馮亮亮 張?jiān)茋?guó) 樊銘靜

(翁牛特旗盛世蓮花礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024500)

0 引言

巷道開挖過斷層時(shí)因圍巖完整性較差，支護(hù)難度顯著增加，若支護(hù)不合理常導(dǎo)致冒頂、片幫等事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅礦山安全高效生產(chǎn)[1]。因此，如何有效控制巷道過斷層時(shí)圍巖變形，成為國(guó)內(nèi)學(xué)者和專家關(guān)注的焦點(diǎn)問題。其中包括：針對(duì)紅慶梁煤礦軟巖巷道過斷層破碎帶圍巖控制問題所提出的“預(yù)注漿+變截面+超前管棚+‘錨+網(wǎng)+索+噴+架+復(fù)噴’”的聯(lián)合支護(hù)措施[2]；采用“混凝土止?jié){墻預(yù)注漿治水堵水技術(shù)、預(yù)應(yīng)力錨桿錨索和U型鋼棚”的綜合支護(hù)措施有效解決了劉家窯礦皮帶巷過斷層時(shí)的治水和支護(hù)問題[3]；采用“擴(kuò)刷成型+錨網(wǎng)噴支護(hù)+深淺孔耦合注漿加固”措施有效控制了睦山鐵礦軟弱破壞圍巖變形較大的問題[4]?；谏鲜鲅芯砍晒?，結(jié)合某鐵礦-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷實(shí)際工程地質(zhì)情況和過斷層巷道支護(hù)原則，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)無支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)和噴錨網(wǎng)+二次砌襯4種支護(hù)情況下巷道過斷層時(shí)圍巖變形情況進(jìn)行研究，確定了最佳支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)，并基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行分析，為類似工程條件巷道過斷層圍巖控制提供了參考。

1 工程概況

某鐵礦為埋深260 m以下的接觸交代型隱伏磁鐵礦床，含礦地層為三疊系上統(tǒng)黃馬青組下段，厚度為204.36～285.24 m，其上部為粉細(xì)砂巖互層，下部為含鐵砂巖和頁(yè)巖。礦體面積約2.06 km2，鐵礦表內(nèi)B+C1+C2級(jí)儲(chǔ)量約2.15億t，表外儲(chǔ)量約460萬t，Tfe平均品位41.52%。-540 m水平中段E1’穿脈運(yùn)輸巷為無軌運(yùn)輸巷道，斷面形狀為直墻半圓拱形，尺寸為3.20 m×2.83 m(寬×高)，主要作為運(yùn)輸、通風(fēng)和行人等通道，巷道通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，施工方式為鉆爆法。巷道布置情況見圖1。

圖1 E1’穿脈運(yùn)輸巷布置圖

E1’穿脈運(yùn)輸巷施工期間需垂直穿越F8正斷層，F(xiàn)8正斷層屬?gòu)埿詳嗔?，長(zhǎng)度約為2 400 m，對(duì)局部礦體造成破壞。E1’穿脈運(yùn)輸巷垂直穿越F8正斷層期間，由于斷層影響區(qū)內(nèi)巖體完整性較差，強(qiáng)度較低，巷道圍巖變形較大，維護(hù)困難，極大影響了巷道正常使用和礦體安全高效開采。基于此，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)E1’穿脈運(yùn)輸巷過F8正斷層的支護(hù)方案和參數(shù)選取進(jìn)行了研究。

2 巷道過斷層支護(hù)原則

-540 m水平中段E1’穿脈運(yùn)輸巷為深埋巷道，從技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理兩方面考慮，該巷道在過斷層支護(hù)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則[5,6]：

1)時(shí)效性原則。深埋巷道自身所承載的覆巖重力較大，巷道圍巖極易因較大的頂板拉力和側(cè)向壓力發(fā)生較大收縮變形，而巷道施工所產(chǎn)生的擾動(dòng)使得斷層影響區(qū)內(nèi)巖體完整性進(jìn)一步劣化，裂隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，若不能及時(shí)形成有效支護(hù)極易發(fā)生安全事故。因此，深埋巷道過斷層支護(hù)應(yīng)遵循時(shí)效性原則，即對(duì)過斷層巷道采取及時(shí)有效的支護(hù)。此外，考慮到巷道服務(wù)年限較長(zhǎng)，而巖石蠕變和支護(hù)結(jié)構(gòu)蠕變特性會(huì)弱化巷道支護(hù)效果，因此應(yīng)提高支護(hù)安全系數(shù)以確保巷道設(shè)計(jì)年限內(nèi)的正常使用。

2)溫度控制原則。巷道所處環(huán)境溫度與其埋深成正比，因此深埋巷道所處環(huán)境溫度較高。在采用混凝土支護(hù)時(shí)，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致混凝土養(yǎng)護(hù)期間產(chǎn)生裂縫而劣化支護(hù)效果。因此，在支護(hù)過程中要選擇合理的混凝土材料和養(yǎng)護(hù)方式。

3)充分利用圍巖和支護(hù)共同作用原則。由于巷道圍巖具有一定的自承載能力，應(yīng)確保所選取的支護(hù)方式能充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，令支護(hù)與圍巖協(xié)調(diào)作用，加強(qiáng)支護(hù)和圍巖間的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)支護(hù)和圍巖共同作用而加強(qiáng)支護(hù)效果的目的。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷過斷層為工程背景，結(jié)合該巷實(shí)際工程地質(zhì)條件和巖石基本力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為150 m×60 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，所建模型見圖2。模型邊界條件為：底部固定位移邊界，左右兩邊限制固定縱向位移邊界，在頂部施加13.0 MPa的均布載荷以等效上覆巖層重力?；诂F(xiàn)場(chǎng)取芯測(cè)試結(jié)果并結(jié)合工程地質(zhì)資料，經(jīng)過多次調(diào)試后確定所取巖體和斷層巖石的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 巖體和斷層巖石物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬方案

