基于多因素耦合影响软岩巷道破坏机理及控制对策研究

王志修，于世波，董凯程，黄发凯

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；3.新疆亚克斯资源开发股份有限公司，新疆 哈密 839000)

目前，矿山开采深度逐年增加，矿山深部开采面临更多的问题。其中深部软弱矿岩条件矿山，面临采动地压显现强烈、巷道围岩变形严重、支护成本指数倍增等问题，对该类型矿山安全、经济生产造成巨大影响[1-2]。因此，深部矿山软弱围岩巷道破坏机理、支护方法，一直是相关学者研究的热点问题。近年来，我国很多学者对深部矿山软岩巷道破坏机理及支护技术方面开展了大量研究，并取得了丰硕成果。

何满潮等[3]提出以恒阻大变形锚网索耦合支护为核心的主动支护体，解决中生代复合型软岩非线性大变形破坏问题。康洪普等[4]提出千米深井，软岩，强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念。于洋等[5]发现软岩巷道变形破坏过程具有明显的阶段性。谢生荣等[6]针对深部软岩巷道围岩破化现象，提出集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术。宗义江等[7]基于极破碎软岩巷道破坏特点，提出“控顶卸压”技术手段。刘高等[8]提出高应力软岩巷道的破坏特征及探讨了高应力软岩围岩的变形破坏机理。王祥秋[9]针对软弱围岩提出围岩蠕变损伤具有变形损伤与时间损伤耦合效应的观点。柏建彪[10]针对深部软岩巷道破坏现象，提出主动有控卸压的方法，释放围岩膨胀变形能。

相关研究学者针对软岩巷道破坏机理及控制技术做了大量研究，但大部分对于软岩巷道初次控制进行相关分析研究，本文针对主运巷道围岩发生破坏且多次补强后控制效果依旧不佳的实际情况，从巷道围岩失稳机理及支护应对策略不清晰角度，进行现场试验分析，提出各类围岩巷道失稳破坏类型的支护对策，确保本区域巷道的正常使用。

1 区域巷道工程概括

该矿山井口标高+1 070 m，主要矿体赋存于超基性角闪橄榄岩、角闪辉石橄榄岩中，矿体下盘主要以基性辉长闪长岩为主，局部为超基性和上石炭统干墩组(C2g)细碧玢岩。下盘岩石多数完整坚固，局部矿岩接触带，有岩石蚀变强烈、裂隙发育、岩石破碎或具糜棱岩化等地质现象。

目前矿山采用无底柱分段崩落法进行回采，进路间距15 m，分段高度13.3 m。井下+490 m分段脉外运输巷道布置在下盘围岩中，见图1，脉外运输巷道为(宽×高)4.2 m×3.9 m，采用7根间排距为2 m管缝式锚杆(直径40 mm，内径36 mm)+双筋条+喷射混凝土支护方式为主，如遇到极其破碎区域加密2根管缝锚杆，并采用钢拱架支护，矿山常用支护方式见图2。由于该区域受到高地应力、频繁采动及围岩自身性质影响，经常发生破坏，目前已经进行多次返修工作。

图1 巷道位置图及岩体完整性测试孔位置图Fig.1 Roadway location map and rock integrity test hole location map

图2 巷道原始支护方式Fig.2 The original supporting mode of roadway

2 区域巷道破坏情况

490 m分段巷道受到工程环境变化影响后，巷道区域发生严重破坏，经过对该区域巷道破坏现象的踏勘调查，其巷道破坏特征如下，现场破坏特征见图3。

(a)帮部层状岩体片帮。主因是由于发育一组与巷道走向方向平行的薄层状岩体，而岩体之间又有膨胀性黏土矿物，在地应力、岩体倾向、充填物受潮、支护不当等多重因素影响下，喷射混凝土一段时间后在帮部出现大范围挤出、片帮破坏。该种破坏形式主要出现在下盘破碎带接触带中。

(b)采动动压岩体内挤。由于该矿采用崩落法采矿，致使采场底部压力相对较大，形成较高偏应力，造成破碎岩体呈现高采动应力作用下的持续变形破坏。

图3 巷道破坏特征汇总Fig.3 Summary of roadway failure characteristics

(c)管缝式锚杆锈蚀腐烂。受到早期构造运动和成岩作用影响，该铜镍矿井下盐碱化严重，致使管缝式锚杆杆壁不断锈蚀，部分锚杆锈蚀严重而破断失效。

(d)二次返修全断面内挤变形。这种岩体破坏的根本原因是膨胀性黏土矿物的遇水膨胀，该种破坏类型也日益成为矿山最为突出的巷道破坏类型。

(e)破碎带“涌出式”冒顶。破碎带由于其本身岩体完整性差、岩体强度低等特点，自承载能力极低，导致拉开后巷道无法短时间内自稳，因此，出现频繁冒顶现象。

(f)顶板喷层脱落剥离。顶板及帮部喷层脱落和剥离是黄山铜镍矿普遍存在的巷道破坏形式，与膨胀应力发展、地应力显现、喷层自身质量有直接关系。

3 巷道围岩失稳原因及机理分析

3.1 高地应力影响

巷道围岩主要以细碧玢岩、橄榄辉石岩及绿泥滑石千糜岩为主；细碧玢岩和橄榄辉石岩抗压强度分别为102.3 MPa及139.5 MPa，属坚硬岩，这种类型巷道的失稳主要是应力条件下的结构面产状控制；而绿泥滑石千糜岩的抗压强度仅为14.9 MPa，属于软岩。地应力实测结果表明：450 m中段最大主应力为29.5 MPa，方向为321°，最小主应力15.8 MPa，方向113°。最大主应力的方向与沿脉巷道呈大角度交叉，形成不利的影响，尤其对于接触带发育1～2组优势结构面的岩体，巷道开挖后直接导致了巷道表面岩体主应力场的旋转，形成更为不利的应力状态，且地应力大于围岩强度，导致发生破坏。

