對(duì)巷道變形、破壞及支護(hù)的探討

1、對(duì)巷道變形、破壞及支護(hù)的探討（甘肅省金昌市鎳鈷研究設(shè)計(jì)院礦山分院地勘室 7371000） 摘要：本文針對(duì)甘肅金川一礦區(qū)礦井下采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的矮墻半圓拱斷面巷道的變形、破壞特點(diǎn)，結(jié)合金川地應(yīng)力狀況，分析了矮墻半圓拱巷道的應(yīng)力分布特點(diǎn)、變形、破壞原因，并提出相應(yīng)措施，并取得了良好的效果。 關(guān)鍵詞：矮墻半圓拱 變形 破壞 壓力曲線 0、前言 1959年甘肅金川一區(qū)礦建礦以來，礦山經(jīng)過了由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采的過程，其工程地質(zhì)問題也相應(yīng)地由露天邊坡穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)為地下硐室、巷道、采場(chǎng)的穩(wěn)定性問題，例如：地下開挖過程中塌方、巷道支護(hù)變形破壞、地下采場(chǎng)穩(wěn)定性等工程地質(zhì)問題。礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力較大，掘

2、進(jìn)施工相當(dāng)困難，巷道維護(hù)、返修量大，費(fèi)用高，直接影響到生產(chǎn)成本，在這方面，以前做了大量的科研工作，基本上掌握了金川礦巖的變化規(guī)律，并在巷道掘進(jìn)中采用了光面爆破、支護(hù)中采用了噴錨支護(hù)和先柔后剛的支護(hù)原理等，取得了先進(jìn)成果，但是，并沒有完全解決巷道服務(wù)年限與生產(chǎn)使用年限關(guān)系的問題，因此有必要進(jìn)一步對(duì)巷道的變形、破壞、支護(hù)進(jìn)行探討，力求巷道服務(wù)年限與生產(chǎn)使用年限相互匹配。 1、 墻半圓巷道的變形與破壞 11采用矮墻半圓拱斷面 我們知道，巷道的斷面形狀和地應(yīng)力狀態(tài)直接影響著巷道襯砌的受力狀況及穩(wěn)定性，就金川地應(yīng)力而言，最理想的巷道斷面形狀應(yīng)為橫臥橢圓形，但是，橢圓形斷面巷道施工比較困難，而且斷面利用律

3、較低，所以金川一礦區(qū)一直沒有采用該斷面，考慮到斷面利用率、施工和其它原因，甘肅金川一礦區(qū)井下巷道選用了矮墻半圓拱形斷面，并沿用至今。 1 2墻半圓拱巷道的變形與破壞 121巷道被動(dòng)支護(hù)的變形、破壞形式 被動(dòng)支護(hù)主要指以前采用的混凝土預(yù)制塊襯砌、木棚支護(hù)、現(xiàn)澆混凝土襯砌、U型鋼支架等支護(hù)，其變形破壞有如下形式：1、側(cè)墻內(nèi)擠張裂，2、拱頂擠碎或剪斷，3、有偏壓力引起的不對(duì)稱變形破壞，4、由頂壓引起的變形破壞，5、底鼓，6、斷層殘余應(yīng)力引起的支護(hù)變形破壞，以上六種形式多發(fā)生在不良巖層中，其引起的原因及防止措施有關(guān)文獻(xiàn)1已有論述。122巷道主動(dòng)支護(hù)的變形與破壞 主動(dòng)支護(hù)是指龍首礦目前采用的噴錨網(wǎng)聯(lián)合支

4、護(hù)。主動(dòng)支護(hù)變形破壞的形式主要有：側(cè)墻開裂、噴層掉塊、底鼓、其中側(cè)墻開裂表現(xiàn)為側(cè)墻內(nèi)擠噴層開裂、側(cè)墻下部向上向內(nèi)剪裂和側(cè)墻上部向下向內(nèi)剪裂，在龍首礦1385分段道，筆者發(fā)現(xiàn)該區(qū)段內(nèi)巷道矮墻以上半圓拱的下端發(fā)生了破壞，并且都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：下墻相對(duì)向上向內(nèi)移動(dòng)，連成一片（如右圖），幾乎占到了該段巷道長(zhǎng)度的80%以上，這一現(xiàn)象引起了我們的注意，并對(duì)該巷道進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀察。 1385分段道位于甘肅金川一礦區(qū)17行-24行之間1385米水平處，整個(gè)分段道布置在616、620、622等采場(chǎng)的上盤超基性巖體中，其中19+20以西為貧礦體，以東為含二輝橄欖巖，兩者接觸為一條較小的破碎帶， IV、V級(jí)結(jié)構(gòu)面

