（矿业工程专业论文）金川二矿区深部巷道稳定性与支护技术研究.pdf

昆明理_ t 大学工程硼士学位论文 摘攫 摘要 伴随着金川二矿区开发建设，巷道稳定性及支护技术研究从未中断过，国内 外研究机构将金川矿区形象地比喻为岩石力学研究的博物馆。可见，金川矿区 岩体条件非常复杂，研究工作难度很大。随着开采深度增加，巷道变形破坏越来 越严重，已经严重影响矿山生产。搞清楚深部巷道变形破坏原因，并针对性提出 有效的支护措施的研究_ = 作，刻不容缓。本论文主要围绕解决这些问题进行初步 研究。 二矿区地应力分布规律为：最大主应力方向为近北东3 0 。4 0 。，应力轴近 似水平，以水平应力为主导，地表层地应力值较小，随着深度增加地应力值增大， 其增长率大约为4 5 m p a l o o m 。金川二矿区目前开采深度为6 0 07 0 0 m ，到8 5 0 水平时，开采深度将会达到9 0 0 m ，属于深部开采。最大水平主应力从3 0 5 m p a 达 到4 5 7 m p a ，垂直应力从1 5 4 m p a 达到2 3 2 m p a 。由于采动影响，深部巷道围岩 中地应力可能达到5 0 m p a ，属于高应力区。由于软弱的结构面( 断层面、层间挤 压面和节理) 频繁切割，多形成破碎一软弱岩体，以碎裂结构体为主，岩块强度 一般较高，但岩体整体强度低。这种岩体在高应力作用下，在巷道开挖中表现出 明显的时间效应一蠕变，习惯上将这种岩体称为碎胀一蠕变岩体。 本论文通过研究可知：造成矿区深部巷道变形破坏的主要原因是：矿区深部 巷道围岩节理、裂隙极为发育，大部分属于碎裂结构，由于受到很高的水平构造 应力和采动影响，围岩呈碎胀蠕变特性，变形表现为破裂岩块在应力作用下沿结 构面的滑移、错动和裂缝扩张等，相对于强度峰值前质点连续变形的弹塑性变形 而言，其变形量要大的多，但人们对矿区内主要巷道围岩中松动圈的形成、发展 过程及规模并没有完全掌握，相应的支护理论应用不成功，支护措施不合理、施 工质量不稳定。 本论文认为按大交形松动圈理论进行巷道支护方案设计是比较合理的。并从 设计、施工、监测方面提出了建议。 关键词：碎胀蠕变，高应力，变形破坏，支护，松动圈 融明理r 大学t 程颁t 学协沦文 摘要 a h s t r a c t a c c o m p a n yw i t hc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fj i n e h u a nn o 2m i n i n g d i s t r i c t ，t h er e s e a ，r c ho ft u n n e ls t a b i l i t ya n dt u n n e ls u p p o r t i n gh a v en e v e rb r e a ko f f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t i o nc o m p a r ej i n e h u a nm i n gd i s t r i c tt o m u s e u mo fr o c km e c h a n i e s 。t h e r ! e f o r e ，r o c kc o n d i t i o ni nj i n c h u a nm i n gd i s t r i c ti s v e r yc o m p l i c a t e d ，s o ，i ti s ，ab i gp r o b l e m a sm i n i n gg o e sd e e p e r ，t h et u n n e l d e f o r m a t i o na n df a ! l u r cb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s i ti su r g e n tt om a k ec l e a r m e c h a n i s mo fd e e pt u n n e ld e f o r m a t i o na n df a i l u r ea n dd or e s e a r c ho nd e e pt u n n e l s u p p o r t i n g t h ep a p e