金属矿山深部巷道稳定性测试与分析

张鹏强，李 凤，朱大铭

(1.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100；2.镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌 737100)

矿山深部原岩所处的各向异性原岩应力场环境是引起岩体破坏的根本潜在因素，随着矿山开采深度的增加，地应力值和分布状态都会发生明显变化，深部巷道及采场的收敛变形机理与浅部区别较大，这种区别的根源在于岩石所处的应力环境以及由此导致的岩体力学性质的变化，浅部表现为弹性变形的岩石在深部会表现为弹塑性或塑性变形特征。因此，深部巷道围岩松动圈的分布范围和分布特征较浅部更加复杂，而准确掌握松动圈的范围和特征对深部巷道支护技术的发展至关重要。深部高地应力环境下的巷道支护，除了考虑岩石强度性质和岩体结构外，还应重视巷道所处的应力分布特征和因掘进造成的次生断裂结构面的影响[1，2]，更加强调围岩峰后破坏岩体残余强度的利用。这些支护理论和技术的发展和应用都要基于准确测定巷道松动圈的范围和特征。目前，国内外针对松动圈的测试方法主要有渗流法、地震声学、超声测井方法、深基点位移计测量方法等，但各种测试方法的特征和适用条件有所不同。本文针对金川二矿区深部巷道松动圈的测定问题，在现有测试方法的基础上将实测数据与数值模拟相结合，在获取实测数据的同时分析其分布和变化规律，为深部巷道支护技术的发展和推广应用提供科学的预判依据。

1 金川矿山深部岩体现状

金川矿山工程地质条件极为复杂，岩体节理、裂隙发育并呈现出明显的高地应力强流变特性。研究结果表明金川矿区以水平应力为主，转入深部开采后水平应力随开采深度增加呈线性增长趋势，水平最大主应力与最小主应力的差值也随之增大，即剪切应力增大，巷道失稳破坏现象加剧。目前，金川二矿区开采深度已达1000m以上。据统计，二矿区井下巷道返修量由1999年的3200m急增至2017年的15617m，并且还有进一步增加的趋势，随之而来的是巷道维护费用的大幅增加，对深部资源的经济性开采已经产生了比较严重的影响。因此，准确测定深部裸露巷道松动圈的范围和分布特征，对促进巷道支护技术的改进具有深远的影响。

金川矿山科研成果普遍表明[3-7]，其井下巷道变形规律表现为：巷道分布位置和横断面具有变形特征的差异性；巷道变形的时间效应十分显著；巷道变形量大；变形破坏的巷道分布范围广；深部巷道围岩变形收敛值与其附近软弱岩层的厚度有关等。本文根据金川矿山巷道变形规律，对二矿区深部开采工程上盘分斜坡道松动圈范围和分布特征通过数值模拟和现场测量相结合的方法进行确定，为深部巷道支护技术改进提供参考。二矿区深部开采工程上盘分斜坡道巷道净断面尺寸为4.0m×4.0m（宽×高）。

2 数值模拟分析

2.1 力学模型

数值模拟采用三维有限元软件，选择莫尔库伦（Mohr-Coulomb）塑性模型[8]，该理论认为岩石的破坏是由剪应力引起，而且岩体所受的正应力与剪应力之间存在下列的函数关系。

式中，τ为岩体所受到的剪应力；σ为岩体所受到的法向应力，即正应力。

莫尔库伦（Mohr-Coulomb）准则是一系列极限莫尔圆的包络线，见图1。该本构模型表明，在莫尔应力圆到包络线上及包络线以外则岩体发生破坏，在包络线以内岩体不发生破坏。

图1 完整岩石的莫尔库伦强度曲线

2.2 力学参数

金川矿区工程地质与岩石力学研究过程中已经获得了比较客观准确的岩石力学参数[3]，数值模拟计算所采用的力学参数见表1。

表1 模拟计算所采用的参数表

2.3 模型网格划分

根据巷道的开挖断面规格，并结合实际的岩石力学参数与选定的破坏理论准则，建立三维有限元模型[4]。巷道断面为直墙半圆拱，断面规格4.0×4.0m。模型网格划分见图2。

图2 模拟巷道开挖形态图

根据实测结果[3,5-7]，金川矿区地应力以水平应力为主，目前金川二矿区开采深度1000m的水平应力为45.5MPa，垂直应力为29.4MPa。根据岩石应力分布特征设置模型边界条件，对模型四周边界节点的x、y、z方向分别设置速度约束，相当于固定支座约束。

