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黄金科学技术 ›› 2020, Vol. 28 ›› Issue (2): 238-245.doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.120

• 采选技术与矿山管理 • 上一篇    下一篇

高地应力破碎围岩巷道变形破坏特征及支护方式研究

李光1,2,3(),马凤山1,2(),郭捷1,2,赵海军1,2,寇永渊4,兰剑4,赵金田4   

  1. 1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029
    2. 中国科学院地球科学研究院，北京 100029
    3. 中国科学院大学，北京 100049
    4. 金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100
  • 收稿日期:2019-07-01 修回日期:2019-11-23 出版日期:2020-04-30 发布日期:2020-05-07
  • 通讯作者: 马凤山 E-mail:liguang@mail.iggcas.ac.cn;fsma@mail.iggcas.ac.cn
  • 作者简介:李光（1991-），男，黑龙江双鸭山人，博士研究生，从事矿山工程地质研究工作。liguang@mail.iggcas.ac.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目“深部高地应力采场围岩板裂化破坏机理研究”(41877274);“金属矿山地下采动引起的竖井变形破坏机理研究”(41772341);国家自然科学基金重点项目“海底采矿对地质环境的胁迫影响与致灾机理”(41831293)

Study on Deformation Failure Characteristics and Support Methods in Broken Rock Mass Roadway Under High Geo-stress

Guang LI1,2,3(),Fengshan MA1,2(),Jie GUO1,2,Haijun ZHAO1,2,Yongyuan KOU4,Jian LAN4,Jintian ZHAO4   

  1. 1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
    2. Institutions of Earth Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
    3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
    4. Jinchuan Group Co. ，Ltd，Jinchang 737100，Gansu，China
  • Received:2019-07-01 Revised:2019-11-23 Online:2020-04-30 Published:2020-05-07
  • Contact: Fengshan MA E-mail:liguang@mail.iggcas.ac.cn;fsma@mail.iggcas.ac.cn

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摘要：

巷道支护一直是阻碍矿山安全、高效开采的难题，特别是在深部高地应力区，如何通过合适的支护手段控制巷道的变形，已成为国内外学者们特别关注的工程问题。针对金川二矿区高地应力破碎围岩这一特殊的地质条件，采用现场调查与数值模拟计算相结合的方法，对研究区巷道变形破坏特征和8种不同支护方式效果进行了研究。结果表明：（1）研究区巷道的变形破坏模式可划分为6种，分别为偏压变形、顶板下沉、顶板开裂、底鼓、边墙开裂和片帮，其中片帮是最常见的一种破坏模式；（2）研究区巷道的变形破坏具有3个特征，分别为最大主应力主导性、大变形和显著的时间效应；（3）在支护方式中增加U钢支架、补充底部支护、增大锚杆长度及减小锚杆间排距几种方法均能不同程度地改善支护效果。其中，增加U钢支架和底部喷锚网支护效果最显著，可以减小约70%的巷道变形量和塑性区；增大锚杆长度能更好地控制巷道的变形和整体稳定性，但优化效果不显著；减小锚杆间排距有利于巷道各部位变形和塑性区的控制，密集的锚杆布置能够有效改善围岩的完整性，且降低锚杆排距的支护效果更好。该项研究成果为金川矿区以及具有相似地质条件的地下工程支护问题提供了借鉴。

关键词: 高地应力, 破碎围岩, FLAC3D, 现场调查, 巷道变形破坏, 支护方式, 金川矿区

Abstract:

With the rapid economic development，the status of mineral resources in the national economy and the demand for mineral resources has been increasing.In the mining production of these resources，it is an important task to ensure enduring and effective supports，which directly affect the safe production and sustainable development of the mine.Controlling roadway deformation by using appropriate support measures has become a critically important area of focus in the study of rock mechanics and mining.Because the rocks have experienced complex high stresses for a long period of time，the physical and mechanical properties of deep rock masses can change dramatically and the deformation failure modes are significantly different from those in shallow environments.Severe deformations and failures may occur due to high ground stress a short time after roadway excavations，and these may incur large repair costs that seriously hinder the baseline economic development of a mining area.The Jinchuan Mine，the largest nickel production base in China，is located in Jinchang City，Gansu Province.It is a large and complex deposit with high ground stress，a deeply buried ore body，and broken rocks.Due to its extremely complex regional geological background，special engineering geological environment，and distinctive rock mechanics，the Jinchuan Mine has attracted the attention of researchers and experts at home and abroad.Based on the special geological conditions of high-stress and fractured surrounding rock in Jinchuan No.2 mining area，field investigations and numerical simulations were carried out to study the deformation failure characteristics of the roadway in the study area and the effects of 8 different support methods.The results show that：（1）The deformation failure types of roadway in the study area can be divided into six types，including unsymmetrical pressure，roof falling，side cracking，floor heaving，side cracking and rib spalling which is the most common one；（2）The main features of the roadway deformation include large deformation，prominent time effect and the maximum principal stress plays a dominate role.（3）Adding U-shape steel，supplementing bottom support，increasing the length of the bolts，and reducing the distance between the bolts all can improve the support effect to different degrees.The effects of supplementing U-shape steel and bottom bolt-mesh-anchor support are the most significant，which can reduce the roadway deformation and plastic zone by about 70%.Increasing bolt length can control the deformation and overall stability of the roadway better，but the optimization effect is not significant.Reducing the spacing between bolts is beneficial to control the deformation and plastic zone on each part of the roadway.The dense arrangement of bolts can effectively improve the integrity of surrounding rock，and the supporting effect is better after reducing the row spacing of bolts.The aim of the research is providing a reference for other engineering solutions under similar geological conditions.