rd i s c u s s e ss o m er e s e a r c ho nt h e s ep r o b l e m g r o u n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n r e g u l a t i o n i nj i n c h u a nn o 2 m i n i n g d i s t r i c t ： d i r e c t i o no fm a x i m u mm a i ns t r e s si sn e a rn o r t he a s t3 0 0 - 4 0 0 s t r e s sa x i so fs t r e s si s n e a rh o r i z o n t a l ，w i t hh o r i z o n t a ls t r e s sp r e d o m i n a n c e g r o u n ds t r e s s ，w h i c hi ne a r t h s s u r f a c ei ss m a l l ，i n c r e a s ew i t hd e p t hi n c r e a s i n g ，a n di t si n c r e a s er a t ei sa b o u t 4 5 m p a 1 0 0 m n o w , m i n i n gd e p t ho f j i n c h u a nn o 2m i n i n gd i s t r i c ti s6 0 0 7 0 0 m ，i t w i l lr e a c h9 0 0 mi n8 5 0l e v e l ，w h i c hb e l o n g st o d e e pm i n i n g t h em a x i m u m h o r i z o n t a lm a i ns t r e s sw i l lc h a n g ef r o m3 0 5 m p at o4 5 7 m p aa n dv e r t i c a l s t r e s s c h a n g ef r o m 15 4 m p at o 2 3 2 m p a a d d i t i o nt od y n a m i ce n v i r o n m e n to fm i n i n g ， g r o u n ds t r e s si nd e e pt u n n e lr o c km a yr e a c h5 0 m p a ，w h i c hb e l o n gt oh i g hg r o u n d s t r e s s a r e a f r a c t u r e - f l i m s y r o c kf o r m e db e c a u s eo ff r e q u e n t i n c i s i n g w e e k d i s c o n t i n u i t y ( f a u l ts u r f a c e ，l a m i n a t i o np l a n ea n dn o d a ls e c t i o n ) ，al a r g ep a r to f w h i c hi sf r a c t u r i n gs t r u c t u r e ，s t r e n g t ho fw h i c hi sh i g h ，b u tt h ew h o l es t r e n g t ho f r o c ki sl o w u n d e rt h i sh i g hg r o u n dp r e s s u r e ，t h er o c ke x p r e s so b v i o u st i m e e f f e c t c r e e p i nc u s t o m s ，t h i sk i n do fr o c ki sc a l l e df r a c t u r i n g ，e x p a n s i v ea n dc r e e p r o c k a c c o r d i n gt or e s e a r c h ，t h er e a s o nf o