白象山铁矿巷道围岩稳定性分类及支护对策研究

齐 彪 韩立军 陈 轲 孙茂贵 黄小忠 张 建

(1.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116;3.马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司白象山铁矿，安徽马鞍山243184)

巷道围岩稳定性分类是对巷道围岩质量和稳定性状况进行综合评价的一种简单迅速的基本方法，目的是科学、定量地描述巷道围岩稳定性状况，判明支护的主要对象，进而为不同工程地质和生产技术条件下选择巷道支护强度、支护形式及参数，以及施工管理等问题提供合理的决策依据［1］。针对巷道围岩稳定性分类方法，国内外学者做了大量的研究工作［2-6］，这些巷道围岩稳定性分类方法都只是采用单一方法或对单一巷道围岩稳定性进行粗略的评价分析，所提出的巷道支护形式与参数的选择标准无法有效指导巷道支护设计工作。

马钢(集团)控股有限公司白象山铁矿设计铁矿石年产量200万t，井巷开拓工程量巨大。矿区地质构造极其复杂，断裂构造较发育，局部裂隙富水。由于矿区岩性差异较大，对围岩特性研究不够深入，巷道围岩稳定性状况基本依靠现场技术人员的定性描述和评价，因此无法确定巷道合理的掘进与支护参数，巷道支护设计缺乏科学依据。可能存在支护强度达不到围岩稳定性要求而带来的安全隐患或者围岩条件较好而增加不必要的巷道支护成本。因此，急需开展巷道围岩稳定性评价的研究与分析工作，完善白象山铁矿巷道围岩稳定性评价方法，以有效指导巷道掘进与支护设计工作。

1 巷道地质概况

白象山铁矿副井－450 m水平和－495 m水平巷道地层为黄马青组下段杂色岩层，层状构造;围岩为粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，颜色以紫色、灰色、灰褐色为主;闪长岩为块状构造，细粒结构，主要成分有长石、角闪石、云母和少量的石英等，并伴有绿泥石化和碳酸盐化;裂隙局部有发育，裂隙多为高倾斜或直立发育，小破碎带较多，闪长岩泥化现象较严重，遇水膨胀。

2 巷道围岩稳定性分类依据

2.1 巷道围岩松动圈测试

由于岩体结构及其物理力学性质的复杂性，目前岩石力学支护理论还难以通过理论分析上的数值计算方法定量评估支护荷载，但对于围岩稳定性影响因素已有共识，主要有岩体强度、原岩应力(原岩应力有自重应力、构造应力、采动及巷道间相互影响)、水、支护性能、施工方法等［3］。岩体强度的影响因素有岩块强度、岩体结构、结构面特征、节理发育程度、充填状况、风化程度。松动圈厚度值是一个综合指标，它全面反映原岩应力(包括采动应力)，岩体性质(包括其强度、裂缝、软弱夹层等)及施工和水等的影响［7］。

巷道支护围岩松动圈分类表［7］以综合指标作为围岩分类依据。由于不同矿区的巷道围岩物理力学性质与地应力差异较大，松动圈大小不同，巷道支护的难易程度也不同。因此不同矿区对应有适宜本矿区巷道围岩性质的巷道支护围岩松动圈分类表。

2.2 冶金矿山锚喷支护巷道围岩分类

冶金矿山行业在考虑岩石单轴饱和抗压强度、围岩受地质构造影响程度、围岩节理发育程度、节理宽度、岩层厚度等基础上，将围岩分为稳定、稳定性较好、中等稳定、稳定性较差四类，编制成冶金矿山锚喷支护围岩分类表［8］。

3 巷道围岩松动圈测试与分析

3.1 地质雷达探测方法

在白象山铁矿副井－450 m水平沿脉东大巷、沿脉西大巷、水泵房硐室、主井－540 m水平卸载硐室、风井－390 m水平石门巷、－470 m水平石门巷等巷道的顶、底板和两帮布置测线，进行了巷道围岩松动圈地质雷达探测。雷达探测沿着巷道断面进行测线布置，连续记录采样，探测深度为5 m。

3.2 地质雷达探测结果与分析

部分巷道松动圈范围如表1所示。部分巷道测线的地质雷达探测剖面图分别如图1到图4所示，从图中可以看出:雷达波呈现较低频、杂乱的多次震荡显示，说明围岩在该处较为松散破碎，对雷达波造成一定程度的吸收。

表1 白象山铁矿部分巷道松动圈范围Table 1 Loose circle scope of part roadway in Baixiangshan iron ore

图1 副井－450 m水平沿脉东大巷雷达探测剖面Fig.1 Radar cross section of along lode east main roadway in the－450 m level of auxiliary shaft

图2 副井－450 m水平沿脉西大巷雷达探测剖面Fig.2 Radar cross section of along lode west main roadway in the－450 m level of auxiliary shaft

