高地应力破碎围岩巷道变形破坏特征及支护方式研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.120

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. 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

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

LI Guang^,¹^,²^,³, MA Fengshan^,¹^,², GUO Jie¹^,², ZHAO Haijun¹^,², KOU Yongyuan⁴, LAN Jian⁴, ZHAO Jintian⁴

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

通讯作者: 马凤山（1964-），男，河北吴桥人，研究员，博士生导师，从事地质工程与地质灾害方面的研究工作。fsma@mail.iggcas.ac.cn

收稿日期: 2019-07-01 修回日期: 2019-11-23 网络出版日期: 2020-05-07

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

Received: 2019-07-01 Revised: 2019-11-23 Online: 2020-05-07

作者简介 About authors

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 , E-mail：liguang@mail.iggcas.ac.cn

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 ; FLAC^3D ; 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.

Keywords： high geo-stress ; broken rock mass ; FLAC^3D ; field investigation ; roadway deformation failure ; support methods ; Jinchuan mine

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本文引用格式

李光, 马凤山, 郭捷, 赵海军, 寇永渊, 兰剑, 赵金田. 高地应力破碎围岩巷道变形破坏特征及支护方式研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(2): 238-245 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.120

LI Guang, MA Fengshan, GUO Jie, ZHAO Haijun, KOU Yongyuan, LAN Jian, ZHAO Jintian. Study on Deformation Failure Characteristics and Support Methods in Broken Rock Mass Roadway Under High Geo-stress[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(2): 238-245 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.02.120

长期处于高地应力作用下的岩体，其物理和力学性质都会发生变化^[1]。在这种岩体中进行巷道开挖，巷道围岩会出现严重的破坏和大变形现象，造成混凝土喷层开裂、锚杆拉断和钢支架弯折等支护结构的破坏，严重威胁着施工人员的安全，阻碍矿山发展。在高应力作用下，巷道岩体裂隙不断扩张，给支护设计带来了极大的困难，巷道陷入不断返修的恶性循环中。为了给巷道支护设计提供技术支撑，首先对巷道围岩的赋存条件和地应力场进行分析，掌握巷道围岩的变形特征，进而提出有效的支护对策。

以往的研究结果认为，巷道的大变形和失稳是由2类因素造成的^[2,3]。第一类是原始地质因素，如岩体力学参数、构造应力场和地下水条件等^[4]；第二类是人为因素，包括支护方式、采动应力和地下工程布置等^[5]。近年来，研究者们通过理论分析、物理模型试验、现场监测和数值模拟等方法，对巷道变形破坏机理、稳定性和支护技术进行了大量的研究。余伟健等^[6]采用现场调研、室内试验、理论分析和现场监测相结合的方法，对裂隙围岩巷道大变形特征及稳定性进行了研究，提出了锚杆—锚索—两步注浆壳体联合支护技术；Shen^[7]通过现场调研和数值模拟等方法，对巷道变形和稳定性进行了研究，认为巷道破坏形式包括梁破坏、节理岩体崩落、顶板下沉、剪切破坏、表面开裂和片帮，并提出了一种新的支护形式；Reed等^[8]提出在深部高地应力条件下形成的岩体中进行巷道开挖时，会加速围岩的变形破坏，竖向和水平地应力均随埋深的增大而增大，且同一岩性的围岩在浅层和深部往往表现出不同的破坏模式；张辉等^[9]通过相似模拟试验，分析了超千米深井巷道应力、应变的演化规律，讨论了岩层倾角对巷道稳定性的影响，并将研究结论应用到华丰煤矿巷道支护设计中，取得了较好的效果；孙晓明等^[10]基于欧拉公式和压杆理论，研究了不同应力状态下层状软岩巷道的底鼓变形机理，并利用FLAC^3D软件分析了巷道变形破坏的动态演化规律；王春等^[11]以冬瓜山铜矿为依托，利用FLAC^3D数值模拟软件，对动力扰动作用下巷道围岩的变形特征进行了研究；康红普等^[12]利用UDEC数值模拟软件，对不同支护方式下千米深井巷道的变形破坏情况进行了研究，提出了全断面锚杆—锚索—注浆联合支护方式；赵飞^[13]基于岩体原位测试和FLAC^3D数值模拟，对强动压高水平应力巷道围岩的破坏机理进行了研究，提出“固帮控顶”的支护思想，并探讨了高预应力锚—梁—网联合支护技术的效果；针对金川矿区巷道变形和支护的研究已在文献[14]和[15]中进行了介绍，在此不再赘述。虽然国内外学者们对巷道变形破坏和支护问题进行了诸多研究，也取得了很多成果，但这些研究多以煤矿为对象，对地应力更高、岩体结构更破碎的金属矿山研究较少。