rt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fd e e pt u n n e l c a l lb eg e t ：n o d a ls e c t i o na n df i s s u r ei nd e e pt u n n e lr o c ku pg r o w t h ，al a r g ep a r to f t h er o c kb e l o n gt of r a c t u r i n gs t r u c t u r e b e c a u s eo fh i g hl e v e lg r o u n ds t r e s sa n d d y n a m i ce n v i r o n m e n to fm i n i n g ，s u r r o u n d i n gr o c kt a k eo nf r a c t u r i n g ，e x p a n s i v ea n d c r e e pc h a r a c t e r d e f o r m a t i o ni n c l u d e st h es l i p ，d i s l o c a t i o na l o n gs t r u c t u r a ls u r f a c e l t 昆明，型工大学工程硕上学位论文 摘婴 o ff r a c t u r i n gr o c k ，e x t e n s i o no ff i s s u r ea n de t c c o m p a r e di tw i t hp l a s t o e l a s t i c d e f o r m a t io no fc o n t i n u o u sd e f o r m a t i o no fp a r t i c l eb e f o r ei n t e n s i t yp e a kv a l u e ，i t s d e f o r m a t i o ni sm u c hb i g g e r b u tp e o p l eh a v e n tc a t c ht h ef o r m ，d e v e l o pa n ds c a l eo f l o o s ec i r c l ei nm a i nt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k ，a n ds o m eo t h e rp r o b l e m s ，s u c ha s r e l e v a n ts u p p o r t i n gt h e o r i e sc a d tb ea p p l i e ds u c c e s s f u l l y ，a n dt h es u p p o r t i n g m e a s u r ew h i c hb e i n gt a k e nn o w ，a n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yi sa l s ou n s t a b l e t h i st h e s i st h i n k si ti sm o r er e a s o n a b l et op r o c e e d i n gt h ed e s i g no ft u n n e l s u p p o r t i n ga c c o r d i n g t ot h et h e o r i e so fb i gd e f o r m a t i o nl o o s ec i r c l e ，a n dp u t s f o r w a r ds o m ep r o p o s a l sa b o u td e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：f r a g m e n t a t i o n ，e x p a n s i o n ，c r e e p ，h i g hg r o u n ds t r e s s ， d e f o r m a t i o na n df a i l u r e ，s u p p o r t i n g ，l o o s ec i r c l e i i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我 个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。