某铜矿深部巷道变形特征和破坏机理研究

张志飞

（紫金矿业集团股份有限公司 上杭 364200）

1 引言

某铜矿伴随着地下开采深度逐年增加，开采深度已超过800m，地质环境越显复杂，主要体现在地压加大、巷道变形增大等，对深部资源的开发利用产生巨大的困扰。为此，对深部巷道的变形特征及围岩破坏机理展开了深入的分析研究，为下一步支护方案的设计提供理论基础，同时保障矿山的安全生产和经济效益。

2 深部巷道变形特征分析

为了能够更深入地了解深部巷道围岩的变形特征，开展了深部主运输巷道表面位移监测，对现场进行了长时间的观察和分析。巷道断面形式为三心拱，宽4.5m，高4m，采用锚喷支护方式。对现场开挖后巷道共选取2 个观测断面，断面间距约为20m，采用十字交叉法布点，每个断面布置4 个测点，测量仪器用JSS30A-30 型数显收敛仪。经过长达两个月时间的观测后，变形监测结果如图1-4所示，具体变形特征分析如下：

图1 1#观测断面巷道收敛曲线

图2 1#观测断面巷道收敛速率曲线

图3 2#观测断面巷道收敛曲线

图4 2#观测断面巷道收敛速率曲线

（1）变形量大

根据监测结果，深部巷道围岩总的变形量是比较大的，最大可达到十几厘米。由监测数据显示，在进行为期两个月时间的监测后，两个观测断面的巷道变形量都很大，其中顶板下沉加上底鼓总量约163mm，巷壁移近总量约132mm。

（2）变形持续时间长

深部巷道围岩都有较明显的流变特性，而且变形体现在时间效应上。通过现场实测数据显示，巷道施工开挖后围岩要经过20 多天的剧烈变形，之后变形幅度越来越小，但持续时间却要数月甚至更长才能完成。巷道在开挖两个月后，1#测点巷道顶底板的收敛速率降至0.5mm/d，巷壁移近速率降至0.3mm/d；2#测点巷道顶底板收敛速率降为0.7mm/d，巷壁移近速率降为0.4mm/d。由此可见，在巷道施工开挖两个月后，巷道仍有较大幅度的变形趋势。

3 深部巷道变形破坏机理分析

分析研究巷道的变形破坏原因对巷道的掘进和支护以及将来的使用和维护是很有必要的，然而巷道的变形破坏是多方面因素共同作用的结果。众多的理论研究和工程实践经验表明巷道变形破坏不仅与岩性、地应力、地质构造等自然因素有关，而且还与巷道的开挖方式、围岩支护形式等工程因素有关。通过认识这些因素的作用，就能更实际的对巷道变形破坏机理进行研究并采取相应的技术措施来控制其变形。以下就以某铜矿深部主运输巷道特定的地质条件分析该道变形破坏的影响因素。

（1）岩性

巷道由于长期处在岩浆岩体中，致使围岩和地质结构异常复杂。已揭露巷道围岩主要为花岗岩，局部穿插有英安玢岩岩脉，岩石破碎松散，多处分布破碎带、严重地开石蚀变的软质岩，浅部以风化裂隙为主；巷道沿线断裂较发育，局部断裂、岩脉发育及地开石蚀变严重段，岩体质量差，以Ⅳ～Ⅴ级为主。在巷道掘进时引发的荷载集中作用在块状结构的岩体上很容易使其变为碎裂结构的岩体，从而造成围岩体的整体强度降低，以此围岩产生一定量的膨胀变形量。

（2）地质构造

该巷道所穿越的岩层地质构造非常复杂，多见大小不一的断层，节理和裂隙相当发育。矿区范围内的断裂构造有5 条，巷道掘进在穿越断层、构造裂隙时所受压力很大，巷道变形量也急剧上升，支护相当困难。当岩体受开挖扰动后，会经历一个卸压阶段，之后围岩体自身出现稳定并且维持一段时期，倘若支护结构遭到破坏，失去平衡，此时就会加剧巷道的变形，这在断层下盘最容易发生冒顶事故。此外，巷道在穿越断层掘进时，在断层附近的巷帮往往会发生较严重的变形，此时在巷道中采用锚杆支护时会使其受较大剪应力而所受拉应力却较小，锚杆极易出现弯曲变形现象。

（3）地应力作用

根据矿区前期断裂构造的地质条件研究表明，该矿区具有复杂多变的构造应力。由现场巷道破坏形式发现，不同方向巷道破坏严重程度不同，表明矿区实测地应力以水平应力为主，应力值也较大。就巷道目前的深度而言，巷道垂直应力只有水平应力的一半，表现出强烈的矿压特性，顶板冒落和底板上突严重。巷道施工开挖后，围岩释放压力，受上覆岩层重力、支撑压力及构造应力的影响，使支护工作举步维艰。又水平应力大，使巷道顶底板岩层容易出现扩容剪胀变形，顶底板岩层的破坏将进一步加大。

（4）地下水的影响

根据水文地质资料显示，深部巷道揭露地下水类型包括风化裂隙水、岩脉裂隙水、断层破碎带内地下水和构造裂隙带地下水四种。从巷道掘进工作面围岩可以看出该处岩体异常破碎，呈泥质胶结状，受水的侵蚀、流动影响非常大。地下水对巷道围岩的侵蚀、溶解及冲刷作用使岩石疏松、软化，或产生动、静水压力，改变岩石的力学状态，泥石物块的充填，降低了岩石的强度和承载能力，岩体也变得不完整，围岩的稳定级别下降，明显达不到支护设计的要求。

（5）巷道支护方式

深部巷道的支护方式，一般有锚喷支护、锚网喷支护、混凝土支护等。因为支护结构的支撑抵抗作用，直接影响巷道围岩的应力、应变状态，使开挖引起的巷道变形得到有效控制，减小围岩塑性区范围。大量工程实践证实，采用正确的支护方式、选择合理的支护参数能够使支护效果得到最佳体现，所以，支护结构对围岩稳定性的影响至关重要甚至起决定作用。巷道前期采用250mm厚的混凝土支护方式，混凝土支护结构顶部出现裂缝、掉块现象。造成这一现象的主要原因是混凝土支护属刚性支护，在巷道开挖初期不能起到柔性让压的作用，原支护结构的支护阻力偏低，无法抵抗作用在支护结构上的外力。

4 结论和建议

（1）巷道所处在构造破碎岩层区，岩石非常破碎软弱，蚀变严重，又处在高地应力环境中。在锚喷支护方式下，巷道主要表现为大变形、长时间变形的特征。

（2）影响深部巷道变形破坏的因素有很多，但客观的自然因素是人为无法改变的，因此，要控制巷道的变形，改善围岩的稳定程度唯有从支护因素入手。