3.2 围岩矿物组成

巷道软弱破碎，在接触带及破碎带岩体中，具有“泥化”现象。通过X射线衍射试验和电镜扫描试验分析，见图4，发现巷道围岩主要为含铁绿泥石，属于膨胀性黏土矿成分，黏土矿物遇水泥化分解，体积迅速膨胀，围岩力学参数进一步降低，出现鱼鳞状裂纹，造成巷道局部的片帮与冒顶，加剧围岩破坏。

图4 典型样品电镜扫描图Fig.4 Electron microscope scan of typical sample

3.3 岩体结构特征调查与分析

现场工程地质调查分析，上盘岩体三组优势结构面分别为51°∠86°，84°∠69°，7°∠34°，矿体三组优势结构面分别为198°∠80°、101°∠77°、139°∠78°，下盘两组优势结构面分为38°∠82°、10°∠75°。在上盘岩体和矿体中，主要是由三组优势结构面形成的顶板的楔形体冒顶破坏。在下盘岩体中，发育的优势结构面呈现近似平行方向，与下盘沿脉巷道呈现近似平行分布，并且结构面的密度大，在巷道开挖后，受到构造应力、自重应力和膨胀应力的影响，在沿脉巷道的北侧边帮发生严重的片帮现象。

3.4 松动圈测试分析

在490 m水平脉外运输巷道布置7个孔深5 m测试孔及1个贯穿测试孔；脉内运输巷道布置2个孔深5 m松动圈测试孔。测试孔均位于巷道帮部，距离底板大约1.5 m，具体布置位置示意图见图1，其中2#、5#及10#测试孔由于塌孔及孔内残渣较多无法测试。

通过对7个测点数据进行分析处理，得到测点岩性的孔深与声速的变化曲线，如图5所示，结果显示，在区域范围内，7个测试孔纵波波速在1.6～2.2 m范围锐降，因此可知松动圈在1.6～2.2 m范围内，根据松动圈分类，该区域内松动圈为大松动圈。

图5 不同区段岩体完整性声波测试结果统计分析图Fig.5 Statistical analysis of acoustic test results of rock mass integrity in different sections

4 支护对策分析

4.1 支护类型初步划分

通过对巷道失稳破坏因素的分析，大致可将该铜镍矿的破坏类型分为三类，并相对应于支护类型：

1)一般结构面控制型失稳破坏类型：主要受到地应力和结构面两个主控因素的影响。

2)一般帮部失稳破坏类型：主因是巷道受走向近似平行或小角度交叉的单一优势结构面和结构面之间的膨胀性黏土充填物的控制，同时还受到地应力和结构面两个主控因素控制。

3)破碎带强膨胀性失稳破坏类型：主要是强膨胀性岩体矿物的强烈作用，造成巷道开挖后的短期、中长期的持续性流变大变形。同时需考虑黄山铜镍矿井下盐碱化腐蚀性。

4.2 变形力学机制转化与支护方式选择

根据以上巷道及支护类型的初步分析，通过变形力学机制转化的方法寻求最优支护类型对应的支护方式，并分析其对应解决的巷道破坏控制因素，具体如图6所示。

图6 巷道变形力学机制转化Fig.6 Mechanical mechanism transformation of roadway deformation

5 支护方案设计

综合分析巷道围岩失稳原因及机理，对巷道变形力学机制及支护方式选择进行匹配分析，结合《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086—2015)规范，制定支护对策，具体见表1。

6 结论

本文针对某铜镍矿巷道变形破坏特征及失稳模式，综合分析了巷道破坏的各种影响因素，提出了不同巷道破坏类型的控制对策，并设计了相应的支护方案，进行了新方案和原方案支护成本的对比分析，得出如下结论：

1)矿山存在的失稳模式：帮部层状岩体片帮、采动动压岩体内挤、管缝式锚杆锈蚀腐烂、二次返修全断面内挤变形、破碎带“涌出式”冒顶、顶板喷层脱落剥离。

2)通过现场工程地质调查、围岩X射线衍射和电镜扫描矿物试验及现场围岩完整性测试并结合地应力及矿岩物理力学参数分析得出，该区域围岩具有三组优势节理面，围岩中含有绿泥石属于黏土性矿物具有膨胀性，且围岩强度低于地应力，因此巷道围岩破坏由多重因素引起。

3)矿山围岩破坏类型分为：一般结构面控制型失稳破坏类型、一般帮部失稳破坏类型、破碎带强膨胀性失稳破坏类型，并根据临时巷道及永久巷道进行针对性的支护方案设计，以保证矿山依据破坏工况快速选择支护方案。