本声名的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：者多艺 e t 期：朋f 年4 - 月l 吕e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：i 丞杰盟：论文作者签名瘟21 ：生 日期：彬年中月廖日 第一章绪论 绪论 金川矿山巷道支护研究已有几十年的历史，积累了丰富的经验并取得大量研 究成果。这些成累针对所研究的对象，提出刚性支护、柔性支护和刚柔结合等支 护方式，在一定的条件下都取得了良好的支护效果，推动了金川支护技术研究的 进步，保证了金川1 矿l b 稳产、高产。但随着二矿区开采深度增加，多中段开采， 采动范围和采动影响不断加大，巷道变形破坏明显加剧，返修最增大，严熏影响 生产。为此，金川公司组织以昆明理工大学工程硕士研究生为主，其他工程技术 人员参与，联合北京科技大学，对金川二矿区深郝巷道稳定性与支护技术进行形f 究，为8 5 0 中段工程设计、施工提供理论和实践支持。 本项目通过对国内外研究状况进行整理分析，结合金川二矿区特点，制定了 详细研究计划。首先在二矿区进行了工程地质、水文地质状况调查，然后对巷道 变形破坏跟踪调查。在此基础上，对巷道变形规律和地压显现特征进行总结。通 过对国内相关单位进行考察，学习先进支护技术，特别是金川不常用的长锚索技 术，以及从未用过的精轧螺纹钢锚杼、自钻式锚杆、树脂锚固等技术学习。选择 变形破坏晟严重的1 1 7 8 分段工程进行试验研究。目前试验已取得了阶段性成果， 本论文主要以此次试验为主展开论述，为金川矿区支护技术提供指导性意见。 1 1 研究课题的提出 金川二矿区分三阶段进行开发建设，一期工程为1 2 5 0 水平以上矿体开发， 二期工程为1 0 0 0 米以上矿体开发，第三阶段为8 5 0 中段及其以下矿体开采。一 期工程开采已经结束，现在全面利用二期工程系统进行开采，8 5 0 开拓工程已开 始建设。目前，采矿分两个中段，即1 1 5 0 米中段、1 0 0 0 米中段。1 1 5 0 米中段分 为5 个分段，分段高度为2 0 米，1 1 9 8 分段为正在回采分段，“7 8 分段为各采分 段；1 0 0 0 米中段分为7 个分段，1 1 1 8 分段为正在回采分段，1 0 9 8 分段为备采分 段。1 9 9 6 年1 1 5 0 中段竣工投产，1 15 0 水平主运输道为无轨环行运输道，由于靠 近矿体的沿脉运输道变形破坏严重，1 9 9 9 年车辆无法通行，该系统无法正常运 行，只能改为利用调车硐室或倒车运输系统，运行效率大大降低，至今还没有恢 复。在已回采结束的几个分段工程如1 2 3 8 、1 2 1 8 、1 1 3 8 运行过程中，巷道变形 破坏也是非常严重，如图1 1 “1 ，一直是边生产，边返修，每年投入到返修中的 费用超过2 0 0 0 万元，而且对生产影响很大。二矿区历年来巷道返修统计见表1 1 。 l 雎明艘t 大学工程硬l 学位论文纠；论 图1 11 2 3 8 分段道巷道变形图 表1 1 二矿区近几年巷道返修情况 实际完成百分比 年份二矿区计划m公司返修计划m实际完成m 二矿公司 2 0 0 03 5 8 02 2 0 04 2 9 5 2 1 1 9 ，9 71 9 5 2 4 2 0 0 i4 5 0 02 0 7 74 7 7 2 ，4 1 0 6 0 52 2 9 7 7 2 0 0 25 6 0 92 0 5 56 8 4 7 6 1 2 2 0 82 3 5 8 9 2 0 0 36 7 6 55 4 9 39 3 9 1 5 1 3 8 8 21 7 0 9 7 2 0 0 4 7 1 1 84 5 9 56 2 8 6 7 8 8 3 21 3 6 8 2 从表1 1 可见，二矿区近几年来的返修量基本上呈线形增加，且实际返修量 远远大于二矿自已的预测和公司计划，造成大量的人力、物力投入和损失。 