本文以金川镍矿二矿区为例，通过详细的现场调查，分析了高应力下破碎围岩巷道的变形破坏模式和特征，并利用FLAC^3D有限差分软件，对提出的8种支护方案进行数值模拟计算，对比了不同支护方式下巷道围岩的变形情况，分析各支护结构在支护体中的作用，旨在为金川矿区以及处在相似地质条件的地下工程支护问题提供参考。

1 巷道变形特征现场调查研究

1.1 研究区概况

金川矿区坐落于甘肃省金昌市，是我国最大的镍生产基地，因其特殊的区域构造背景、复杂的工程地质条件和破碎的岩石力学特征，备受国内外学者的关注^[16,17]。矿区经历了印支、吕梁和燕山等多期构造运动，伴随着频繁的岩浆活动，致使矿区内岩体节理十分发育，岩体表现为“散而不软”，矿区地质概况如图1所示。其中，二矿区作为金川的主力矿区，开采深度已逾1 000 m，矿区内地应力均为压应力，且水平应力为最大主应力。在埋深400~850 m范围内，应力随深度的增加而增加，最大主应力一般为30 MPa，最大值可达52.2 MPa，属中—高地应力^[18,19]。随着开采水平的延深，岩体结构仍以层状和碎裂结构为主，局部为块状结构，岩体稳定性的突出特点为“岩块强度高，整体稳定性差”。岩体破坏主要受软弱结构面控制，表现出明显的流变特征，因此巷道围岩趋向稳定的时间较长。另外，深部围岩变形破坏主要特征为大变形，这种特征随着开采深度的增加而增加，因此在进行巷道开挖、稳定性分析及支护类型的选择时应充分考虑这些特点^[20]。

图1

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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

Fig.1 Geological map of Jinchuan Mine

1.2 研究区巷道变形模式

与其他研究方法相比，现场调查能够更真实、具体地反映巷道变形和破坏的情况。本文依托于金川二矿区，对不同埋深的巷道进行了大量的现场调查，并将巷道变形模型归纳为以下6种：

（1）偏压变形：在重力、构造应力和采动压力的共同作用下，巷道围岩发生明显的不对称变形。巷道两侧的变形不协调，导致整个巷道向一侧倾斜，在拱肩或其他薄弱位置发生大变形，如图2（a）所示。

图2

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图2 研究区巷道变形模式

Fig.2 Deformation failure modes in the study area

（2）顶板下沉：金川矿区巷道围岩自稳性较差，在顶压为主导应力或上部有采动应力的条件下易发生顶板下沉。但该区应力属水平应力主导，所以顶板下沉现场并不显著，如图2（b）所示。

（3）顶板开裂：在强烈的侧向压缩作用下，巷道的顶板发生剪切破坏，表现为顶板混凝土喷层沿巷道轴向开裂为2个部分，巷道断面呈现出尖顶状或桃状，拱肩偶尔也伴随着严重的开裂，如图2（c）所示。

（4）底鼓：底板隆起在矿区内较为常见，特别是在底板没有设置支护的情况下，底鼓量可超1 m。目前矿区内对底鼓变形的处理方法是直接机械铲平，所以调查过程中很难见到底板隆起的现象，但该方法属被动处理技术，不能从本质上抑制底鼓，如图2（d）所示。

（5）边墙开裂：巷道的变形破坏通常由拱肩和直墙脚处发起，随后在直墙处发生内挤，并产生大小不等的纵向张裂缝，在水平应力的持续作用下，可发展为片帮，如图2（e）所示。

（6）片帮：片帮是研究区巷道内最常见的变形破坏类型，几乎所有巷道的两侧均能发现程度不同的片帮现象。这种变形较易发生在巷道边墙的起拱线附近，严重时整个边墙均发生破坏，并在围岩和支护体之间形成一个空腔，如图2（f）所示。

1.3 研究区巷道变形特征

通过对巷道的现场调查，并结合以往对该区的研究经验，总结出该区巷道变形具有以下3个特征：

（1）最大主应力主导：研究区内地应力水平较高，且水平应力几乎为垂直应力的3倍，当巷道受到水平挤压力作用时，岩体中的软弱结构面向自由面扩展，当挤压力超过支护阻力时，产生拉张裂缝。特别是在巷道走向与最大主应力方向垂直时，巷道变形更显著。这一特征与现场调查中常见的边墙开裂和片帮现象相吻合。

（2）大变形：在高地应力、破碎岩体和强烈工程扰动的共同作用下，巷道最终收敛变形非常大。若不及时采取补救措施控制变形，巷道将发生严重破坏，某些断面直径约为4 m的废弃巷道，因不再提供有效的支护措施，已经收敛殆尽。

