（岩土工程专业论文）金川软岩岩石工程力学性质及巷道锚固参数优化.pdf

硕十学何论文 摘要 摘要 随着矿山开采越来越向深部发展，软岩巷道围岩稳定性控制问题 日益突出。研究深部软岩巷道工程力学性质，解决好巷道的支护问题， 是矿井开采向纵深发展和安全生产的关键。金川镍矿是我国最大的硫 化铜镍矿，它经历了强烈的地质构造运动，地质构造复杂，水平应力 高，矿岩破碎，稳定性极差，岩石力学与工程稳定问题的难度为国内 外同行所公认。本文针对复杂工程环境的金川矿区软岩巷道展开一系 列研究工作。 首先进行工程调查，分析金川矿区复杂的地质环境。然后在工程 现场采取岩石样本，并制成试件测定矿岩的物理力学性质，经过分析 确定岩体力学参数并应用到金川软岩巷道锚杆支护实践中去。该矿区 除部分贫矿岩外，单块岩石强度均较高，但矿岩遇水将会软化，内部 产生膨胀应力，造成强度降低，在支护工程中要特别注意。 同时，现场监测软岩巷道的位移变形值，并将巷道的变形结果进 行记录。记录结果显示金川软岩巷道围岩变形量大，持续时间长，底 鼓量在观测时间内变化并不明显。但根据矿区实际情况，从长期看片 帮、底鼓是矿山巷道破坏的主要表现形式。 最后通过计算和经验公式，得出矿山巷道支护的参数，优化锚杆 锚固参数，提出改进巷道支护方式的四种方法，使用m i d a s g t s 软 件进行数值模拟。对比提出的几种支护方案，得出理论上较优的方案。 将数值计算的结果跟实际观测的巷道位移变形值进行对照，最终获得 符合矿山巷道实际的支护方式。 本文通过对金川软岩工程力学性质和锚杆支护技术研究，认为其 岩石力学与工程稳定的问题主要是岩石强度不高，岩体破碎，支护强 度不够和对底板重视不够。通过优化锚杆锚固参数，提高锚杆强度， 在确保巷道的稳定性方面取得了较好的效果。 、 关键词：软岩，深部巷道，锚杆支护，锚固参数优化，数值模拟 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h em i n i n gd r a m a t i c a l l yd e e pi n t ot h ee a r t h ，t h ep r o b l e mo f m a i n t a i n i n gt h es u r r o u n d i n gr o c k ss t a b i l i t yi ns w e l l i n gs o f tr o c kr o a d w a y i s i n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h e f o c u so fe x p e r t i s e t or e s e a r c ht h e e n g i n e e r i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rt h ed e e ps o f tr o c kr o a d w a ya n dt o s o l v et h e s u p p o r tp r o p e r l y a r et h e k e yp o i n t s f o rt h e m i n i n g s d e v e l o p m e n ti nd e p t ha n ds a f e t yi np r o d u c t i o n j i n c h u a nn i c k e lm i n ei s t h el a r g e s tc o p p e r - n i c k e ls u l f i d em i n e r a li nc h i n a i th a se x p e r i e n c e d s t r o n gt e c t o n i cm o v e m e n t f o rt h ec o m p l i c a t i o no ft h eg e o l o g i c a l s t r u c t u r e ，h i g hh o r i z o n t a ls t r e s s ，r d c kf a i l u r ea n dt h el a c ko fs t a b i l i t y , t h e d i f f i c u l t y o fr o c km e c h a n i c sa n d e n g i n e e r i n gs t a b i l i t y h a sb e e n r e c o g n i z e d f o rt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nc o u n t e r p a r t s t h i st h e s i s l a u n c h e das e r i e so fr e s e a r c hw o r ka i m i n ga ts o l v i n gt h ep r o b l e mo fs o f t r o c kr o a d w a yi nt h ec o m p l e x p r o j e