深部构造地应力对巷道稳定性影响研究(1).pdf

２０１８年第１１期／第３９卷黄金ＧＯＬＤ采矿工程３５深部构造地应力对巷道稳定性影响研究收稿日期２０１８－０９－１７；修回日期２０１８－１０－２５作者简介贾住平（１９８６），女，山东成武人，讲师，硕士，研究方向为矿山测绘与测量；贵阳市观山湖区云滩南路３号，贵州职业技术学院机电与能源工程学院，５５００２３；Ｅ  ｍａｉｌ４６４４０５４９５＠ｑｑ．ｃｏｍ 通信作者，Ｅ  ｍａｉｌ２８１５４８０６３＠ｑｑ．ｃｏｍ，１５１１６２６０２３４贾住平１，侯俊２  ，郑禄瞡３，４（１．贵州职业技术学院机电与能源工程学院；２．长春黄金研究院有限公司；３．贵州锦丰矿业有限公司；４．贵州大学矿业学院）摘要为了解决深部巷道围岩稳定性问题，研究了深部构造地应力对巷道围岩稳定性的影响。采用套孔应力解除法对锦丰金矿深部地应力进行了实测，结果显示其应力场属于构造应力场类型，最大水平主应力与垂直地应力比值达到１．５。基于地应力分布特征，采用Ｒｏｃｓｃｉｅｎｃｅ公司开发的Ｐｈａｓｅ２软件进行数值模拟和现场观测等，研究了构造应力对巷道稳定性的影响。研究结果表明巷道未加固时，巷道最大位移处位于巷道两帮和底板中央处，最大位移量为０．１４ｍ，巷道塑性剪切破坏区半径为１．５ｍ；采用Ｐｈａｓｅ２软件进行支护参数优化，确定最终支护方式和参数。该研究结果对矿山深部巷道支护提供了一定的理论依据。关键词深部开采；地应力；巷道稳定性；区域构造；套孔应力解除法中图分类号ＴＤ３２文章编号１００１－１２７７（２０１８）１１－００３５－０５文献标志码Ａｄｏｉ１０．１１７９２／ｈｊ２０１８１１０８引言地应力的形成是一个非常复杂的过程，在不同的情况下，地应力对巷道稳定性的影响有所不同，通常认为，岩体重力和地壳运动所产生的应力起主要作用，尤其以水平方向的构造运动对地应力的影响最大［１］。地应力是造成矿山巷道及其他地下工程变形和破坏的根本作用力，地应力的大小和方向直接影响巷道围岩的稳定性。在对矿山深部巷道引起的岩石力学问题研究过程中，国内外大多将８００ｍ以下的工程定义为深部工程，李新平等研究中国大陆实测深部地应力分布规律指出，垂直应力和水平应力随着开采深度的增加而增大［２－５］。为了在复杂破碎的工程地质条件和不良岩体中维持巷道的稳定性，确保采矿安全，必须对影响深部巷道稳定性的各种地质和工程因素进行充分的调查，其中地应力的分布特征和断层性质对巷道稳定性影响最大。因此，在深部巷道设计时应充分掌握地应力分布规律、断层性质与巷道布置的关系，保证巷道稳定和采矿安全［６－９］。贵州锦丰矿业有限公司（下称“ 锦丰金矿” ）地下矿埋深超过８００ｍ，属于深井开采，地质构造发育、岩石破碎。随着采矿深度的增加，地应力增大，巷道变形量增大，巷道两帮、拱脚等多处出现开裂现象［１０］。本文依据实测地应力结果、现场断层调查和观测，分析了深部构造地应力分布特征，研究了最大水平主应力对巷道稳定性的影响。１工程概况锦丰金矿烂泥沟金矿床位于扬子陆块西南缘与右江造山带的衔接部位，是一个孤立碳酸盐岩台地与陆源碎屑沉积盆地接触界面附近，但赋存于陆源碎屑岩盆地一侧的超大型金矿床。矿区内地质构造发育，规模较大的褶皱有林坛背斜、烂泥沟向斜及冗半向斜，次有北东、北西西向、近东西向的褶曲叠加于上述北西向主体褶皱构造之上，以及与主干断裂构造伴生的同斜褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲等；矿区内主要发育断层有３组，即南北向、北西向和北东向，其中北西向是矿区内最为发育的断层，包括矿床附近的Ｆ３、Ｆ２、Ｆ６及Ｆ７断层，这些断层都经历了多期构造活动，包括盆地裂陷期的同生正断层、造山期的逆冲挤压断层等。矿床主要赋存于北东、北西向断裂带中。