5、發(fā)育，節(jié)理為5-6條/米，多方向發(fā)育，塊狀-碎裂構(gòu)造，巖石抗壓強(qiáng)度為89Mpa-102Mpa,因此，該段巷道的變形、破壞可不考慮不良地層（斷層、膨脹性巖石，強(qiáng)度差異的巖體）的影響。地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，方向?yàn)镹400E，垂直礦體走向。巷道凈垮4米，高3米（矮墻高為1米），斷面形狀為矮墻半圓拱，分段道長(zhǎng)約260米，施工采用光面爆破，噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，分二次施作，第一次初噴混凝土，然后打孔安裝砂漿錨桿，頂板、側(cè)墻一律使用18mm螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)1.8m,間排距1.0米，支護(hù)總厚度為200mm(如圖1-3)。 1.2.3 1385分段道的變形、破壞 它屬于第巖帶，圍巖壓力以形變地壓為住，變形具有長(zhǎng)期性

6、。1999年，我們?cè)鴮?duì)1385分段道的變形破壞進(jìn)行調(diào)查結(jié)果列表如下： 表1-1 1385分段道變形、破壞統(tǒng)計(jì)表 項(xiàng)目 長(zhǎng)度（米） 面積（米2） 百分比（%） 發(fā)生部位 圍巖內(nèi)擠、側(cè)墻拉裂 21米 8.08% 側(cè)墻 側(cè)墻下部向上向下剪裂 211米 81.15% 多發(fā)生在腰線以上 側(cè)墻上部向下向內(nèi)剪裂 19米 7.35% 多發(fā)生在腰線以下 噴層掉塊 98米2 4.55% 巷道頂板 底谷 54米 20.77% 航道底板在以上調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在同上斷面內(nèi)，側(cè)墻壁下部向上向內(nèi)剪裂與側(cè)墻上部向內(nèi)剪裂不共存。另外，在其它巷道變形破壞調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，以上現(xiàn)象均有不同程度發(fā)生，其中以內(nèi)側(cè)墻下部向上向內(nèi)剪裂最為普遍，不過

7、它們的變形破壞與1358分段道相比，還受到其它因素（如不良巖層等）的影響。以上調(diào)查說明，主動(dòng)支護(hù)的變形破壞方式主要為側(cè)墻下部向上向內(nèi)剪裂。 2、對(duì)矮墻半圓拱巷道變形、破壞分析 2.1成巷前后能量轉(zhuǎn)化與成巷后應(yīng)力分布 2.1.1成巷前后能量轉(zhuǎn)化 開挖前后能量守恒定律為：Wc+Um-Uc+Wr+Un+Wf其中Wc為整個(gè)有關(guān)巖體積內(nèi)應(yīng)力因?yàn)橥谙锏浪龅墓?；Um為該巷道開挖出那部分巖體釋放出的應(yīng)變能；Uc為非完全彈性介質(zhì)中開挖巷道時(shí)圍巖重新積累的彈性能；Wr為開挖巷道過程中的彈性能；Un為開挖巷道后損失部分非彈性能；Wf為支護(hù)結(jié)構(gòu)所吸收的部分能量。通常，Wc、Um、及Wf為常數(shù)，因此，由上式可看出，開

8、挖巷道后能量除部分損失外轉(zhuǎn)移到巷道圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)中，圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)的能量積累越大，變形應(yīng)越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)越易破壞，同時(shí)要減少圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)上的能量，就必須適當(dāng)增大圍巖變形以增大非彈性應(yīng)變能的損失來實(shí)現(xiàn)。 2.1.2成巷后應(yīng)力分布 有關(guān)有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：圍巖頂板和底版都是應(yīng)力集中區(qū)，兩幫應(yīng)力都較小，且最大主應(yīng)力出現(xiàn)在與原巖最小主應(yīng)力方向一致的圍巖幫壁，頂板平均應(yīng)力約是側(cè)幫應(yīng)力的1.7-2.6倍。如礦區(qū)實(shí)測(cè)巷道圍巖頂板、底版和兩幫各六個(gè)單元的平均應(yīng)力分別為52.75Mpa、44.11 Mpa和26.59 Mpa，頂板平均應(yīng)力約為側(cè)幫應(yīng)力的1.98倍。圖2-1是據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果繪制的矮墻半圓拱斷

9、面圍巖應(yīng)力分布圖，由于壓力曲線與巷道斷面形狀不一致，硐壁圍巖的最大主應(yīng)力方向與硐壁產(chǎn)生一定的夾角，由圖2-1由看出，在巷道兩幫腰線上下約0.4米處，最大主應(yīng)力方向與巷道壁交角最大，因此，這兩個(gè)部位易發(fā)生剪切破壞，且造成腰線以上的破壞形式為側(cè)墻底部向上向內(nèi)剪切破壞（如圖1-1所示），腰線以下的破壞形式為側(cè)墻上部向下向內(nèi)剪切破壞。 2.2最大彎距的計(jì)算 我們知道，地下結(jié)構(gòu)合理的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)為拱的軸線與壓力曲線相重合。就金川而言，合理的力學(xué)斷面為平臥橢圓形，即采用合理的橢圓形斷面，拱（支護(hù)）上的彎距與剪力達(dá)到最小，幾乎為零，那么采用矮墻半圓拱斷面拱（支護(hù)）上的彎距如何呢，這里給出以下簡(jiǎn)解，巷道斷面長(zhǎng)軸