Key words: high geo-stress, broken rock mass, FLAC3D, field investigation, roadway deformation failure, support methods, Jinchuan mine

中图分类号: 

  • TD353

图1

金川矿区地质简图 AnZb-混合岩；∑-超基性岩；Q-第四系；Ⅰ～Ⅳ-矿区编号；1.推测断层；2.断层；3.岩性边界"

图2

研究区巷道变形模式"

图3

数值模型示意图"

图4

无支护条件下数值模拟结果"

表1

不同支护方案及模拟结果对比"

编号 锚杆长度/m 间排距/m 底部支护 刚性支护 两帮移近量/cm 顶板下沉量/cm 底板隆起量/cm 塑性区面积/m2
1 2.25 0.5×1.0 - U型钢拱架 72.76 15.74 111.94 600
2 2.25 0.5×1.0 - - 184.91 42.57 133.31 1 600
3 2.25 0.5×1.0 喷锚网 - 44.76 16.90 30.15 520
4 2.25 0.5×1.0 喷锚网 U型钢拱架 15.80 5.72 7.95 240
5 2.25 1.0×1.0 喷锚网 - 52.56 20.53 35.47 1 200
6 3.00 1.0×1.0 喷锚网 - 38.17 23.13 29.63 850
7 2.25 0.5×2.0 喷锚网 - 66.98 28.53 42.90 2 020
1 何满潮，谢和平，彭苏萍，等 .深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（16）：2803-2813.
He Manchao ， Xie Heping ， Peng Suping ，et al .Study on rock mechanics in deep mining engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（16）：2803-2813.
2 Gale W J ， Fabjanczyk M W ， Terrant G C .Optimization of reinforcement design of coal mine roadways[C] //Proceeding of 11th Conference on Ground Control in Mining，Wollonong，Australia.Publ Parkville：AuslMM，1992：212-219.
3 Hoek E ， Brown E T .Underground excavations in rock[R].London：Institution of Mining and Metallurgy，1980.
4 Hudson J A .Rock Engineering Systems：Theory and Practice[M].New York：Ellis Horwood，1992.
5 于学馥，郑颖人，刘怀恒 .地下工程围岩稳定分析[M].北京：煤炭工业出版社，1983.
Yu Xuefu ， Zheng Yingren ， Liu Huaiheng .Analysis of Surrounding Rock Stability in Underground Engineerings[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1983.
6 余伟健，吴根水，安百富，等 .裂隙岩体巷道大变形特征与稳定性控制[J].采矿与安全工程学报，2019，36（1）：103-111.
Yu Weijian ， Wu Genshui ， An Baifu ，et al .Large deformation characteristics and stability control of roadway with fractured rock mass[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2019，36（1）：103-111.
7 Shen B T .Coal mine roadway stability in soft rock：A case study[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2014，47（6）：2225-2238.
8 Reed G ， Mctyer K ， Frith R ，et al .An assessment of coal pillar system stability criteria based on a mechanistic evaluation of the interaction between coal pillars and the over burden[J].International Journal of Mining Science and Technology，2017，27（1）：9-15.
9 张辉，李国盛，蒋帅旗 .超千米深井巷道围岩变形破坏时空演化规律实验研究[J].实验力学，2018，33（6）：979-986.
Zhang Hui ， Li Guosheng ， Jiang Shuaiqi .Time-space evolution pattern simulation experiment of surrounding rock deformation and destruction for super kilometer deep shaft roadway[J].Journal of Experimental Mechanics，2018，33（6）：979-986.
10 孙晓明，苗沛阳，申付新，等 .不同应力状态下深井水平层状软岩巷道底鼓机理研究[J].采矿与安全工程学报，2018，35（6）：1099-1106.
Sun Xiaoming ， Miao Peiyang ， Shen Fuxin ，et al .Study on floor heave mechanism of horizontal layered soft rock roadway in deep well under different stress states[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2018，35（6）：1099-1106.
11 王春，王成，熊祖强，等 .动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征[J].黄金科学技术，2019，27（2）：232-240.
Wang Chun ， Wang Cheng ， Xiong Zuqiang ，et al .Deformation characteristics of the surrounding rock in deep mining roadway under dynamic disturbance[J].Gold Science and Technology，2019，27（2）：232-240.