矿区岩层主要为中三叠统边阳组、尼罗组、许满组沉积岩，其岩性总体上以砂岩、黏土岩为主，其中砂岩单轴抗压强度为２７～５９ＭＰａ，黏土岩单轴抗压强度为２１．１～３７．２ＭＰａ，在分布上砂岩、黏土岩构成厚薄不均的互层。工程地质调查表明，岩体质量分类指标值Ｑ为０．８～４２．０。２地应力测量及分析２．１测量方法国内外地应力测量方法有很多，目前技术较为成熟和应用较广的主要有套孔应力解除法、水压致裂法３６采矿工程黄金和声发射法等。其中，套孔应力解除法是发展时间较长、技术较为成熟的一种地应力测量方法，是目前唯一的通过一孔测量就能较为准确地测定一点的三维原岩应力状态的方法，测量结果准确、操作简单便捷、可靠性高。综合锦丰金矿岩体完整性较差的实际情况，本次地应力测量选择采用套孔应力解除法。２．２测点布置原则地应力测量中，测点的选择决定了测试结果的准确性，要取得准确的测试结果，需要遵循以下原则１）选择在完整或较为完整的岩体内，一般要远离断层、破碎带和断裂发育带。２）远离附近正在施工的工程，保证测量不受干扰，确保测量结果的真实性。３）避开应力集中区，如巷道转弯处、顶部等，确保地应力测点位于原岩应力区内。４）测点要尽量靠近研究对象，并选择３个及以上测点，便于研究地应力随深度变化的规律。根据以上原则，在井下３５０ｍ水平、２５０ｍ水平、１５０ｍ水平分别选取１个测点进行地应力测量。２．３施工步骤在地应力测量中必须遵循一定的施工步骤，才能获得准确的地应力数据，其主要步骤如下１）测量放样。根据设计的坐标和方位进行放样，确保钻孔取心的精度。２）钻孔（  １３０ｍｍ）。采用外径  １３０ｍｍ的国际标准钻头钻孔，钻进深度为１３ｍ。３）孔底磨平及定位。采用专用的磨平钻头将大孔孔底磨平，然后用三翼定位锥形钻头继续钻进，形成锥形定位槽。４）同心钻小孔（  ３８ｍｍ）。采用外径为  ３８ｍｍ的小钻头沿定位槽钻进，必须与大孔同心，钻进６００ｍｍ，取出岩心。若岩心完整，则进入下一步；若岩心破裂，则返回步骤１）。５）安装应变计探头。通过安装杆将空心包体应力计推至孔底，挤入环氧树脂胶结剂使空心包体应力计牢固地粘结在孔壁上。６）套孔解除。用外径  １３０ｍｍ钻头进行套孔解除，取出长４５０ｍｍ左右的完整岩心，完成应力解除。测试钻孔现场施工见图１，套孔取出的岩心见图２。图１地应力测量现场照片图２套孔取岩心现场照片２．４测量结果及分析将测得的微应变数据由计算程序自带的计算功能计算出应力大小和方向，并自动绘制相应的应力解除曲线，见图３。图３应力计在套心过程中的输出曲线从套心过程中的输出曲线可以看出，每条曲线都呈现较强的规律性，曲线的变化规律与应力解除过程的应力变化理论分析一致，说明测量结果可靠，得出的地应力测量结果见表１。表１地应力测量主应力计算结果测点编号最大主应力中间主应力最小主应力数值／ＭＰａ方向／（）倾角／（）数值／ＭＰａ方向／（）倾角／（）数值／ＭＰａ方向／（）倾角／（）１５０Ｅ－２２１．１１８３９１６．５２７４１０１３．８５２７７２５０－１＃１８．６１７５１０１３．０２６８１１１０．５５０８０３５０－１＃１７．５１８５８１１．２２８０１０８．４４６７５２０１８年第１１期／第３９卷采矿工程３７１）最大水平主应力和最小水平主应力均位于水平方向，其倾角不大于１０，垂直应力与竖直方向夹角不大于１５。２）最大水平主应力与水平面夹角为９，是垂直应力的１．５倍；这说明锦丰金矿地下矿深部地应力场以水平构造应力为主。根据巷道变形和开裂调查显示，最大水平主应力与实测结果相吻合。３）从测点埋深看，以岩石平均容重０．０２７１０６Ｎ／ｍ３计算，所测位置垂直应力与上覆岩层重量相差不大，略小于上覆岩层重量，与国内外大多数实测地应力分布情况一致。３巷道稳定性分析３．１数值模型及力学参数本次主要利用Ｐｈａｓｅ２软件对深部构造地应力下巷道稳定性进行研究［１１］。