c te n v i r o n m e n ti nj i n c h u a nm i n e f i r s to fa l l ，t h ei n v e s t i g a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u tt o a n a l y z et h e c o m p l e xg e o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nj i n c h u a nm i n e t h er o c ks a m p l e s w e r es e l e c t e di n - s i t ea n dt h e nm a d ei n t ot h er o c km o d e l st om e a s u r et h e i r p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a f t e r t h e a n a l y s i s ，t h e r o c k m e c h a n i c sp a r a m e t e r sc a nb ec o n f i r m e da n da p p l i e di n t ot h es u p p o r t p r a c t i c eo ft h ej i n c h u a ns o f tr o c kr o a d w a y i na d d i t i o nt ot h ep a r t i a ll e a n o r e ，t h ee n - b l o c kr o c ks t r e n g t hi sh i g h e r b u tt h er o c kw i l lb es o f t e n e d e n c o u n t e r i n gw i t hw a t e r , w h i c hr e s u l t si nt h ee x p a n s i o no fi n t e m a ls t r e s s a n dt h ei n t e n s i t yd e c l i n e i ns u p p o r t i n gp r o je c t s ，t h i ss h o u l db ep a i d s p e c i a la t t e n t i o nt o a tt h es a m et i m e ，t h e d i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no f s o f tr o c k r o a d w a yw a sm o n i t o r e dp r e c i s e l yi n - s i t e ，t h er e s u l t so fw h i c hw e r e r e c o r d e d r e c o r d ss h o w e dt h a tt h ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki n j i n c h u a ns o f tr o c kr o a d w a yw a sl a r g ea n dl o n gi nd u r a t i o n t h ec h a n g eo f m i n ef l o o rd i s t e n d i n gw a sn o to b v i o u si nt h eo b s e r v a t i o nt i m e b u t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n si nt h em i n i n ga r e a ，s i d ef a l la n dm i n e f l o o rd i s t e n d i n ga r et h em a i np e r f o r m a n c ef o r m so ft h em i n er o a d w a y d a m a g ef r o mal o n g t e r mp o i n to fv i e w f i n a l l y , t h ep a r a m e t e r so fr o a d w a ys u p p o r tc a nb eg a i n e dt h r o u g h 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a l c u l a t i o na n de m p i r i c a lf o r m u l a t h ea n c h o r a g ep a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e da n df o u ri m p r o v e ds u p p o r t i n gm e t