12 康红普，范明建，高富强，等 .超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术[J].岩石力学与工程学报，2015，34（11）：2227-2241.
Kang Hongpu ， Fan Mingjian ， Gao Fuqiang ，et al .Deformation and support of rock roadway at depth more than 1000 meters[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34（11）：2227-2241.
13 赵飞 .强动压高水平应力巷道围岩控制技术[J].煤矿安全，2019，50（4）：81-84，89.
Zhao Fei .Control technology of roadway surrounding rock with strong dynamic pressure and high horizontal stress[J].Safety in Coal Mines，2019，50（4）：81-84，89.
14 李光，马凤山，郭捷，等 .U钢管混凝土支架支护技术在金川矿山的应用[J].黄金科学技术，2017，25（5）：57-66.
Li Guang ， Ma Fengshan ， Guo Jie ，et al .Application of steel tube confined concrete support in Jinchuan mine［J］.Gold Science and Technology，2017，25（5）：57-66.
15 李光，马凤山，刘港，等 .金川矿区深部巷道支护效果评价及参数优化研究[J].黄金科学技术，2018，26（5）：605-614.
Li Guang ， Ma Fengshan ， Liu Gang ，et al .Study on supporting parametric optimizing design and evaluate supporting effect of deep roadway in Jinchuan Mine[J].Gold Science and Technology，2018，26（5）：605-614.
16 马凤山，卢蓉，郭捷，等 .金川二矿区大体积充填体变形的三维数值模拟[J].工程地质学报，2019，27（1）：14-20.
Ma Fengshan ， Lu Rong ， Guo Jie ，et al .Deformation analysis of large backfill by three-dimensional numerical simulation in No.2 zone of Jinchuan Mine[J].Journal of En-gineering Geology，2019，27（1）：14-20.
17 吴满路，马宇，廖椿庭，等 .金川二矿深部1 000 m中段地应力测量及应力状态研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（增2）：3785-3790.
Wu Manlu ， Ma Yu ， Liao Chunting ，et al .Study on recent state of stress in depth 1 000 m of Jinchuan mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（Supp.2）：3785-3790.
18 杨志强，高谦，王玉山，等 .特大型镍矿工程地质与岩石力学[M].北京：科学出版社，2013.
Yang Zhiqiang ， Gao Qian ， Wang Yushan ，et al .Engineering Geology and Rock Mechanics of An Extra Large Nickel Ore[M].Beijing：Science Press，2013.
19 高启波，贾琪 .高应力破碎岩体中巷道支护技术的应用与研究［J］.有色金属（矿山部分），2016，68（3）：70-74，82.
Gao Qibo ， Jia Qi .Application and research of the supporting technology in high-stress fractured rock roadway［J］.Nonferrous Metals （Mining Section），2016，68（3）：71-74，82.
20 张鹏强，李凤，朱大铭 .金属矿山深部巷道稳定性测试与分析［J］.世界有色金属，2018，1（1）：157-159.
Zhang Pengqiang ， Li Feng ， Zhu Daming .Measurement and analysis of deep roadway stability in metal mine［J］.World Nonferrous Metals，2018，1（1）：157-159.
[1] 李波, 温晨, 史秀志. 高应力扇形中深孔采场边帮控制爆破参数优化[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(3): 511-522.
[2] 李光,马凤山,郭捷,邹龙,寇永渊. 金川二矿区地应力特征及其对巷道变形破坏的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(6): 817-825.
[3] 王成龙,侯成录,杨尚欢,赵兴东. 千米深井高应力破碎围岩控制技术[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(6): 885-893.
[4] 寇永渊, 李光, 邹龙, 马凤山, 郭捷. 金川二矿区+1 000 m中段水平矿柱回采方法研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(3): 353-362.
[5] 胡建华,徐朔寒,徐泽林,韩磊. 城市地下矿山采矿方法的数值与熵权耦合优选[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(4): 513-521.
[6] 李光,马凤山,刘港,郭捷,郭慧高,寇永渊. 金川矿区深部巷道支护效果评价及参数优化研究[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(5): 605-614.
[7] 赵国彦，侯俊，张小瑞，李地元，王涛. 磷石膏膏体充填体力学特性研究[J]. 黄金科学技术, 2016, 24(5): 7-12.
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