zhuǎn)折部位，總的構(gòu)造特點(diǎn)是褶皺形態(tài)簡(jiǎn)單、斷裂構(gòu)造發(fā)育、性質(zhì)復(fù)雜。礦區(qū)地層為向南西40°傾斜的單斜構(gòu)造，傾角由北向南逐漸變緩；北部一般為54°～77°，南部為37°～54°。

礦體的頂板圍巖主要由大理巖、條帶狀混合巖以及少量二輝橄欖巖組成，礦體的底板圍巖種類相對(duì)復(fù)雜，從內(nèi)向外依次為二輝橄欖巖、輝石巖、蛇紋石透閃石綠泥石片巖、中薄層大理巖夾斜長(zhǎng)角閃。礦區(qū)已有工程研究測(cè)試得到深部圍巖力學(xué)參數(shù)表明：總體圍巖抗壓強(qiáng)度30 MPa左右，相比其他千米埋深金屬礦山圍巖強(qiáng)度整體偏低。

2.2 地應(yīng)力場(chǎng)

礦區(qū)位于龍首山隆起構(gòu)造線由東西走向變?yōu)楸蔽髯呦虻霓D(zhuǎn)折部位，礦區(qū)地層陡傾，傾角為37°～77°。自淺部開采以來，地應(yīng)力水平高。金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量與研究工作始于20世紀(jì)70年代，一直持續(xù)到現(xiàn)在。礦區(qū)地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，地下工程的變形破壞跡象也表明礦區(qū)以受水平作用的構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。隨深度增加，礦區(qū)水平最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值有增大的趨勢(shì)。深部水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，且平均水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力隨深度增加梯度要大。在礦區(qū)不同深度和構(gòu)造部位，所測(cè)得的主應(yīng)力的方向和傾角有所變化。礦區(qū)東部測(cè)出的主應(yīng)力方向偏東，傾角接近于水平，而礦區(qū)西部測(cè)出的最大主應(yīng)力方向偏西，與水平面夾角較大。

《特大型鎳礦工程地質(zhì)與巖石力學(xué)》[2]中對(duì)金川礦區(qū)深部地應(yīng)力的規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了金川礦區(qū)埋深400～1 000 m不同深度的地應(yīng)力

σH=0.711 4+0.052 5H

(1)

σh=-0.201 1+0.029 1H

(2)

σv=-0.881 5+0.029 6H

(3)

式中：σH——最大水平應(yīng)力，MPa；

σv——垂直應(yīng)力，MPa；

σh——最小水平應(yīng)力，MPa；

H——埋深，m。

3 支護(hù)數(shù)值分析

數(shù)值分析選取700 m至610 m中段工程的斜坡道作為分析實(shí)驗(yàn)段，位于地質(zhì)剖面線12行至14行之間，穿過的巖層剖面及豎向位置將通過14行地質(zhì)剖面圖確定。具體平面位置如圖2所示。

圖2 數(shù)值分析實(shí)驗(yàn)段平面位置圖

3.1 工況方案

結(jié)合礦區(qū)上部中段實(shí)踐與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方案，本文數(shù)值分析從支護(hù)方案、地應(yīng)力場(chǎng)和地層圍巖條件三方面設(shè)置分析工況。將地應(yīng)力作為第一影響因素，依據(jù)二礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量研究結(jié)果構(gòu)建地應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)設(shè)置兩工況變量；將支護(hù)方案作為第二影響因素,設(shè)置三種不同支護(hù)方案。考慮斜坡道穿越地層圍巖情況，設(shè)置兩組圍巖物理力學(xué)參數(shù)；數(shù)值分析工況組合見表1。地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ型工況對(duì)應(yīng)最大水平主應(yīng)力平行于斜坡道軸線方向，地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ型工況對(duì)應(yīng)最大水平主應(yīng)力垂直于斜坡道軸線方向。三種支護(hù)方案分別為雙層錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨(注)網(wǎng)噴+鋼筋砼、錨(注)索網(wǎng)噴+鋼筋砼，地應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)方案組合如圖3所示。

表1 地應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)方案組合工況

圖3 斷面支護(hù)示意圖

3.2 圍巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)段斜坡道在14行地質(zhì)剖面圖中位置，650 m實(shí)驗(yàn)段斜坡道主要處于混合巖(Ⅳ)和大理巖(Ⅲ3)巖層中，模型依據(jù)實(shí)際地層輸入兩種不同巖層圍巖信息進(jìn)行分析，地層圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 地層圍巖力學(xué)參數(shù)

3.3 模型建立

應(yīng)用巖土專用數(shù)值技術(shù)軟件邁達(dá)斯GTS建立數(shù)值計(jì)算模型，采用實(shí)體四面體單元模擬地層，結(jié)構(gòu)單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)。依托主斜坡道工程背景，選取斜坡道斷面寬度5～6倍作為模型分析計(jì)算寬度和高度，最終確定模型范圍為長(zhǎng)×寬×高=60 m×60 m×60 m。建立的數(shù)值分析模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格如圖4示。

圖4 數(shù)值分析模型

支護(hù)方案中注漿效果采用當(dāng)前常用的等效方法予以考慮，將錨注中的注漿錨桿的彈性模量折算給巖體，計(jì)算方法為式(4)。注漿后巖體的黏聚力及摩擦角綜合參考其他文獻(xiàn)[3-5]按1.5倍提高考慮。

(4)