h o d sc a m eu p u s i n gt h e s o f t w a r et os i m u l a t e ，t h e s es u p p o r t i n gm e t h o d sw e r ec o m p a r e da n dt h e o p t i m a ld e c i s i o n sw e r ef o u n dt h e o r e t i c a l l y t h e nc o m p a r i n gt h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h e a c t u a ld i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no f r o a d w a y , t h es u p p o r tm e t h o dw h i c ha c c o r d e dw i t hf a c t so f m i n er o a d w a y w a su l t i m a t e l yg o t a f t e rt h er e s e a r c ho ne n g i n e e r i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o f tr o c k a n da n c h o r i n gs u p p o r t i n gi nj i n c h u a n ，t h ep a p e rc o n c l u d e dt h a tt h e p r o b l e m so fr o c km e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gs t a b i l i t yw e r et h el o wr o c k i n t e n s i t y , f a i l u r e o fr o c k m a s s ，通s u f f i c i e n ts u p p o r ti n t e n s i t y a n d i n s u f f i c i e n tt r e a s u r et of l o o rp l a t e t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ea n c h o r a g e p a r a m e t e r s ，t h ei n t e n s i t yo fr o c kb o l te n h a n c e d a n dab e t t e rr e s u l th a s b e e na c h i e v e di ne n s u r i n gt h es t a b i l i t yo fr o a d w a y k e yw o r d s ：s o f tr o c k ，d e e pr o a d w a y , a n c h o r i n gs u p p o r t ，a n c h o r a g e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：毯雯 日期：尘孕年上月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：丑年旦月兰日 硕+ 学位论文第一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 金川镍矿是我国最大的镍钴与铂族矿基地，同时也被誉为我国工程地质学和 岩体力学的摇篮之一，是岩石力学与工程结合的典范【1 1 。金川镍矿发现于1 9 5 8 年，集中分布在龙首山下长6 5 公里、宽5 0 0 米的范围内，已探明的矿石储量为 5 2 亿吨，其中镍金属储量5 5 0 万吨，居世界同类矿床第二位；铜金属储量3 4 3 万吨，列中国第三位。金川矿石还伴生有钴、铂、钯、金、银、锇、铱、钌、铑、 硒、碲、硫、铬、铁、镓、铟、锗、铊、镉等元素，其中可供利用回收的有价元 素有1 4 种【2 】。矿床之大、矿体之集中、可供利用金属之多，在国内外都是罕见 的。 近年来的地质勘探成果表明金川镍矿的深部、边部及外围具有良好的找矿前 景。但大量研究和工程实践也表明，金川矿山的矿体厚度大，矿岩破碎、地应力 高、开采条件差【3 】。目前采用的机械化胶结充填采矿法对岩体的作用强度大、持 续时间长，工程用水不断转化成地下水更加剧了岩体弱化过程，而且随着采深的 进一步加大，这种影响随之加剧。总之，特殊地质环境和复杂矿床开采过程的共 同作用，使得金川矿山岩体力学问题远较一般地下工程复杂，深部开采的岩体力 学问题仍然比较突出，一些长期遗留的问题尚未彻底解决，新问题又不断涌现， 这在一定程度上阻碍了金川矿山的持续稳定发展。 1 1 1 金川岩体力学参数研究现状 岩体力学也被称为岩石力学，是研究岩石或岩体在外力作用下的应力状态， 应变状态和破坏条件等力学特性的学科。