目前正在掘进的1 1 7 8 分段，当年掘进，当年就要返修，到工程投入使用时， 至少需返修三次，如果不采取有效措施，投产后还会不断返修。1 0 0 0 米水平环 行运输道中，7 i 5 、8 拌穿脉道，由于岩体破碎，地压大，旄工过程中，距掘进面约 1 0 米处就开始剧烈变形破坏，收敛量达到5 c m d 以上，掘进根本无法前进，造 成冒顶频繁，工程进度缓慢，最后利用长锚索支护，经过四年艰苦施工，2 0 0 4 年上半年才顺利完工，对二矿区1 0 0 0 米中段7 拌、8 存盘区出矿影响巨大。 将来8 5 0 中段开拓，随着开采深度增加，以上问题会表现的更为突出。如何 做到加强掘进初期支护强度，保证工程在服务期内不返修或少返修，是金川1 人最 大的心愿。虽然金川在支护研究方面曾投入大量人力、物力，也取得了不少成果， 但适宜的支护技术及对策还没有从根本上解决，形势依然严竣，这就要求我们， 必须以科学的态度对待和认识金川岩体及其工程特点，在前人研究成果的基础 上，继续探索出金川矿区不同地质条件下最适合的支护方式，为最终达到巷道不 2 昆明理工大学丁程强上学位论文 返修的目的而努力。 1 2 国内外研究现状 一上坐 深部巷道稳定性与支护技术研究，主要是对高应力条件下，破碎岩体和软岩 巷道周圈应力、应变规律进行研究，探索造成巷道变形的主要原因，找出最佳支 护方式和最佳支护时机等，控制巷道变形的问题，在地下工程中普遍存在，为了 解决各自的问题，国内外专家都进行了大量研究，取得了丰硕成果。虽然，地下 工程客观条件相差很大，但一些重要成果我们对我们还是有很大借鉴意义。 我们知道，地下岩层在巷道开挖前处于平衡状态，一旦开挖，围岩应力将失 去平衡、为了维持岩石的平衡状态，应力将重新分布在分布的过程中，如果岩 体的强度不够，围岩失去稳定，巷道将受到破坏，因此，对围岩必须采取控制措 施，即围岩控制妇1 。控制围岩的方法因岩石性质、断面大小、服务年限，特别是 地应力对巷道的影响不同而各异。我国常用的支护有木支护、各类金属支架支护、 料石或混凝士砌碹支护、锚杆及锚喷支护等，国外常用的主要支护形式为锚杆支 护、各类金属支架支护”3 ，这些支护我们统称为传统支护方式。 随着开采深度的增加，开采范围的扩大，不稳定及极不稳定与目俱增，这严 重影响矿井机械化水平的提高和矿井的正常生产，国内外不少专家学者长期致力 于软岩支护的研究，取得了丰硕成果。国外，美国和澳大利亚主要采用高强超长 锚杆、组合锚杆、锚索等支护体系来鳃决软岩支护问题，西欧自8 0 年代开始改 各类金属支架为锚杆、锚索支护体系。俄罗斯、波兰等东欧诸国迄今仍以各类 金属支架为主来解决软岩支护问题。尽管俄罗斯等国家对解决软岩支护问题进行 了广泛研究，对注浆加固围岩也进行了大量的实验室试验和井下工业性试验，但 至今未能推广应用n 1 。 我国煤矿在软岩支护领域进行了广泛而卓有成效的工作。在5 0 、6 0 年代， 对软岩巷造一般采用砌碹即可使巷道保持稳定，随着开采深度的增加，砌碹己不 能使巷道保持稳定时，则采用各类不同金属支架，当即使采用u 2 9 型钢全封闭 可缩支架也不能使巷道保持稳定时，人们只能采取多次修复的方式来维持生产。 从7 0 年代末开始寻求新的途径来解决软岩支护问题。如可伸缩、可摆动圆形金 属支架；料石条带碹；料石圆碹；可缩性料石圆碹；干茬料石圆碹；锚喷、金属 支架与砌碹组成联合支护。这些支护体系仅能解决般不稳定围岩支护问题。一 些矿l u 在基本建设中曾用上述绝大部分支护体系，均不能使巷道保持稳定。而后， 有些煤矿采用锚喷及二次支护基本上解决了受构造应力影响不大的不稳定围岩 3 昆明理丁人学工程顽j 学位论文绪论 的支护问题。再往深部开采，遇有很大构造应力时上述支护均不能使巷造保持稳 定，而且这些不稳定、极不稳定巷道越来越多。国家对这一问题极为熏视，将煤 矿软岩支护列入国家“七五”、“八五”重大科技攻关课题。在“七五”攻关课题中主 要提出两大类型支护体系，一是可伸缩锚杆；二是高强度预应力大口& 板，实践表 明，这两类支护方式均未达到预期目标而未能推广应用。国家“八五”重大科技攻 关课题“极不稳定巷道( v 类) 合理支护技术”研究，提出两种技术方案：是锚注 技术；一是可伸缩锚杆和金属支架联合支护，并辅以高水速凝材料注浆。这两项 技术虽然都能处理v 类巷道的支护问题，但实践证明，锚注技术在软岩支护领域 得到了广泛应用，成为当前处理软岩支护问题重要技术。