深部矿山破碎围岩巷道控制技术研究.pdf

S e rie s No ． 47 0 Au g u s t 2 01 5 金 窝 砖 METAL MI NE 总第 4 7 0 期 2 0 1 5年 第 8期 深部矿山破碎 围岩巷道控制技术研究 郭忠平 张贵银 韩 春 牟文强 王玉成 山东科技大学矿业与安全工程学院， 山东 青岛2 6 6 5 9 0 摘要当矿山资源埋藏深度在 5 0 0 m以上时， 地压增大， 深部开采容易诱发冲击地压等地质灾害。通过实验室 岩石力学实验 ， 采用巴顿岩体质量分类评价方法对某深埋矿山回采巷道围岩进行合理分类 ， 可靠地评价围岩稳定性， 选择合理开挖方法和支护形式， 为支护设计、 施工和管理提供科学的依据， 可以有效地预防冲击动力灾害的发生。结 合工程实际和 F L A C ”数值模拟软件 ， 对某矿破碎围岩矿体回采巷道塑性区范围分布规律进行研究， 以便对锚杆支护 参数进行优化。研究成果的应用可减少深部开采冲击等动力灾害发生， 为大采深破碎围岩矿体安全高效开采提供理 论依据。 关键词深部开采力学性能 围岩分类巷道支护 中图分类号T D 3 5 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 1 2 5 0 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 4 0 ． 0 4 Re s e a r c h o f t he Ro ad wa y Co nt r ol Te c hn o l o g y wi t h Cr u s he d S ur r o u ndi n g Ro c k i n De e p M i n e Gu o Zh o n g p i n g Zh a n g Gu i y i n Ha n Ch u n Mo u W e n q i a n g W a n g Yu c h e n g S c h o o l o fMi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g e ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 ， C h i n a Ab s t r a c t W h e n t h e mi n e r a l r e s o u r c e s a r e b u rie d u n d e r g r o u n d a t 5 0 0 m b e l o w， t h e g r o u n d p r e s s u r e wi l l i n c r e a s e a n d t h e g e o l o g i c a l h a z a r d s ， s u c h a s r o c k b u r s t ， i s e a s y t o b e i n d u c e d d u rin g t h e d e e p mi n i n g ． T h e s u r r o u n d i n g r o c k s o f t h e r o a d w a y i n d e e p mi n e a r e r e a s o n a b l y c l a s s i f i e d b y t a k i n g t h e r o c k me c h a n i c s e x p e r i me n t s i n t h e l a b o r a t o r y a n d u s i n g t h e B u t t o n r o c k ma s s q u ali t y c l a s s i f i c a t i o n ． C h o o s i n g r e a s o n a b l e e x c a v a t i o n a n d s u p p o s i n g f o r ms b a s e d o n e v a l u a t i n g t h e s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n g r o c k i n a r e l i a b l e w a y c a n p r o v i d e t h e s c i e n t i f i c b a s i s f o r t h e s u p p o d e s i g n， c o n s t r u c t i o n a n d ma n a g e me n t ． T h i s c a n e f f e c t i v e l y p r e v e nt t he h a p pe n i n g o f t h e d y na mi c i mpa c t di s a s t e r ．