在研究岩石工程时，不仅要了解岩石的 力学性质还要面对地质因素( 岩性，岩体结构，地下水，原岩应力，节理裂隙， 构造破坏带等) ，工程因素( 工程结构，类型，尺寸，埋深等) 和生产因素( 开挖方 式，爆破方式，回采顺序，回采地压等) 。这些因素错综复杂，相互影响，它们 之间的关系很难用精确的数学关系来描述，以及地质数据的无规律变化，生产状 态的复杂多变，理论和方法的不够完善，都使得岩体力学的研究具有它自身的特 殊性和复杂性1 4 叫。 岩体力学研究方法最根本的问题就是准确地选取参数、合理抽象模型和正确 选用计算方法，其中，岩体力学参数是前提，也是岩体力学研究的关键点和难点 之所在。目前尽管有许多高效的计算方法，也有非连续介质力学、各向异性体力 学、断裂力学、损伤力学等力学分支的相关理论和方法可以借鉴，对岩体这种复 硕十学位论文 第一章绪论 杂介质系统可望从理论上导出更符合实际的模型，但都不可避免地存在某些参数 不易确定的问题，导致在同一模型下分析结果与实测结果有较大出入。因此，任 何岩体力学分析方法能否成功地解决实际岩石工程问题，在很大程度上取决于如 何真实地描述复杂岩体系统的特性，尤其是岩体力学参数及其变化历史【。 目前，岩体力学参数取值方法主要有室内试验结合经验法、现场试验法、地 球物理测试法、岩体质量评价法、强度理论法( 如c m 准则、h b 准则) 和反分 析法等。在金川矿区，岩体及工程岩体( 地下硐室围岩) 的力学研究相对较为薄弱， 力学参数主要是在试验的基础上用经验法取值。 1 1 2 金川岩体力学参数取值法 ( 1 ) 室内试验法 室内和原位试验法是确定矿山岩体力学参数的惯用方法。对于矿山岩体工 程，一般可通过室内岩块试验和岩体工程现场原位试验，获取比较符合实际的岩 体力学参数。通常，根据岩体工程现场原位试验获取的力学参数，比室内试验的 工程处理结果更符合实际。但是根据国内学者陶振宇等介绍，岩体的现场原位试 验结果，具有很大的离散性【8 】。而且考虑到矿山岩体工程，现场施工环境复杂， 原位试验选点困难，实验设备等条件难以实现。所以，一般采用室内试验法，即 室内试验采用相似材料，进行模型模拟试验。如李海波等进行了非贯通裂隙岩体 介质模型试验【9 j 来研究岩体力学参数，这对岩体力学参数的确定方法的研究进展 也起到了一定的促进作用。对金川矿岩也将采用室内试验法确定其力学参数。 ( 2 ) 经验估算法 一般说来，充分考虑矿山岩体的地质因素，经过大量实验数据的分析研究， 可以得出比较符合某种地质条件的岩体力学参数的经验公式。利用经验折减法 ( 符合某种地质条件的经验公式) 就可以得出合理的岩体力学参数1 1 叭。目前力学 参数估算的主要方法有岩体质量计算法( r m r 法、q 法、g s i 法和r m i 法等) 和声 波测试法等。近年，随着分形几何、遗传算法、模糊数学和神经网络等非线性学 科的发展，使其在岩体参数估算中得到越来越广泛的应用。位移反分析也是力学 参数确定中不应该忽视的方法。下面介绍两种常用的估算方法：r m r 法、q 法l l 。 目前，用来精确确定相关岩体的质量指标的方法有很多，主要岩体分类指标 有e m r 系统指标和q 系统指标。r m r 法是1 9 7 6 年南非b i e n i a w s l l 2 j 提出的国际上著 名的节理岩体地质力学分类法，对于采矿工程来说有点保守，为使其更适用于采 矿工程的岩体划分，1 9 8 3 年s e r a n m 和p e r e i r a 【1 3 】、1 9 5 9 年b i e n i a w s k i t l 4 】对其进行了 改进。该方法出发点是考虑岩石单向抗压强度、r q d 指标、不连续面间距，不连 续面条件和地下水条件五个指标，并根据节理的方向对其影响进行校正，得到岩 2 硕士学位论文 第一章绪论 体总评分值r m r ( r o c km a s sr a t i n g ) ，根据岩体的总评分值，将岩体分为很好的 岩体、好岩体、一般岩体、差岩体和很差岩体五类。在对各岩组工程地质条件分 析的基础上，结合室内试验和结构面网络模拟成果，利用r m r 法对各岩组r m r 值进行计算，并完成岩体质量评价和参数估算。 q 法是挪威岩土工程技术研究所的b a r t o n 等人( 1 9 7 4 ) 提出一种隧道质量指标 ( q ) 评价方法，该方法用以确定岩体质量和相应的隧道支护方案。这种方法综合 t r q d 、节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力的影响等 六个方面的因素，用一个算式就可以求解出岩体综合质量指标q 引。 利用r m r 系统指标和q 系统指标，确定岩体的力学参数的方法也很多，国 内外相关学者也进行了大量统计研究。s t n g h 等提出的岩体抗压强度仃。与q 系 统指标关系式，k a l a m a r a s 等提出岩体抗压强度仃。与r m r 系统指标关系式等 等【1 6 】【1 7 】。工程上利用h o o k b r o w n 破坏强度准则计算岩体强度比较普遍，大量 的工程实践表明，利用该准则所计算出的数值与现场的实验结果比较接近，故可 以采用h o o k b r o w n 破坏强度准则计算得到的岩体强度【1 8 】【1 9 】。