10、遠(yuǎn)大于巷道斷面，因此可簡(jiǎn)化為平面力學(xué)問題，巷道斷面對(duì)稱，可取其一半為分析對(duì)象，并建立如圖2-2所示的坐標(biāo)，其受力如圖2-2所示： Rx+Rx- xdy=0 ydx-Ry=0 Rx(h+r)+Ryr- yxdx- xydy=0 上式為受力平衡方程，為彎距平衡方程，R為圓拱半徑，h為矮墻高。在y=r時(shí)，分別求任意一點(diǎn)C(x,y)的彎距,把Rx代入后分別求導(dǎo)，并令M(C)=0得： 在該區(qū)段，實(shí)測(cè)主應(yīng)力平均值分別為1=246Kg/cm2，2=159Kg/cm2， 3=97Kg/cm2，12=202Kg/cm2，其中1、2為近水平應(yīng)力，3為近豎直方向應(yīng)力，12為水平方向上平均應(yīng)力。半圓拱半徑為r=2米，

11、矮墻高為h=1米，把以上個(gè)值分別代入式得Rx=-303.2-433.7Kg、Rx=-238.3Kg、Ry=-194Kg,y=1.76米。由計(jì)算結(jié)果可知：頂板的軸向壓力大于側(cè)幫的軸向壓力，其比值為1.89：1（有限元計(jì)算結(jié)果為1.98：1），軸向壓力越大，越容易引起噴層發(fā)生張性破壞或壓剪破壞，該區(qū)段內(nèi)噴層多發(fā)生在頂板證明了這一點(diǎn)。彎距最大的部位也是圍巖變形最大的部位，圍巖變形量越大，噴層應(yīng)力越大，噴層中的應(yīng)力過大將導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，巷道破壞。 2.3巷道圍巖變形測(cè)量 為了適應(yīng)金川鎳礦巷道長(zhǎng)期觀測(cè)2的特點(diǎn)，采用了武漢巖土專門研制的機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)和機(jī)械式收斂計(jì)進(jìn)行測(cè)量，各孔各點(diǎn)的最終相對(duì)變形如圖2-3

12、所示，觀測(cè)斷面的表面位移平均速率如表2-1所示。由圖2-3和表2-1結(jié)果可得出：側(cè)幫位移較大，應(yīng)力較小，頂板位移較小，而應(yīng)力較大。表2-1 多點(diǎn)位移孔口測(cè)量結(jié)果孔號(hào) 觀測(cè)值 U/Umax 0.5 0.6 0.7 0.8 0.85 0.90 1.00 左 U（mm） 13.27 15.92 18.58 21.23 22.56 23.89 26.54 T(day) 12 17 22 29 37 50 280 R(mm/d) 1.1 0.58 0.53 0.38 0.17 0.1 0.01 右 U（mm） 13.55 16.26 18.97 21.68 23.04 24.39 27.1 T(day)

13、 20 25 34 50 60 75 280 R(mm/d) 0.67 0.52 0.30 0.17 0.16 0.11 0.01 頂 U（mm） 6.77 8.46 10.16 11.85 13.54 14.39 15.24 16.93 T(day) 9 13 16 19 24 27 31 280 R(mm/d) 0.72 0.65 0.56 0.56 0.34 0.28 0.21 0.012.4圍巖的變形特點(diǎn) 金川巖體開挖后變形發(fā)展過程基本一致，除了個(gè)別斷面差異較大（地質(zhì)條件差異引起）外，位移量都有相同的數(shù)量級(jí)。圖2-4是圍巖的一個(gè)典型變形曲線文獻(xiàn)2，其變形可分為三個(gè)階段：急劇變形階段，減速變形階段，穩(wěn)定變形階段。其中在45天前，變形量占到了變形總量的50-80%，變形速率大于0.3mm/天，屬于第一階段，100-140天前，變形總量的90%，變形速率下降，屬于第二階段，在此之后，變形速率降到0.012mm/天，以下屬于第三階段。巖體的變形有明顯的流變特征，采用粘性-粘塑性的西源流變模型可較好的模擬圍巖的塑性區(qū)和位移擴(kuò)展過程。 3、 矮墻半圓拱巷道的支護(hù) 31現(xiàn)行與理論支護(hù)分析 3.1.1金川地應(yīng)力大，圍巖能量較大，