式中：E——折算后的地層的彈性模量，MPa；

Ec——原地層的彈性模量，MPa；

Eg——注漿錨桿的彈性模量，MPa；

Sg——注漿錨桿截面面積,m2；

Sc——錨注支護(hù)體的截面面積，m2。

3.4 數(shù)值模擬分析

不同的支護(hù)及多次聯(lián)合支護(hù)影響數(shù)值分析結(jié)果，本次數(shù)值計(jì)算利用施工階段方法考慮了三種支護(hù)工況的差異，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工序進(jìn)行合理簡(jiǎn)化合并，綜合確定了詳細(xì)計(jì)算工序。計(jì)算分為三個(gè)區(qū)段，每次開挖20 m，對(duì)應(yīng)的各次支護(hù)也按照區(qū)段施工。施工階段見表3。

表3 數(shù)值分析施工階段

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，該斜坡道在大理巖側(cè)最終位移最大，選取距離混合巖模型硐口垂直軸線50 m監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行分析，各工況變形對(duì)比分析曲線如圖5、圖6所示。

圖5 地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ各工況斷面監(jiān)測(cè)位移曲線圖

圖6 地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ各工況斷面監(jiān)測(cè)位移曲線圖

圖5與圖6對(duì)比結(jié)果表明：各工況中頂板下沉與幫部收斂較底鼓位移明顯小，支護(hù)工況A(雙層錨網(wǎng)噴支護(hù))的表面收斂位移明顯大于另外兩種支護(hù)工況，施加注漿支護(hù)對(duì)于控制底鼓效果明顯。

圖7所示為各工況同部位位移對(duì)比曲線圖，可以看出地應(yīng)力場(chǎng)方向?qū)π逼碌赖坠?、頂板下沉和幫部收斂影響明顯；地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ各工況頂板下沉均大于地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ，地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ最大頂板下沉是地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ兩倍多；同一支護(hù)工況下，地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ底鼓值明顯大于地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ的底鼓值，地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ最大底鼓比地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ小27.6%；同一支護(hù)工況下，地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ的幫部收斂明顯大于地應(yīng)力Ⅰ的收斂值，地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ最大幫部收斂是地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ兩倍多。

圖7 各工況同部位表面位移對(duì)比曲線圖

4.2 變形破壞模式分析

綜合數(shù)值結(jié)果對(duì)比分析，其斷面總體變形大；全斷面變形，以底鼓變形最大；支護(hù)后變形速率下降，但仍存在持續(xù)變形。最大水平應(yīng)力對(duì)變形影響顯著，當(dāng)最大水平應(yīng)力垂直斜坡道軸線時(shí)，其兩幫收斂變形顯著。

斜坡道埋深超過1 000 m，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量分布規(guī)律其最大水平應(yīng)力超過50 MPa，其最大水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力比達(dá)到1.8；最大水平應(yīng)力與混合巖抗壓強(qiáng)度比超過1.4，與大理巖的抗壓強(qiáng)度比值超過了2.2。圖8所示為總位移變形圖，其斷面呈現(xiàn)全斷面收縮變形；兩幫擠壓收縮，底板擠壓突出變形破壞。

圖8 斜坡道斷面總位移變形圖

綜上分析，斜坡道變形破壞呈高應(yīng)力全斷面大變形失穩(wěn)模式，呈現(xiàn)高應(yīng)力影響顯著、應(yīng)力壓擠底鼓破壞范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特征，具備高應(yīng)力軟巖型大變形模式。

5 結(jié)論

在大埋深高應(yīng)力工程背景下，按照最大主應(yīng)力平行斜坡道軸向和垂直斜坡道軸向兩個(gè)地應(yīng)力場(chǎng)建立模型，與不同支護(hù)方式組合六個(gè)工況數(shù)值分析得出主要結(jié)論：

(1)斜坡道拱頂、底板、側(cè)幫均發(fā)生了大變形，主應(yīng)力方向?qū)嗝媸諗坑绊懨黠@；最大水平應(yīng)力平行于斜坡道軸線的頂板下沉值大于最大主應(yīng)力垂直于斜坡道工況，最大主應(yīng)力垂直于斜坡道軸線的幫部收斂大于最大主應(yīng)力平行于軸線的工況。

(2)地層巖性對(duì)斜坡道變形影響顯著，大理巖側(cè)位移明顯大于混合巖側(cè)位移，范圍也明顯較混合巖側(cè)大；地應(yīng)力場(chǎng)Ⅰ型時(shí)，大理巖側(cè)最大水平位移深度范圍約為混合巖2倍，大理巖側(cè)最大底鼓位移深度范圍約為混合巖4倍；地應(yīng)力場(chǎng)Ⅱ型時(shí)，大理巖側(cè)最大水平位移范圍約為混合巖側(cè)的5倍。

(3)巖層傾向?qū)永順?gòu)造對(duì)應(yīng)力場(chǎng)影響明顯，斜坡道軸線剖面模型的XX方向和ZZ方向應(yīng)力云圖在層理交界面處突變明顯。

(4)雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)斜坡道較另外兩種支護(hù)工況的變形大，其幾乎不能控制底鼓變形；采用錨注支護(hù)的另外兩種支護(hù)工況，其底鼓變形明顯低于雙層錨網(wǎng)噴支護(hù)工況，表明錨注支護(hù)對(duì)斜坡道底鼓控制效果明顯。

(5)斜坡道變形破壞呈高應(yīng)力全斷面大變形失穩(wěn)模式，呈現(xiàn)高應(yīng)力影響顯著、應(yīng)力壓擠底鼓破壞范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特征。

(6)在高應(yīng)力軟巖變形控制中，多階段聯(lián)合支護(hù)中柔性支護(hù)適度變形，能夠調(diào)整釋放圍巖壓力。