在文献【2 0 】中韩风 山研究了大体积节理化岩体强度与力学参数的关系；在文献【2 l 】中徐健研究了 h o o k b r o w n 强度准则参数的改进算法；在文献 2 2 】中李同录等研究了岩体力学 参数的选取与应用。 上述利用r m r 系统指标和q 系统指标确定岩体的力学参数的方法，在实际的 工程上应用很广泛。因此，经验估算法已成为矿山岩体工程中，岩体力学参数的 选取与应用的主要研究方法。并经大量岩体工程实际的验证和改进，己经得到了 岩体工程界的广泛应用，是一种比较行之有效的确定岩体力学参数方法。一般地 说，当原位试验比较困难时，在矿山岩体工程中，就可以采用经验折减法进行岩 体力学参数的选取与应用1 2 3 】。 通过现场调研、试验测定、理论分析，探讨金川软岩岩体的力学特性和巷道 稳定性的影响因素。并在此基础上，对金川二矿区软岩岩体提出合理化力学参数 建议值，为巷道支护研究和安全生产等提供岩体力学基础资料。 1 2 金川巷道支护 巷道支护是矿井生产最重要的工作之一，是提高劳动生产率和矿井正常安全 生产的基本保障。大量岩石力学试验和工程实践表明，金) l l - - 矿区矿体处于高地 应力区，埋深大，且岩体破碎，开采条件极差。由此导致了十分突出的巷道稳定 性问题。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 金川矿区巷道支护技术现状 关于金川矿区深部巷道支护的研究已有几十年的历史，积累了丰富的经验和 研究成果。对矿区进行了工程地质岩组划分，做了大量岩石力学试验，岩石属于 高应力膨胀软岩，基本掌握了矿区地应力规律。先后提出了刚性支护方式、柔性 支护方式和刚柔结合的支护方式。支护形式主要有：双层喷锚网支护、锚注支护、 钢筋混凝土支护、u 钢+ 喷锚网支护、中长锚索支护。目前在矿区使用的最多、 最广泛的支护形式为喷锚网支护，而锚注支护、u 钢、中长锚索支护多为加固支 护【2 4 】，具体支护情况见表1 1 及图1 1 。 表1 - 1 金川二矿区二期主要工程的支护型式及破坏情况【2 4 】 4 硕士学位论文 第一章绪论 注：联合支护i = u 型铜架+ 预制砼砌块+ 喷砼；联合支护2 = 网构钢架十喷锚 联合支护3 = 素喷混凝土十现浇钢筋混凝土；联合支护4 = u 型钢架十砼双网十砼 图1 - 1 金川矿区现行支护f 2 5 】 1 2 2 金川巷道支护成功之处 金川矿区巷道支护技术经过多年的支护实践，主要拥有以下几点成功之处 1 2 6 - 2 9 1 ： ( 1 ) 根据以岩石力学、地应力变化规律、地质构造为基础的实践，同时依据 支护理论，针对地质条件和岩石的不同，灵活采用多种支护方式，一定范围内较 好地解决了巷道稳定性问题。 ( 2 ) 应用推广了锚注支护。锚注是软岩巷道支护的有效手段，包括受采动影 响巷道。锚注支护采用新型的外锚内注式锚杆，从工艺上把锚杆支护和围岩注浆 有机结合起来，通过注浆加固在巷道围岩内形成注浆加固圈，提高围岩自身的稳 定和自撑能力，达到了巷道稳定的目的。 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 喷锚网支护技术的引进。相对于传统支护方式被动承受围岩压力，喷锚 网支护积极、及时地对围岩进行加固，利用和加强围岩自身的支撑作用来维护围 岩的稳定，较好地解决了金川矿区巷道的稳定性问题。 ( 4 ) 金川矿区的复杂岩体环境下，碎裂蠕变特性的巷道稳定性问题一直是建 设中的难题。金川科技和生产人员在支护实践中没有拘泥于传统，而是由过去单 一的支护形式向多种支护方式的综合使用，取得了较好的成绩。如现浇钢筋混凝 土壁后注浆、钢拱架+ 锚注支护等。 1 2 3 金川巷道支护不足之处 金川现有的这些支护方式在一定的条件下，都取得了良好的支护效果，保证 了矿山的稳产高产。但随着金川矿区开采转向深部开拓，复杂的工程地质条件、 高应力、岩体破碎蠕变、遇水膨胀等不利因素的影响，深部巷道围岩表现出明显 的碎胀蠕变特性，以往的研究成果和实践经验已不能满足现有生产的需要，使得 目前二矿区深部巷道支护问题更加突出。 ( 1 ) 岩石力学与支护理论认识和实践上的不足 过去的研究基本围绕金川矿区围岩的地质构造、岩石力学性质，对围岩进 行了分类，也提出了结构面对巷道稳定性的影响是十分关键的，但在具体的支护 实践中，对结构面的认识还不足，没有依据岩体结构面的变化及时调整支护参数 甚至支护方式。同时，金川矿区的岩体在结构面发育情况、岩体质量和围岩位移 等方面都表现出的是各向异性，但在具体的支护设计与实践中没有考虑。 尽管金川矿区岩石力学、巷道支护研究历史较长，取得了很好的效果，但 在支护实践和设计当中，现有的较为传统的支护方式把复杂的碎胀蠕变岩体的地 压问题，单纯视为松散体地压问题，采用以支撑围岩、防止围岩滑落为主的支护 形式，不可能彻底解决金川矿区支护问题。 虽然新奥法喷锚网支护理论是以岩石力学为基础的工程地质和支护实践 中总结出来的新型支护技术，但单纯的喷锚网支护理论与实践并不能解决金川支 护问题，对于金川复杂地质条件下的工程稳定问题，尚不能更好地解决。 金川矿区总的支护思想是“先柔后刚、“先放后支 。