Co mbi n g wi t h t h e e ng i n e e ring p r a c t i c e a n d F LAC s o f t wa r e， r e s e a r c h o n p l a s t i c z o n e d i s t r i b u t i o n r u l e i n mi n i n g r o a d w a y o f b r o k e n s u rro u n d i n g r o c k i s ma d e t o o p t i mi z e t h e b o l t s u p p o r t p a r a me t e r s ． T h e a p p l i c a t i o n o f r e s e a r c h r e s u l t s r e d u c e s t h e h a p p e n i n g of the d y n a mi c i mp a c t d i s a s t e r i n d e e p mi n i n g a n d p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e h i g h e ffi c i e n t a n d s a f e e x p l o i t a t i o n o f o r e b o d y w i t h c ru s h e d s u r r o u n d i n g r o c k i n d e e p mi n e ． Ke y wo r d s De e p mi n i n g， Me c ha ni c al p r o p e rti e s， The c l a s s i f i c a t i o n o f s ur r o un di n g r o c k s， Ro a d wa y s up p o 近 2 O年来 ， 随着现代矿业的迅速发展 ， 对金属矿 石的需求量不断增长， 开采的深度不断增加 ， 浅部矿 石资源逐渐减少和枯竭 ， 而地下矿山也要向深部矿床 伸展 。随开采深度的加 大， 地压和温度也逐渐增加 ， 开采条件越来越复杂 ， 应科学有效地避免大规模地压 活动造成的破坏， 预防冲击地压发生。某矿为了充分 预测和掌握回采巷道的围岩稳定性， 科学合理地进行 巷道支护设计 ， 保证矿井 的安全生产 ， 通过实验室岩 石力学性能实验 ， 确定 围岩为破碎围岩。通过研究既 定破碎围岩矿体下巷道锚杆支护技术的适应性 ， 为确 定合理的锚杆支护参数提供技术基础。 收稿 日期2 0 1 5 0 4 ． 04 作者简介郭忠平 1 9 6 2 一 ， 男 ， 教授 ， 博士 。 40 1工程概况 某金属矿山采用无底柱浅孔留矿法和上向水平分 层全尾砂胶结充填采矿法 ， 矿区有 1 O个矿体 ， I I 号矿 体是 目前该矿主要 回采矿体。I I 号矿体 以含金黄铁 矿、 石英矿脉为主。矿体赋存标高 1 2 0一 8 】 7 m， 长度 1 4 0～ 4 7 0 IT I ， 平均厚度 2 ． 5 i n ， 矿脉沿走向和倾 向均呈 反“ S ” 型赋存。 目前 回采中段为⋯ 6 3 5 6 8 5 1 T I ， 已属 于深部开采矿井 ， 动力冲击现象明显。 1 ． 1 节理裂隙发育情况 通过现场对矿区构造、 采场 、 巷道节理裂隙分布 及其发育情况进行调查 ， 进一步了解地压的显现情况 和矿区深部开采条件。从现场统计来看， 该矿地下开 拓巷道及采场附近的节理和裂隙较为发育 ， 但发育程 郭忠平等 深部矿 山破碎 围岩巷道控制技术研 究 2 0 1 5年第 8期 度存在较大差异 。在一 4 8 5 i n中段及 以上 ， 开拓巷道 及采场附近节理和裂隙发育程度较差 ， 即使较为发育 范围也较为局限。在一 4 8 5 IT I 中段以下 ， 特别是 已经 采准或已经 开采的采场附近 ， 节理 和裂 隙则极 为发 育 ， 影响了岩体的工程稳定性。在一 6 8 5 I n及 以下 ， 开 拓工程刚刚完成 ， 多数采准工程 尚未完成 ， 此 时巷道 中的节理和裂隙并不发育。因此 ， 可 以说 ， 多数节理 和裂隙均是 由于采矿工程的扰动 、 地应力重新分布和 地压显现而产生 的。控矿断裂是在一对剪应力作用 下形成 的 图 1 ， 随着应力 的多次聚集 与释放 ， 断裂 内的引张空间也递进式地多次张开并顺时针旋转 ， 形 成反 S型容矿相对运动的滑动线 。 图 1 控 矿断裂应力状态解析 F i g ． 1 S t r e s s a n a l y s i s o f o r e c o n t r o l l i n g f r a c t u r e 1 ． 2 进路的破坏原因 矿体与围岩之间的矿岩接触带与矿体走 向相互 平行； 同时， 与此矿岩接触带伴生有多条小节理、 裂 隙， 造成矿体内出现扭曲、 透镜体夹石 、 溶洞等 自然现 象 ， 使矿体开采变得复杂 ； 溶洞变成导水通道 ； 水对围 岩蚀变产物具破坏作用。成矿热液交代围岩过程中， 产生蚀变矿物， 诸如绢云母化、 高岭土化等， 呈鳞片状 集合体或显微脉状沿矿物裂隙分布； 此类蚀变产物在 无水状态下 ， 使矿体与 围岩紧密接触 ； 一旦遇水后 即 泥化 ， 具有滑腻感 ， 致使 围岩与矿体之间无任何 黏结 力 ， 一经采矿扰动即引起其破坏。水对 围岩蚀变产物 的弱化作用是致使采矿二次贫化的主要原因。从上 述破坏形态 ， 进路 的破坏 主要 是垂直应力 作用 的结 果 。 2 岩体 稳定性分级 2 ． 1 岩石力学性能实验 矿山开采的Ⅱ号矿体矿石 自然类型为含金石英 脉型原生矿石， 工业类型随着深度的变化而变化。为 测定矿体 围岩 力学 性质 ， 分别在 - 5 8 5 m、 一 6 3 5 IT ／ 、 一 6 8 5 1T I 以及 一 7 3 5 n l 水平 取样 ， 每个 水平取 岩样 5 块 ， 共计取岩样 2 0块 ， 通过在实验室进行加工 ， 每种 岩石加工 5块岩样 ， 进行力学性质测试 ， 矿岩物理力 学实验结果见表 1 。 