资料表明，迄今锚注技 术已在全国十几个省的几十个矿井得到推广应用。比较典型的有山东龙口矿务局 梁家煤矿，在极不稳定煤巷中应用锚注技术，使回采工作面产量翻一番，当年变 亏损为盈利，并将这一技术推广到北皂煤矿，取得同样良好的效果。充矿集团鲍 店煤矿用锚注技术修复严重破坏的水仓后，又用这一技术处理了受跨采动压影响 的矿井主皮带运输巷。该巷全长5 0 0 0 余米，穿越几个采区。过去每当回采工作 面跨越大巷时，巷道将严重变形和破坏，需采用砌碹、u 2 9 型全封闭可缩性支架、 顶部开巷卸压等措施，收效甚微。采用锚注技术修复和加固后，几年过去了，多 次跨采，该巷一直保持基本稳定1 。 金川矿区在此方面也进行了大量研究，中国科学院地质研究所与北京有色冶 金设计研究总院、金川公司等单位合作，自1 9 6 9 年开始，历时1 0 多年，对金川 矿的工程地质条件进行了全面研究。在谷德振教授的指导下，应用岩体工程地质 力学方法与理论，评价了金川矿区的区域稳定性，对金川二矿区、龙首矿一期建 设的地下工程进行工程地质预报。长沙矿冶研究院、中国科学院地质研究所、金 川公司等单位在1 9 7 3 年至1 9 7 6 年，以及中国地质科学院地质力学研究所、国家 地震局地质大队等在1 9 7 5 年至1 9 8 0 年分别对金川矿区地表及井下不同深度的原 岩应力大小及方向进行了测量与有限元计算，提出了矿块合理的布嚣方向和尺 寸。1 9 7 9 年至1 9 8 6 年，j e 京科技大学和金川公司共同完成了“金川二矿区不良 岩层巷道地压活动规律及其控制方法的研究”，重点研究了金川矿不良岩层的蠕 变特性及巷道地压规律，提出了有效控制地压的方法。1 9 8 4 年至1 9 8 6 年，中南 工业大学完成了“金川镍矿二矿区采矿方法的岩石力学研究”。1 9 8 6 年，北京 科技大学于学馥教授和中国科学院武汉岩石土力学研究所、北京有色冶金设计研 究院、冶金部北京建筑研究总院与金川公司岩石力学工程队一起作了“金川i 二矿 区不良岩层巷道稳定性研究”。1 9 8 5 年至1 9 8 8 年，金川公司和瑞典律鲁大学波 4 昆明理工大学丁程4 甄- t ：学位论文 绪论 立特公司、北京有色冶金设计研究总院合作完成了“中国一瑞典关于金川1 二矿区 采矿技术合作一岩石力学研究报告”。1 9 8 4 年至1 9 8 9 年，长沙矿山研究院与 会川公司二矿区共同合作进行了“金川二矿区西一采下向胶结充填体作用机理研 究”。1 9 9 4 年至1 9 9 6 年，北京科技大学蔡美峰教授和方祖烈教授等与金j l l 公司 起进行了“金川i 二矿区大面积无矿柱连续开采围岩稳定性分析研究”。1 9 8 2 年 至1 9 8 4 年，北京大学王仁教授等进行了“金川巷道大变形的粘性流体有限元分 析研究”1 。 金川在岩体稳定性方面研究取得的成果主要有：中国科学院地球物理研究所 陈宗基教授的地下巷道长期稳定性的力学问题、北京科技大学教授于学馥金 川巷道支护中的理论与实践、中国科学院武汉岩土力学研究所金i l 镍矿= 矿 区不良岩层巷道稳定性研究、金川1 公司原副经理刘同有金川岩石力学与工程 地质研究、北京科技大学与金川i 公司金川二矿区不良岩层巷道地压活动规律 及控制方法的研究等，对金川岩体稳定与支护手段进行了深入研究，并提出了 很有效的建议。这些研究成果的应用对金i l 矿区稳产高产起到了很重要的作用。 1 3 本研究的技术路线及拟达到的目的 1 ，3 1 本项目研究技术路线 总结金川巷道支护技术已有成功的经验和失败的教训，并通过考察、学习、 引进巷道支护新技术，针对金i i 矿山复杂的工程围岩，优选支护方式，利用先进 的技术设备对支护巷道进行监测，及时反馈巷道稳定性信息，借助先进的软件对 支护参数和监测数据进行理论分析研究，提出预处理、一次支护、二次支护、补 强加固的支护设计，以及巷道定期维护的时问、方法，以期达到支护效果最优化。 并将巷道支护方式、方法进行推广应用。 1 3 2 研究内容及预期目标 对金川二矿区深部岩体开挖后的蠕变特征进行调查、研究，结合金川i 矿区 所做的其它工作，认真分析，认识清楚造成巷道严重变形的主要原因。 对现有支护手段进行分析研究，探索适合金川i 二矿区高应力碎胀、蠕变岩 体的适配支护手段。 结合现场蠕交岩体调查，对支护工艺进行优化设计，以确定合理的支护强 度和二次支护时间等。 