但在具体实践中， 二次支护的支护时机如何把握，一次支护的强度究竟达到什么标准为宜，没有深 入研究，依现有支护实际看，“柔 有余而“刚”不足1 2 6 1 。 ( 2 ) 不够重视巷道底板 巷道支护以顶底板和两帮为主。在高应力、碎胀蠕变巷道中，底鼓是一个突 出的问题。但金川深部巷道由于多种原因，对底板重视不够。其底鼓的强烈变形 和破坏，不仅影响交通和生产运输，更重要的是它还影响两帮和顶板的稳定性， 6 硕士学位论文 第一章绪论 甚至会导致片帮和顶板垮落【3 0 0 1 1 。 ( 3 ) 监测手段少，补强措施滞后 由于岩体赋存条件和地质作用的复杂性，地下工程岩体的稳定性受到施工方 法、开挖顺序、支护方法、支护时间及围岩的物理力学性质等诸多因素的影响， 使得软弱岩体工程支护设计很难准确地适应围岩的力学性质，所以必须在施工过 程中对某些参数进行现场监控量测。例如，围岩表面收敛变形量测，围岩深部位 移量测，围岩松动圈发展变化过程的监测，围岩与支护的变形与应力量测等，能 明确许多模糊因素造成开挖后围岩和支护上出现的力学行为，进而验证支护设计 的正确性，监督施工进程，同时通过上述量测信息的反馈，可以对原设计支护形 式或者支护参数的修正提供科学依据。金川矿区巷道大部分处于大松动圈内。因 没有专门的监测人员、设备和仪器对工程进行监测，巷道变形信息不能及时反馈， 错过了及时采取补强措施的宝贵时机，使得松动圈扩大，增大巷道支护难度。 ( 4 ) 支护强度和刚度较低 对于目前采用的u 型钢架和砌碹等支护，由于属被动支护，初期强度较低， 支护刚度也很低，只有当围岩变形到一定程度，压向支架时才能起到支护作用。 而对于目前采用的喷锚支护，锚杆杆体材质为普通建筑螺纹钢，直径大多为 1 8 m m ，强度偏小。且采用水泥药卷锚固，锚杆预紧力较小，有时甚至不加预应 力，导致初期支护系统的支护刚度很低，不能有效的起到支护作用。对于现有的 喷锚支护，锚杆长度一般在2 m 左右，在大断面、破碎围岩条件下，这个锚杆长 度显然较小，不足以在破碎围岩中形成稳定的支护结构。 ( 5 ) 深部支护材料存在问题 巷道支护材料包括锚杆、托板、螺母、锚固剂、钢带、金属网、锚索、喷浆 材料等。各构件的力学性能必须相互匹配，任何构件的破坏都会影响整体的支护 效果。目前，金川矿区支护材料存在锚杆杆尾螺纹与母体不匹配，锚杆与托板不 匹配，锚杆与锚固剂不匹配等现象，严重影响了巷道支护效果。 ( 6 ) 巷道支护施工机具与工艺不匹配 施工机具与工艺是影响巷道工程质量与施工速度的关键因素。金川矿区在巷 道施工工艺和机具方面存在三个比较突出的问题： 施工机具不适应巷道围岩条件，导致钻孔直径偏大，锚固效果不好，不能 满足设计要求； 由于岩石比较坚硬，钻孔速度低，大锚索孔时表现尤为突出，导致巷道施 工速度慢； 施工工艺不配套，各工序安排有待进一步优化。 巷道稳定性是金川镍矿这一世界级矿山所面临的世界级难题之一，极大地困 7 硕十学位论文第一章绪论 挠和制约着金川镍矿的开发建设，该难题必须得到很好的解决。 1 3 论文研究的内容、创新点及技术路线 1 3 1 研究的意义和内容 在金川矿区，岩体及工程岩体( 地下硐室围岩) 的岩体力学研究相对较为薄 弱。在以往的诸多初步设计中，由于缺乏现场或实验室测定的原始资料( 如原岩 应力、岩石的各种强度、弹性模量、泊松比等) ，因而关于岩石力学问题，特别 是岩体力学问题，只是作定性判断，如只是对岩体的应力分布特征作出定性的描 述，对地表沉降和崩落，作一些简单估计，对岩体质量进行简单的分区。然而金 川镍矿开采范围大，服务年限长，应力高、变形大、地压控制较难。特别是近年 来，随着开采深度的逐渐增加，巷道支护的问题越来越突出。 目前，金川二矿区面临着1 0 0 0 m ( 埋深近8 0 0 m ) 水平工程的开拓，如何解决 深部高应力碎胀岩体的支护，确保井下作业安全，充分回收矿产资源是二矿区急 待解决的问题。本论文主要是针对以下几个方面的问题进行具体研究。 1 根据金川现场工程地质和水文地质调查研究，对金j i i - 矿区矿岩进行室 内岩石力学参数试验分析，为后续的支护和开采设计工作提供岩石( 岩体) 力学参 数依据。 2 岩体变形及巷道变形破坏特征。根据巷道收敛变形监测、多点位移计和 伸长仪监测、围岩应变监测等丰富的资料，研究高应力区围岩变形的时空特征， 以及巷道变形破坏的基本特征，讨论它们与锚杆支护关系。 3 锚杆支护技术与锚固参数优化研究。利用上述认识及研究成果，根据高 应力区围岩的形成条件及地质特征、变形破坏机制及动态规律，基于金川矿区目 前广泛使用的支护方法，提出锚固参数优化，改进金川二矿区巷道支护技术。 4 确定选用岩土隧道结构专用有限元分析软件m i d a s g t s 进行锚杆支护 锚固参数优化的数值模拟，分析巷道围岩的变形与支护效果，检验锚固参数优化 后的金川二矿区巷道支护方案。 5 提出论文存在的不足及关于金) 1 1 - 矿区巷道支护的几点建议。 1 3 2 研究的创新点 以往已有很多人研究和分析金) 1 1 - - 矿区软岩巷道的支护技术，本文在此基础 上针对金川软岩工程力学性质和锚杆支护技术锚固参数进行更详细的研究，揭示 软岩巷道变形特征和锚杆支护之间的相互关系，进而从本质上为软岩巷道支护结 构的设计和施工提供理论依据。 