在数值模拟中，力学参数的选择对计算结果有重大影响，所取力学参数与实际情况越接近，模拟结果越准确。根据岩体样室内试验，确定参与稳定性计算的岩体力学参数见表２。计算模型采用三心拱直墙巷道（见图４），埋深５００ｍ，巷道宽５ｍ，高５．５ｍ，模型长５５ｍ，宽５０ｍ。表２岩体物理力学参数介质容重／（ＭＮｍ－３）抗拉强度／ＭＰａ内聚力／ＭＰａ内摩擦角／（）弹性模量／ＭＰａ泊松比上盘岩体０．０２７３．７２．１２７．５２５００００．１４下盘岩体０．０２７２．６２．７２９．０２３００００．１８矿体０．０２８１．２０．５３５．５２０００００．２０图４数值模拟模型３．２结果及分析３．２．１应力场巷道未进行支护的最大水平主应力云图见图５－ａ），最小水平主应力云图见图５－ｂ），垂直应力云图见图５－ｃ）。从图５可以看出当巷道开挖后，应力重新分布，由于巷道开挖导致应力释放，巷道周边应力较小；巷道围岩受压应力作用，其两拱处应力较大，易出现开裂现象；顶底板围岩中应力值最大（见图５－ａ）），这是因为其最大水平主应力方向近似水平。体应变分布见图５－ｄ）。从图５－ｄ）可以看出，体应变较小，矿岩分界处对应变影响不大。３．２．２位移场垂直位移云图见图６－ａ）。从图６－ａ）中可以看出，巷道顶底板围岩变形量最大，呈扇形向外逐渐减小，其倾角与实测垂直应力倾角一致。水平位移云图见图６－ｂ），最大变形量在巷道两帮，其倾角近似水平，与实测最大水平主应力方向吻合。整体位移云图见图６－ｃ）。从图６－ｃ）可以看出最大位移出现在巷道两帮和顶底板，呈椭圆状向周围逐渐减小；巷道周边位移量从０．１０ｍ到０．１４ｍ，最大位移量为０．１４ｍ。３．２．３塑性区分布规律巷道围岩塑性区分布见图７。根据统计，屈服破坏单元共５１９个；从图７中红色剪切破坏区可以看出，破坏单元区半径为１．５ｍ，与实测巷道围岩松动圈１．４ｍ相差不大；这证实了数值模拟参数选择与实际吻合度较高。其中，靠近巷道周边破坏单元主要以张拉破坏为主，远离巷道周边破坏单元以剪切破坏为主。３．３稳定性分析从数值模拟结果看出，在高地应力下，巷道未支护时巷道围岩变形量最大达到０．１４ｍ，塑性区半径为巷道围岩周边１．５ｍ范围。从现场围岩实际情况看，当位移量达到０．１ｍ时将出现垮塌现象。因此，为确保巷道稳定和安全生产，需要对巷道进行加固。３．４巷道锚杆支护优化及应用采用Ｐｈａｓｅ２软件对巷道加固参数进行优化，最终确定采用树脂锚杆＋锚喷网联合支护方式，树脂锚杆长２．４ｍ、直径２２ｍｍ，支护网度１．２ｍ１．２ｍ，喷浆厚度０．１ｍ。支护后数值模拟结果见图８，其最大位移量减小为０．０４７ｍ，巷道处于稳定状态。根据数值模拟结果进行现场应用，在深部１３０中段斜坡道施工过程中进行锚杆支护现场试验，１３０中段斜坡道规格为５．０ｍ５．５ｍ，优化后的支护方式为树脂锚杆＋锚喷网联合支护，通过后续跟踪检查，发现该区域的巷道稳定性较好，说明该方案具有一定的实际推广意义，现场支护效果见图９。３８采矿工程黄金图５应力分布图图６位移变化规律分布图２０１８年第１１期／第３９卷采矿工程３９图７塑性区分布图图８加固后的巷道整体位移分布图图９现场支护照片４结论１）贵州锦丰金矿掘进巷道埋深超过８００ｍ，属于深井开采矿山，随着开采逐渐加深，巷道受构造地应力影响增大，巷道两帮及拱脚处出现变形、开裂甚至垮落现象。２）根据地应力测量结果，地应力随埋深逐渐增大，在１５０ｍ水平最大水平主应力为２１ＭＰａ，是垂直应力的１．５倍。３）数值模拟结果显示，巷道在未经支护时，巷道围岩最大变形量位于巷道两帮和顶底板中央，最大位移量为０．１４ｍ；巷道塑性区半径为１．５ｍ，指明了后期巷道重点加固区域。４）利用Ｐｈａｓｅ２进行巷道围岩支护参数优化，确定巷道采用树脂锚杆＋锚喷网联合支护，树脂锚杆长２．４ｍ，直径２２ｍｍ，网度１．２ｍ１．２ｍ，喷浆厚度０．１ｍ，加固后的巷道数值模拟最大位移量降低到０．