通过试验对支护过程和效果进行监测，验证支护方案的可行性，初步提出 昆明艘t 人学丁程硕一【学何论文绪论 一套适合于金j i l 矿区特点的支护建议。 2 4 本耄小结 ( 1 ) 本章对研究课题的背景、研究现状进行了分析和总结。 ( 2 ) 提出了研究技术路线、研究内容及预期目标。 6 昆州理丁大学j 程坝。l 学位沦文 盒川矿区 ：程地磺条件 第二章金川i 矿区工程地质条件 影响盒川i 矿山工程岩体失稳的因素很多，但其控制性因素在于岩体的结构特 征，尤其是软弱结构面的特征、强度阻及结构面之间的相互组合与受力关系；它 们随接控制着工程岩体的变形、破坏的发生和发展。要进行巷道稳定性分析和探 索适配的支护手段，必须首先对矿区的工程地质条件和地应力环境充分掌握，才 能结合其特点，进行针对性研究。 2 1 工程地质概况 2 1 1 矿区概况 金川i 矿区位于甘肃省金昌市，是我国的大型镍基地，金川镍矿矿床规模巨大， 矿石储量丰富，除富含镍锕钴元素外，还含有多种贵金属及稀有元素，是我国三 大资源综合利用基地之一。矿区位于祁连山一吕梁山一贺兰山形成的山子形构造 的前弧西翼。大地构造学划分在阿拉善边缘隆起带，即龙首l u 隆起带。控制矿区 的f 1 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。矿床赋存于f 1 的次级低序断裂构造中。矿 区长约6 5 k m ，宽几十至5 0 0 米，深达数千米以上。含矿的母岩为超基性岩体， 由于北东东向斜切断层破坏或相隔，将含矿岩体分成四个独立的矿区，由西向东 依次为三矿区、一矿区、二矿区、四矿区( 图2 1 ) 。 f a n z b 一前震旦系变质岩- 含矿超基性岩体f l - 断层及其编号q 一第四纪砂砾岩 图2 1 金川i 各矿区位置图 7 璺业型三查兰：堡堡主竺垡婆兰 二矿区是金川1 四个矿区中最大的一个矿区。 余川矿区t 程地质条件 岩层走向北西，倾向南西，呈单 层状构造。吕梁运动开始就形成了一套北西15 0 。6 0 。的构造体系，以后虽然有 新构造运动系，但老构造系一直占主导地位。吕梁运动奠定了矿区的构造骨骼， 以后多次构造运动及频繁的岩浆侵入，使古老的变质岩支离破碎。第四纪以来的 构造运动也极为强烈，使工程地质条件变得更加复杂。与矿区有密切关系的f l 断层走向为5 0 。7 0 。，倾向西南，长1 7 0 公里，距超基性岩体为6 0 0 1 0 0 0 米。矿区另一主要断层f 1 6 位于f 1 与矿体之间，长3 8 公罩，由石墨片岩、云 母石英片岩等组成，在旋工中多次揭露，对井巷工程影响很大”。 2 1 2 矿区围岩类型及物理力学特性 金川矿区为前震旦纪古地层中深变质岩系，有混合岩、片麻岩、大理岩、片 岩、斜长角闪岩及花岗岩等。含矿超基性岩由橄榄岩、二辉橄榄岩、橄榄辉石岩、 辉石岩等岩石组成，其中，大部分橄榄石及辉石已蚀变，基本蚀变特征是蛇纹石 化，主要造岩矿物橄榄石向次生矿物蛇纹石的转化过程中阳1 。主要岩石力学性质 参数如表2 1 ： 表2 1 矿区主要岩石物理力学特性 内聚力摩擦角 抗拉抗压 泊松比 弹性节理 岩石名称 强度 强度模量密度 c中 oc ue ( m p a ) 度 ( m p a )( m p a ) 1 0 4 m p a 条米 混合岩0 1 o 24 9 - 5 76 6 15 84 0 。1 6 0 o 2 05 7 9 68 5 片麻岩 o 1 53 5 3 7 2 0 1 1 5 o 1 95 07 1 0 绿泥石石 o 1 5 一i 54 02 0 6 00 2 o 3 85 3 7 7 l o 。15 英片岩 0 1 5 - o 2 黑云母片岩 4 0o 62 0 4 0 0 3 01 4 0 1 5 8 中薄层 0 24 33 7 6 44 2 1 5 9 0 2 0 2 82 - 5 71 3 7 1 6 大理岩 厚层大理岩o 24 54 0 9 26 2 1 2 5 o 3 l7 73 斜艮角闪岩 o 66 3 8 9 4 o 2 08 2 8 15 肉红色中细 o 34 99 0 1 5 61 0 0 18 4 0 2 16 78 1 5 粒花岗岩 二辉橄榄岩 o 5 1 23 81 3 一1 9 36 3 1 2 7 o 2 o 2 5 5 7 - 8 55 6 辉绿石5 0 9 5 3 6 1 3 7 o 2 7 7 6 - 1 0 4 1 0 断层破碎带 0 0 8 6 5 6 扭性节理 张性节理，节理面粗糙，延伸差裂缝中有 4n 3 0 。