為了探究過斷層時(shí)巷道合理支護(hù)方式及參數(shù)，分別對(duì)無支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)和噴錨網(wǎng)+二次砌襯4種支護(hù)情況下過斷層時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行模擬研究。模型中巷道開挖分5次進(jìn)行，每次向前推進(jìn)4 m，巷道一次開挖成型。為了分析過斷層時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布，將巷道開挖揭露斷層3 m時(shí)作為圍巖塑性區(qū)分析點(diǎn)。各支護(hù)方式模擬過程為：1)噴射混凝土支護(hù)：噴射混凝土取材鋼纖維混凝土，分兩次噴射，第一次和第二次噴射混凝土厚度分別為50 mm和100 mm；2)噴錨網(wǎng)支護(hù)：先噴射50 mm厚的混凝土，然后進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)(Φ26×3 200 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×2 800 mm)，最后再噴射100 mm厚的混凝土；3)噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)GB50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)[7]對(duì)噴射混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)和噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)時(shí)的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了選取。

3.3 不同支護(hù)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

無支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)和噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)情況下巷道過斷層時(shí)圍巖塑性區(qū)分布見圖3。由圖3(a)可知，無支護(hù)條件下，當(dāng)巷道過斷層時(shí)受巷道開挖擾動(dòng)、巖層壓力和斷層的影響，巷道兩幫、頂?shù)装搴凸战翘幘l(fā)生較大范圍的塑性變形。當(dāng)對(duì)過斷層巷道進(jìn)行噴射150 mm厚的鋼纖維混凝土支護(hù)后，巷道頂板塑性區(qū)范圍顯著相對(duì)于無支護(hù)時(shí)減小，巷道兩幫及底板塑性區(qū)范圍也相對(duì)減小，但幅度不大，如圖3(b)所示。這是由于所噴射鋼纖維混凝土填充了巷道表面裂隙，增加了巷道表面圍巖完整性，同時(shí)在巷道形成“殼體”結(jié)構(gòu)，這種“殼體”結(jié)構(gòu)在圓拱作用下產(chǎn)生較大彎矩，顯著降低了巷道頂板塑性區(qū)發(fā)育，但對(duì)兩幫的塑性區(qū)作用較弱。由圖3(c)可知，對(duì)過斷層巷道采用噴錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道頂板和兩幫塑性區(qū)范圍相對(duì)于無支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)時(shí)均顯著減小，這是由于噴錨網(wǎng)支護(hù)極大增強(qiáng)了巷道圍巖整體性，對(duì)巷道圍巖變形起到了較好的限制作用，顯著改善了巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。如圖3(d)所示，采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)時(shí)，巷道頂板、兩幫和底板圍巖塑性區(qū)基本消失，表明該支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)育的控制效果最好，能確保過斷層巷道長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。

(a)無支護(hù) (b)噴射混凝土支護(hù)

(c)噴錨網(wǎng)支護(hù) (d)噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)圖3 不同支護(hù)條件下巷道過斷層時(shí)圍巖塑性區(qū)分布

4 支護(hù)方案及效果分析

4.1 支護(hù)方案

基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷過斷層支護(hù)方式為噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)，巷道支護(hù)斷面見圖4。噴射厚150 mm的鋼纖維混凝土，錨桿規(guī)格為Φ26×3 200 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 600 mm×2 800 mm，兩幫第一根錨桿均與水平方向成25°(±5°)仰角布置，錨桿預(yù)緊力為150 KN；頂部和兩幫錨桿均選用1卷規(guī)格為MSCK23/70Q/YZK033樹脂錨固劑錨固；菱形金屬網(wǎng)規(guī)格為2 800 mm×1 100 mm，網(wǎng)孔50 mm×50 mm。

圖4 支護(hù)斷面圖

4.2 支護(hù)效果分析

為了掌握噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)在-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷過斷層時(shí)對(duì)圍巖變形的控制效果，在-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷過斷層位置建立測(cè)站，對(duì)巷道表面變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)見圖5。由圖5可知，采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)后，在60 d的變形觀測(cè)期內(nèi)，巷道表面前20 d的變化較為顯著，變化量較大，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏糠謩e達(dá)到55.59 mm和92.19 mm；而在20 d以后，巷道圍巖變形量緩慢降低，并最終在40 d時(shí)趨于穩(wěn)定。另外，在變形觀測(cè)期內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笪灰屏糠謩e為63.80 mm和109.45 mm，在允許范圍內(nèi)，表明該支護(hù)方式對(duì)-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷過斷層時(shí)圍巖變形控制效果顯著，能確保巷道長(zhǎng)期正常使用。

圖5 巷道圍巖變形量

5 結(jié)語(yǔ)

1)基于-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷工程地質(zhì)條件和過斷層巷道支護(hù)基本原則，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對(duì)無支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)和噴錨網(wǎng)+二次砌襯4種支護(hù)情況下過斷層時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯時(shí)過斷層巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍最小，最有利于巷道長(zhǎng)期正常使用。

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采用噴錨網(wǎng)+二次砌襯聯(lián)合支護(hù)后，-540 m中段E1’穿脈運(yùn)輸巷過斷層時(shí)巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為63.80 mm和109.45 mm，巷道圍巖變形控制效果顯著。