8 硕士学位论文第一章绪论 本文通过试验与研究，在以下两个方面有了一些创新： 1 在总结软岩力学性质和软岩巷道支护现状的基础上，优化锚杆锚固参数， 提高巷道支护能力，解决现有支护难题。 2 首次利用岩土隧道结构专用有限元分析软件m i d a s g t s 进行深部节理 发育的软岩巷道锚杆支护锚固参数优化的数值模拟。 1 3 3 研究的技术路线 根据深部高应力膨胀性软岩巷道围岩稳定性控制的需要，更好地解决其巷道 支护问题，拟采取的技术路线如图1 2 所示。 图1 - 2 技术路线图 9 硕十学位论文第二章金川软岩岩石工程力学性质 第二章金川软岩岩石工程力学性质 金) j l - 矿区的岩体是个复杂的地质体，它的复杂性主要表现在以下几个方 面： ( 1 ) 岩体赋存环境复杂性； ( 2 ) 岩体本身条件的复杂性。 2 1 金川二矿区地质调查 金川铜镍矿位于甘肃省河西走廊中部金昌市区，矿区座落在市区以南的龙首 山中东端北麓、阿拉善台地南缘，与市区连成一片。矿区中心地理坐标：东径 1 0 2 0 1 3 ，北纬3 8 0 3 0 。矿区铁路专线与兰一新铁路金昌站接轨，距省城兰州3 7 2 公里。河( 河西堡镇) 一雅( 雅布赖) 公路从矿区通过，向南4 8 公里于永昌县城与 3 1 2 国道相接。同周边市县形成公路网，四通八达，交通十分方便。 矿区处于阿拉善台块的南部边缘隆起区，北部为阿拉善台块内部区，南部为 北祁连山加里东地槽边缘过渡凹陷带，总体上属于阿拉善台块的边缘部分，具有 地台区的主要地质特征。但北祁连山褶皱区强大的构造对矿区产生了巨大的影 响，其突出的表现是深断裂的存在和火成岩的多次侵入活动等。控制矿区的f l 大断层和河西走廊f 2 大断层南北对应，造成龙首山上升，两侧下降。北侧为潮 水凹陷，南侧为河西走廊凹陷。这些复合的地质构造作用促使本区成为内生成矿 作用的有利地区，矿床赋存于f l 的次级低序断裂构造中【3 2 - 3 3 。 金川矿区的工程地质条件极为复杂，主要表现在：复杂的岩石组合，软弱 的结构面( 断层面、层间挤压面和节理等) 频繁切割，多形成碎裂一软弱岩体； 较高的构造残余应力，以水平应力大于垂直应力为显著特点；由于开采范围不 断扩大，受采动影响，工程岩体易失稳，对采矿工程造成破坏，需加固处理。 2 1 1 矿区地质构造 矿区经历了自吕梁运动以来多次构造运动作用，形成了以断裂为主的矿区地 质构造特征。伴随着构造运动，岩浆活动异常强烈，以不同规模侵入变质岩层， 形成了复杂的岩石组合，造成矿区断裂、节理纵横交错，层间挤压发育。矿区内 断裂构造按走向大致可分为四组：即北西向压扭性断裂、北东向张扭性断裂、北 东东向压扭性断裂和近南北向张性断裂1 3 4 1 ；矿区节理裂隙极为发育，其节理组主 优势面产状基本上类似于断裂构造，按其力学性质可分为四组，见表2 1 。 1 0 硕士学位论文第二章金川软岩岩石工程力学性质 硕十学位论文第二章金川软岩岩石 ：程力学性质 2 1 2 水文地质调查 金川矿区属典型大陆性气候，干旱少雨，年降水量为1 2 0 m m - 1 6 4 m m ，远小 于年蒸发量( 2 3 5 4 1 m m ) ，雨季多在7 ，8 ，9 三月。按水文地质条件将金川矿区划 分为西部基岩出露区和东部第四系覆盖区。 ( 1 ) 西部基岩出露区 由震旦纪深变质岩组成的剥蚀山区，岩层构造、节理裂隙比较发育，并有多 次岩浆岩侵入，加之强烈的新构造运动，使岩体支离破碎，地下水的补给来源为 大气降水，通过岩石裂隙渗入地下形成基岩裂隙水。地下水呈静储量特征，局部 富水地段可能发生突然涌水，其涌水地段主要在：张性断裂带；压性、压扭 性断层裂隙带；小岩体接触破碎带。 ( 2 ) 东部第四系覆盖区 由第四系冲积砾卵石、亚粘土等组成的河谷阶地，第四系深度由西向东逐渐 变厚，至金川河厚度达1 2 5 m ( 金川河距5 6 行勘探线1 0 0 0 米左右1 。矿区地表水 系不发育，由东往西依次为大沙沟、玉石沟、墩子沟、马房子沟、大广子沟、小 白泉沟及卧龙泉沟，受地形和气候的影响，它们均为季节性河流。矿区外围的金 川河( 距矿区东部5 6 行东约1 0 0 0 m ) ，虽曾是长年性河流，因上游兴建了金川峡 水库而成为间歇性河流，且流量较小。除金川峡水库外，外围尚有阜城水库，但 它距矿区较远，补给极为有限。因此，金川矿区基本不受地表水系的影响。 岩体中仅有第四系冲洪积层部分含孔隙水，但含水层不厚( 1 m - 3 5 m ) 、含水 量不大( 5 0l i n j ) 。基岩裂隙和断层带中局部含少量的裂隙水，不过其富水性较 弱。虽然矿区内岩体非常破碎，但因处于较高的地应力环境之中，在未采动的条 件下，结构面紧密闭合，加之切割矿区的周边断层均属压性或压扭性阻水断层， 远程地下的渗流和补给不畅。因此，可以认为矿区既缺乏地表水补给源，也缺乏 远程补给的通道，水文地质条件相对较为简单，天然岩体( 尤其是深部基岩) 基本 上无地下水赋存1 3 副。 鉴于上述两方面原因，通常认为矿山的水文地质条件简单。在以前的矿山研 究中，并未给予地下水以足够的重视。