０４７ｍ，并在１３０中段斜坡道施工过程中进行现场试验，最终巷道处于稳定状态。［参考文献］［１］蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程［Ｍ］．北京科学出版社，２０１６．［２］蔡美峰．地应力测量原理与技术［Ｍ］．北京科学出版社，２０００．［３］李新平，汪斌，周桂龙．我国大陆实测深部地应力分布规律研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２，３１（增刊１）２８７５－２８８０．［４］蔡美峰，乔兰，于波，等．金川二矿区深部地应力测量及其分布规律研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９，１８（４）４１４－４１８．［５］赵德安，陈志敏，蔡小林，等．中国地应力分布规律统计分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（６）１２６６－１２７１．［６］肖同强，支光辉，张治高．深部构造区域地应力分布与巷道稳定关系研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１３，３０（５）６５９－６６４．［７］张国锋，朱伟，赵培．徐州矿区深部地应力测量及区域构造作用分析［Ｊ］．岩土工程学报，２０１２，３４（１２）２３１９－２３２４．［８］蔡美峰，彭华，乔兰，等．万福煤矿地应力场分布规律及其与地质构造的关系［Ｊ］．煤炭学报，２００８，３３（１１）１２４８－１２５２．［９］王迎超，靖洪文，陈坤福，等．平顶山矿区地应力分布规律与空间区划研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１４，３３（增刊１）２６２０－２６２７．［１０］陈懋弘，毛景文，ＵＴＴＬＥＹＰＪ，等．贵州锦丰（烂泥沟）超大型金矿床构造解析及构造成矿作用［Ｊ］．矿床地质，２００７，２６（４）３８０－３９６．［１１］倪彬，张伟，刘晓明．基于Ｐｈａｓｅ２的复杂采空区稳定性分析与评价［Ｊ］．矿冶工程，２０１３，３３（３）１３－１６．ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｅｅｐｇｒｏｕｎｄｓｔｒｅｓｓｏｎｒｏａｄｗａｙｓｔａｂｉｌｉｔｙＪｉａＺｈｕｐｉｎｇ１，ＨｏｕＪｕｎ２，ＺｈｅｎｇＬｕｊｉｎｇ３，４（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ；２．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＧｏｌｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．；３．ＧｕｉｚｈｏｕＪｉｎｆｅｎｇＭｉｎｉｎｇＬｉｍｉｔｅｄ；４．ＭｉｎｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆｄｅｅｐｒｏａｄｗａｙｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｅｅｐｇｒｏｕｎｄｓｔｒｅｓｓｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｏａｄｗａｙｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｄｅｅｐｇｒｏｕｎｄｓｔｒｅｓｓｏｆＪｉｎｆｅｎｇＧｏｌｄＭｉｎｅｉｓｍｅａｓ 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