表 1 矿区Ⅱ号矿体岩石力学实验参数 Ta bl e 1 Ro c k- me c ha ni c s t e s t pa r ame t e r s o f or e - bo dy I I i n mi n i ng ar e a 从矿岩物理力学实验结果可 以看 出， 在正常状态 下 ， 石英岩脉的强度最高 ， 而围岩的强度大体趋势相 同， 岩石在饱和状态下 的强度均低于常温条件下矿岩 的强度 ， 可见水对矿岩强度 的影响比较大 。从此实验 结果可以看出 ， 在现场 围岩破坏并非煌斑岩的强度低 而造成围岩破坏 ， 而是岩体 内充填的蚀变物在水作用 下的影响。 2 ． 2 岩体力学参数确定 岩体的强度介于岩块强度和结构面强度之间， 根 据岩块力学实验室试验、 现场节理裂隙统计、 极限平 衡反分析和费先科 、 霍克 一 布 朗公式 ， 确定的岩体参 数指标见表 2 。 表 2Ⅱ号矿体岩体力学参数 Ta b l e 2 Ro c k - me c h a n i c s p r o p e i e s o f o r e - b o d y l I 对于石英岩 矿 ， 采用霍克一 布朗公式计算 丁a o - c r ／ r 一t ， 式中， 为完整岩块的单轴抗压强度； n 、 b 、 t 为经验 常数 ， 根据岩 体质量 节理密度 、 风化程度 、 质量 系 数综合确定 。 石英岩的 i 01 3 MP a ， 根据岩体质量得到 的a I1 0 ． 3 4 6 ， b 0 ． 7 ， t 一0 ． 0 0 0 2 。相应得到 r一 关系曲线 ， 最终确定岩体的内聚力 C 2 ． 2 0 MP a ， 内 摩擦角 3 8 。 。散体回填物的内聚力 C 0 ， 为了计 算方便 ， 取值 0 ． 0 0 1 M P a ， 内摩擦角 3 2 。 。 岩体地质力 学 C S I R 分 类指 标值 R MR R o c k 郭忠平等 深部矿山破碎 围岩巷道控制技术研 究 2 0 1 5年 第 8期 布置 3根 1 8 mmX 2 0 0 0 mm高强度让压锚杆压燕型 托梁 ， 间排距为 8 0 0 m mx l 0 0 0 mm， 两帮底脚锚索与 竖直方向成 6 O 。 夹角布置。支护方案如图4所示 。 图 4巷道支护 断面 F i g ． 4 Cr o s s - s e c t i o n o f r o a d wa y s up p o 4结论 1 采用 巴顿岩体质量分类评价方法对某 深埋 矿山回采巷道围岩进行合理分类 ， 依据 R MR岩体稳 定性评分 ， Ⅱ号矿体属于 Ⅲ类岩体 ， 即较破碎 ， 质量为 差到一般。 2 根据巷道 围岩稳定性 分类结果 ， 结合数值模 拟分析巷道塑性 区分布范围， 高强锚杆 、 锚索配合燕 型托梁压金属网联合支护方式。顶板布置 2根 6 2 0 mmX 2 0 0 0 m m高强锚杆压燕型托梁和金属 网， 其 间 排距为 6 0 0 mm1 0 0 0 mm， 巷道顶板 与竖直方 向成 3 O 。 角布置 2根锚索 ， 其 间排距为 1 2 0 0 m m 3 6 0 0 mm； 巷道两帮布置 3根 1 8 m m 2 0 0 0 m m高强度让 压锚杆压燕型托梁 ， 间排距为 8 0 0 mm 1 0 0 0 m m， 两 帮底脚锚索与竖直方向成 6 0 。 夹角布置 。 3 根据数值模拟结果 ， 可知深埋矿体 出矿进路 的破坏主要是垂直应力作用 的结果。 参考文献 [ 1 ] 王青 ， 任凤玉． 采矿学 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． Wa n g Q i n g ， R e n F e n g y u ． Mi n i n g S c i e n c e [ M] ． B e i j i n g Me t all u r g i c a l I n du s t r y Pr e s s ， 2 01 1 ． [ 2 ] 康勇 ， 李 晓红 ， 杨春和． 深埋 隧道围岩损伤破 坏模式 的数值试 验研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 7， 2 6 s 1 3 5 7 8 - 3 5 8 3 ． Ka n g Yo n g ， Li Xi a o h o n g， Ya n g Ch u n h e ． Re s e a r c h o n n u me ric a l t e s t s o n d a ma g e - f a i l u r e mo d e o f s u r r o u n d i n g r o c k i n d e e p - b u rie d t u n n e l [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h ani c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 6 S 1 3 5 7 8 3 5 8 3 ． [ 3 ] 李文秀， 王山山， 刘琳． 官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形 测试分析[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 1 0 ， 2 9 4 6 8 1 - 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