4 巷道围岩工程分类

由于白象山铁矿设计施工的巷道类型较多，其功能和服务年限也存在较大差异，且在不同中段巷道掘进过程中所穿越的地层也存在较大的不同，因此巷道开拓所采用的掘进与支护方式是否合理将严重施工效率与成本。

图3 风井－390 m水平石门巷雷达探测剖面Fig.3 Radar cross section of crosscut roadway in the－390 m level of ventilation shaft

图4 风井－470 m水平石门巷雷达探测剖面Fig.4 Radar cross section of crosscut roadway in the－470 m level of ventilation shaft

根据巷道围岩基本物理力学性质试验、地质雷达松动圈测试结果，综合采用冶金矿山锚喷支护围岩分类和围岩松动圈分类方法对白象山铁矿主要巷道围岩进行分类。在进行巷道支护围岩松动圈分类时，选择有代表性的岩层和巷道测出松动圈的数值填入巷道支护围岩松动圈分类表［7］中，得到白象山铁矿不同水平巷道围岩稳定性综合分类表。在实际应用此分类表时，遇有遇水膨胀岩石或构造应力集中地区，应补测分类。岩石饱和状态下单轴抗压试验结果表2所示，白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类如表3所示。

表2 岩石饱和状态下单轴抗压试验结果Table 2 Uniaxial compression test results of saturated state rock

该围岩分类方法为初步分类，现场可根据巷道可能穿越地层特性，采用物探方法对围岩进行预分析，并及时分析揭露后的岩层特性，确定围岩准确类别，然后选择合理的掘进和支护方式，从而优化巷道开拓施工方案与支护参数。

5 基于围岩分类的巷道支护对策分析

针对白象山铁矿不同类型巷道工程特点，结合白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类表，进行合理的支护方式与支护参数的优化研究，制定出白象山铁矿巷道支护方案选择表，如表4所示。

表3 白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类表Table 3 Comprehensive classification table of roadway surrounding Rock'stability in Baixiangshan iron ore

表4 白象山铁矿巷道支护方案选择表Table 4 Scheme selection of the roadway support in Baixiangshan iron ore.

在根据白象山铁矿巷道支护方案选择表进行巷道支护设计时，应根据巷道不同的围岩类别进行支护机理选择:第I、II类围岩采用悬吊理论进行设计，第III、IV类围岩采用组合拱、组合梁理论来进行设计;在选择支护形式和参数时，若同一类围岩受采动影响或巷道布置较为密集，应该加大支护强度;第V类巷道围岩主要位于断裂破裂带中，围岩松散破碎，构造应力大，稳定性较差，同时受高压裂隙水的作用，因此，应该对这类围岩进行加强支护，制定更加合理、安全可靠的支护方案技术方案。

6 围岩变形监测分析与评价

巷道围岩变形监测可以反映巷道开挖后围岩的变形收敛特征，检验巷道支护结构、设计参数及施工工艺的合理性，为修改、优化支护参数提供科学依据。围岩表面收敛位移量测采用收敛计，每隔30～50 m布置1个监测断面，每个监测断面采用中腰十字布点法共布置4个测点，部分巷道围岩位移随时间变化曲线如图5所示。

图5 巷道围岩随时间变化曲线Fig.5 Variation curve of roadway surrounding rock with time

由图5分析可知，5个巷道收敛变形与顶底板收敛变形曲线趋势基本一致:随着时间的变化呈现加速变形阶段、波动变形阶段以及稳定变形阶段。巷道两帮收敛变形约为2.93～5.85 mm，平均值约为3.88 mm;巷道顶底板收敛变形约为0.437～3.431 mm，平均值约为1.73 mm。巷道收敛变形曲线表明:巷道两帮围岩收敛变形量大于巷道顶底板围岩收敛变形量，说明巷道顶板锚杆有效的约束了顶板围岩的变形，应该加强巷道两帮围岩的支护，以提高两帮支护抗力与支护结构的整体稳定性。

7 结论

(1)基于岩石基本物理力学性质试验和地质雷达松动圈探测结果，综合采用冶金矿山锚喷支护围岩分类和围岩松动圈分类方法，对白象山铁矿主要巷道围岩进行分类，制定出白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类表，将巷道围岩稳定性分为稳定的I类、稳定性较好的II类、中等稳定的III类、稳定性较差的IV类以及稳定性极差的V类。

(2)以白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类表为基础，对每类巷道围岩稳定性状况进行分析，进行合理的支护方式与支护参数的优化研究，制订出白象山铁矿巷道支护方案选择标准，有效地指导了白象山铁矿巷道支护设计。

(3)巷道围岩变形监测分析结果表明，参考白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类表，针对不同的围岩类别选用合理的的支护形式与参数，可有效地控制巷道围岩两帮及顶底板的收敛变形，保证巷道的长期安全与稳定。

(4)工程实践表明，以白象山铁矿巷道支护方案选择标准为依据进行巷道支护设计，可以大大减小巷道支护形式与参数选取时的盲目性，有效地指导了巷道支护设计工作，具有较高的工程应用价值。

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