（3）显著的时间效应：研究区巷道变形的时间效应包括2个方面，一是初始阶段变形速度快，二是变形持续时间长。巷道开挖后，周围岩体卸载剧烈、来压迅速，前几周的变形量有时超过总变形的50%；破碎岩体在高地应力作用下表现出软岩的流变特征，有些巷道数年也无法达到稳定。

2 不同支护方式的数值模拟研究

随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为研究巷道变形破坏进而开展支护优化的重要手段，UDEC、ANASYS和ABAQUS等商业软件被广泛应用。本文选择FLAC^3D有限差分软件，因其能较好地模拟支护结构，并在大变形分析方面具有优势。

为探讨各支护方式的效果和支护结构的作用，设计了包括无支护情况在内的8组支护方案，并分别进行了数值模拟计算，模型尺寸、边界条件及支护结构模型如图3所示，围岩和支护结构等参数见文献[15]。

图3

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图3 数值模型示意图

Fig.3 Schematic of numerical model

根据上述给出的方法和条件，首先对无支护条件下巷道围岩变形情况进行模拟，旨在辨识出巷道围岩软弱处，即易于变形的位置，并在之后的模拟计算中，对这些位置重点关注。模拟得到巷道无支护条件下水平、竖直位移云图和塑性区分布如图4所示。

图4

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图4 无支护条件下数值模拟结果

Fig.4 Numerical simulation results of the no supporting condition

由图4可知，巷道围岩在无支护条件下，产生了很大的变形，整个巷道断面收敛为酒瓶子状，特别是在巷道的左右底角和拱肩处，挤压严重，两帮水平相对位移超过270 cm。而且，顶板下沉和底鼓变形明显，最大位移分别超过了135 cm和103 cm。巷道围岩松动圈分布在整个计算区域内，影响范围很大，巷道上方围岩主要发生剪破坏，下部围岩主要发生拉剪破坏，巷道周边围岩几乎均发生了拉剪破坏。

其他7种方案的模拟结果不再逐个罗列，为方便对比分析，将各支护方案下巷道围岩变形量和塑性区面积汇总于表1。

表1 不同支护方案及模拟结果对比

Table 1 Comparision of numerical simulation results of different support methods

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

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对比方案1和方案2、方案3和方案4这2组支护条件下的模拟结果可知，U型钢拱架在联合支护体中的作用十分显著，能够有效降低巷道围岩的变形量，特别是对两帮和顶板位移的控制，U型钢支架能减少约2/3的变形量。此外，对塑性区的控制效果也比较明显，说明钢支架有利于维持围岩的整体稳定性。

对比方案2和方案3支护条件下的模拟结果可知，在底部施加支护不仅能够有效控制底鼓变形，而且有利于维持巷道整体稳定性。仅增加底部锚网喷支护后，巷道两帮移近量由185 cm降低至45 cm，顶板下沉量由43 cm降低至17 cm，底板隆起量由133 cm降低至30 cm，塑性区面积也减少了近70%。

对比方案3和方案5支护条件下的模拟结果可知，将锚杆间距由1.0 m减小至0.5 m后，巷道各部位变形均有所降低，但变化幅度不大，约为20%，但塑性区面积由1 200 m²降至520 m²，减少了56%，说明密集的锚杆布置在减小巷道变形方面的效果并不明显，但对控制巷道围岩整体的稳定性至关重要。

对比方案3和方案6支护条件下的模拟结果可知，将锚杆长度由2.25 m延长至3.00 m后，巷道各部位变形量均有所降低，变化幅度在15%~30%之间，塑性区面积由1 200 m²降至850 m²，仅降低了约30%，说明长锚杆相比于短锚杆能更好地控制巷道围岩的变形和整体性，但是效果并不显著。

对比方案3和方案7支护条件下的模拟结果可知，将锚杆排距由2 m减小至1 m后，巷道各部位变形量均有所降低，变化幅度在30%~40%之间，且塑性区面积由2 020 m²减小至520 m²，减少了约74%，说明锚杆排距对控制巷道围岩变形和维持围岩整体性有重要作用。

3 结论

针对高地应力作用下破碎围岩巷道的变形和支护问题，以金川二矿区为背景，基于现场调查和FLAC^3D数值模拟计算，对巷道变形破坏模式、特征，不同支护方式的支护效果及各支护结构的作用进行了研究，得到以下结论：

（1）高地应力破碎围岩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，且片帮是最常见的一种破坏模式。

（2）高地应力破碎围岩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、增大锚杆长度和减小锚杆间排距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；将锚杆长度由2.25 m延长至3.00 m，能够更好地控制巷道的变形和整体稳定性，但优化效果并不显著；将锚杆间排距减小一半，巷道变形量分别降低约20%和40%，塑性区分别缩小56%和74%，说明密集的锚杆布置能够有效改善围岩的完整性，且降低锚杆排距对巷道的控制效果更好。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[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.