2.4 计算结果分析

根据数值模拟模型以及所选择的力学参数，巷道数值模拟分析云图见图3。模拟计算结论显示，金川矿区深部上盘分斜坡道最大主应力为50.3MPa，最大位移为2.95m，剪应力为18.8MPa，最大塑性区分布于巷道左侧帮和底板，巷道的松动圈深度为1.5m-2.95m。

图3 数值分析云图

3 现场测试结果分析

3.1 测点布置

为了研究二矿区深部开采工程主要巷道松动圈范围和分布特征，选择其上盘分斜坡道工程为实测对象，并在上盘分斜坡道合理位置布置3个测点，见图4。

图4 现场测试点布置图

3.2 测试方法

现场测试采用武汉中科智创生产的RSM-SY7型超声波自动循测仪进行单孔测试[9，10]。单孔测试法是利用双发探头在所处钻孔中测量孔壁滑行波的波速来实现对围岩破碎情况的判断。在此过程中利用清水作为耦合剂，沿测试孔径向每隔0.2m布置一个测点来对整孔进行依次测试。所测得的参数即为纵波的传播时间，而后结合两个接收器之间的距离来求得波速的大小。根据所选择的测点位置，每个测点布置8个测试孔，测试孔深3m，测试孔布置方式见图5。

表2 各测试孔松动圈深度及声速测试表

3.3 测试结果

根据每个测试孔中声速在探头入孔深度不同位置时接近于水中速率值的原理来确定测试孔松动圈的深度，即证明该处围岩裂隙较其它部位发育。现场布置的各测点得出的松动圈深度及声速见表2，各测试孔松动圈深度变化折线图见图6，由表2和图6可以看出，4、6测试孔松动圈深度最大，达到2.85m，即巷道左侧帮和底板的松动圈发育程度最高，从现场测试的结果分析，目前金川矿山采用的长2.25m的锚杆已无法满足深部巷道支护的需要。因此，必须针对深部巷道围岩松动圈的实际特征进一步改进支护技术、优化支护参数，以满足深部巷道支护的需要。

松动圈测试结果表明，巷道底板松动圈发展程度较大，其深度均超过了1.5m。由此说明，巷道两帮和底板围岩中的塑性区已基本贯通，在高地应力作用下巷道两帮围岩会向临空面产生较大移动，进而扩大该区域的松动圈范围，在远场应力的持续作用下最终发生塑性滑移而导致巷道整体破坏。

从现场测试结果研究表明，在各测点布置的4和6号测试孔松动圈深度较大，最大达到2.85m；从数值模拟分析结果表明，巷道松动圈范围主要位于巷道左侧帮和底板，松动圈深度为1.5m-2.95m。因此，本次数值模拟研究结果与现场测试基本吻合，同时也验证了数值模拟研究结果在金川矿区深部巷道研究中的可行性。

5 结论

金川二矿区深部开采工程上盘分斜坡道为主要的运输巷道，承担着深部开采基建施工废石和矿石运输任务，人员、车辆通行量大，运输任务繁重，设计采用双层喷锚网支护，锚杆为Φ22mm滚压直螺纹锚杆，长2.25m。通过巷道松动圈深度和分布特征数值模拟和现场测试分析研究，得出以下结论。

（1）数值模拟分析结果表明，金川矿区深部巷道松动圈范围较大的部位集中在巷道的左侧帮和底板，深度达到1.5m-2.95m。

（2）现场测试结果表明，金川矿区深部巷道松动圈范围主要位于巷道两帮和底板，深度为1.1m-2.85m。

（3）通过研究表明，验证了数值模拟在金川矿区深部巷道松动圈确定中的可行性。

（4）从数值模拟研究结果可以看出，金川矿区深部巷道底臌现象明显，今后在深部巷道的支护研究中还应该重点探究经济、合理的巷道底板封底加固措施。

（5）数值模拟和现场测试结果表明，金川深部巷道围岩松动圈深度以两帮及底板为最大且超过了2.95m，顶板次之，这表明目前所采用的2.25m锚杆长度已无法满足深部巷道支护的需要，应在后续的研究中根据支护需要，进一步优化支护参数，确定合理的锚杆长度。

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