由于矿区岩体较为破碎，受开挖以及采矿 作业的影响，岩体迅速松驰、结构面滑移张开，为地下水的渗流提供了通道；工 程用水( 施工用水、充填析出水) 沿这些因松驰而张开的结构面逐级下渗，直至工 程范围内的所有围岩，从而使其受到地下水的影响。另外，矿区内存在一些水敏 感性岩石，如蛇纹石化大理岩、绿泥石片岩( 蒙脱石 2 0 ) 、断层岩以及结构面内 的充填物质，它们一旦遇水，或软化并降低其力学性能，或因应力状态改变而发 生强烈膨胀，从而成为影响硐室稳定的重要因素。现场调查表明，矿区巷道的片 冒、底鼓等严重破坏，均与地下水活动有关p 州。 1 2 硕士学位论文第二章金川软岩岩石t 程力学性质 2 1 3 矿体岩性 ( 1 ) 岩浆岩 矿区岩浆岩极为发育，从酸性至超基性均有，尤以酸性为主。从深成岩体至 派生脉岩均有产出，依生成顺序，其种类有： 吕梁期：超基性岩，本成矿岩体形成时代用k a r 法测定为( 1 5 0 9 - 1 5 0 6 ) m a ， 用s m - n d 法为( 1 5 0 8 + 3 1 ) m a 。斜长角闪岩( a m - p ) 、微晶闪长岩( 6 i ) 。 加里东期：红色碎裂花岗岩) ，伟晶花岗岩( p o ，灰白色花岗岩( r b ) ，斜 长细晶岩( 曲。 海西期：变辉绿岩( p “7 ) 、花岗闪长岩细脉( r 6 兀) 、闪斜煌斑岩( x ) 、闪长岩 ( 6 ) 、闪长斑岩( 6 兀) 、辉绿岩( p p ) 。 这些岩浆岩形态非常复杂，大的呈岩墙，小的呈岩瘤、岩鼓、岩脉，以不同 形式及不同方式侵入围岩，对围岩造成不同的破坏： 断层压碎岩中的岩浆岩侵入体：在矿区大的断层带，如f 1 6 、f 1 7 、f c 、f b 等都有不同形态、规模、性质的岩浆岩侵入，老的岩浆岩体被新的岩浆岩脉所穿 插，又被后期构造运动所破坏，成为散体结构构造岩中的残留岩块、角砾。这些 部位岩体稳定性很差。 注入式岩浆岩脉：在中薄层大理岩( i i l 3 岩组) 和( 含矿) 超基性岩局部地段， 有大量岩浆岩脉注入。这些岩浆岩脉有顺层的、切层的，将大理岩( i i l 3 ) 、超基性 岩和贫、富矿体切割成大小不等的块体，支离破碎，使岩矿体的稳定性大为降低。 大的岩浆岩侵入体：在一些大的岩浆岩侵入体内部，如含矿超基性岩、红 色碎裂花岗岩，破碎带少，仅节理比较发育。特别是花岗岩中岩体整体强度较高， 稳定性比较好。但岩体顶、底板边缘部位存在有边缘破碎带，此带稳定性比较差。 ( 2 ) 含矿超基性岩体 而与本矿床成矿密切相关的岩体：主要由橄榄石和辉石组成的超基性岩。仅 少部份岩石中含数量不多的斜长石。 含矿超基性岩体呈不规则岩墙侵入于由白云质大理岩、云母石英片岩、黑云 母片麻岩和条痕混合岩等组成的下元古界深变质岩中。岩体走向n 5 0 0 6 0 0 w ， 倾向南西，倾角较陡，一般为7 0 0 左右，局部稍缓5 0 0 左右，沿走向和倾斜方向 有明显的膨缩变化和波形起伏，岩体深部有分支或复合现象。 含矿超基性岩体作为母岩，长达6 5 k m ，依岩体产出状况及后期断层影响， 形成四个相对独立的岩段，自西向东依次被分为i i i 矿区、i 矿区、i i 矿区、 矿区，见图2 1 。其中，二矿区规模最大，共有大小矿体3 5 1 个，长约3 k m ，矿 体埋藏较深，距地表2 0 0 3 8 0 m ，矿体向深部延伸千米以下，矿体厚大，最大水 平厚度达2 0 0 m 以上；镍金属储量占金川矿床的7 5 2 ，矿体富含镍金属2 以 硕士学位论文 第一章金川软岩岩石工程力学性质 上的富矿石占二矿区镍金属储量的7 6 ，其中又以1 号、2 号矿体最大，占二矿 区总储量的9 93 。 圈2 1 金川硫化铜镍矿床地质略图 卜幂日 ，2 - 前末武 ；一二辉轼挂岩：4 讲长二埤* 械岩；5 橄榄二蟑岩，6 ：辉岩， 7 星 状杓的矿体：b - 日状# 构的富矿体，9 - 氧化r 作；l 扣i 代r 悻；1 1 _ * 状砘轴r 体： n 盘星点状结构的矿俸：1 3 - f t a 露相界线；l 健 期农螭号覆界残：1 5 一断 2 1 4 工程地质岩组划分 为指导工程设计旌工对矿区进行了工程地质岩组和岩体结构类型研究，强 调岩体整体强度，明确将矿区划分为六个岩带、十一个工程地质岩组，见表2 - 2 。 巷道工程围岩：在一期工程开拓建设中，巷道围岩主要为多种岩浆岩频繁穿插的 中薄层大理岩组( b ) 、片麻岩带6 1 ) 为主，如竖井、斜坡道、运输平巷、高位溜 矿井等工程p ”。生产采准工程中，巷道围岩以含矿超基性岩带( v i ) 、多种岩浆岩 频繁穿插的中薄层大理岩组( h 1 3 含矿超基性岩带) 为主。据基建资料统计，开拓 工程量的3 2 通过上述不良岩层，8 5 以上的片帮冒顶发生在断层破碎带、节理 密集带、构造片岩带和脉岩接触带及岩矿破碎的富水地段嗍。 表2 - 2 工程地质岩组表 硕士学位论文第二章金川软岩岩石工程力学性质 2 1 5 地应力 在进行各种地下工程前，特别是埋深较大的工程，必须进行现场实测地应力。 金川矿区储存有较大的构造残余应力，根据矿区构造体系分析及中科院地质研究 所、国家地震局地震地质大队对矿区及外围原岩应力测定，矿区构造应力场的主 压应力方向近于n 4 0 0 e ，以压应力为主。接近地表测得的最大主应力值为3 m p a 左右，说明矿区地表应力并