e1 0 。一8 0 。后期蛇纹石脉、碳酸岩脉等充填物，遇水后 易泥化 表2 3 矿区主要结构面 结构面成因 地质类型 与岩组关系发育特征和形状分布 类型 以压、扭性最发育：压隆呈叠瓦式，扭性 断层 呈地段性发育，它翻以弱结构面的形式居 发育于各岩组中多。 构造结构面 以剪切节理最为发育，张性节理，局部发 广泛分布 节理 育，大部分有岩粉和薄膜 层间错动主要发育干中薄层的岩一般舰模较大，长成带。为岩粉碎屑所充 面组填，常有岩浆侵入呈破碎接触 片麻理片麻岩岩组断续发育，密集。断面不平整 变质结构面 局部分布 片理片岩岩组 连续发育，密集，断面平整 接触破碎 发育于备岩组中，尤以捏 岩浆结构面 合岩中薄层的岩组虽发 破碎带宽度不等，有的宽数米，为岩糨或 广泛分布 带碎屑所组成。 育。 虽发育于不少岩组，但以屡面不平整，有的结合得较好，间距不等， 沉积结构面 层面 局部分布 第四纪岩层保存较好。一般约0 5 米。 1 0 融驯理：r 人学l = 程项t 学位论文金川矿区工程地质条件 表2 4 矿区结构面分级表 级别 结构面规模机构面地质类型对稳定性所起的作用 代表结构听 一般延仲约数公里指人断层或区域性断 影响区域稳定性、山体稳定性 楚敛十公坐以上，破层 如工程直接通过，则可作为独 f 1 等 i 碎带宽约数米至簸 立的岩体结构类型，控制岩体 f 。米乃至几百米以 稳定 ：。 长数公里，宽1 0 米左主要包括明显不整合 右及其以下 面、原生软弱夹层、层控制山体稳定，制约岩体破坏 i i 间锗动带、断层及接触边界和方式，它们之间，或与 f 1 4 、f 5 、f 5 1 破碎带等i 级、级密集带之问，相互 等层间错动面 一般延伸数百米小断层、层间错动面、组台，而经常构成可能失稳的 l i i 内，宽度在1 米以内接触面以及其它小破 块体 的各种破碎带碎带等 长数米、数十米。无包括贯通性好的节理、不仅破坏了岩体的完控性，影 劈理及延展性 i v 明显宽度或小于5 厘片理、层理、劈理等响岩体强度，而且影响着岩体 好的节理 米的变形破坏方式 连续性差的刚性接 微小节理、隐微裂隙， 微小节理、隐微 v触的纲小的或隐蔽亦包括结合好的层理分布随机，降低岩块强度 裂隙 微裂面 表2 5 常见结构面工程地质特征表 t 程地质特征 结构面 自然特征物理力学性质工程地质类型 纵向上呈舒缓波状构造岩，分 压 带明最，压碎岩、角砾岩、糜 较宽的可作为独立的岩体结构 性 棱岩及断层泥等构造岩受强 类型，如从结构面角度来看是软 断 烈挤压，透水性能差，常具两 弱结构面 面 个以上的主滑面 c = 0 8 m p a ， 纵向上宜绒延伸而平直，破碎 由= 3 6 。一4 3 0 构 扭 带中充填有压碎岩、断层泥 软弱结构面 造 性 等。在发育j ：。不但有地段性。 结 而且有等距性。 构 面 略里缓波状充填有岩粉或碎v = 4 3 0 - 8 0 0 ( m s 】， 层问错动带屑，发育密度不等，常有岩脉bi = 0 5 3 1 0 5f m s ) ， 软弱结构面 ( 面)充填，呈破碎接触，破碎带亦c = 1 5m p a 左右， 为岩粉或碎屑。 口= 4 24 左右 剪切节理最发育，面平直，节 节 理面上有的无充填，有的有矿c = 3 , o m p a 左右， 无充填的为硬性结构面有充填 理 物薄膜或厚度很薄，且不连续口= 5 04 左右 的但不连续为过渡性结构面。 的岩粉。 岩 浆 接触破碎带 接触带分布受岩浆岩的走向 vh = 1 6 0 0 2 4 0 0 ( m ，s ) ， 结 ( 面) 而定，宽度不等，破碎带为岩 e = 0 4 0 0 1 0 5 ( m s ) 大部分属于软弱结构面。 构粉或蚀变带。 c = 1 o 一1 5 m p a ， 口3 4 5 。 面 昆明理工太学丁程倾1 ：学位论史 余川矿区丁程地质条件 2 1 3 2 结构体特征 结构体是指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。有的文献上把结构体称为 岩块，但岩块和结构体应是两个不同的概念。因为不同级别的结构面所切割围限 的岩石块体( 结构体) 的规模是不同的。如i 级结构面所切割的i 级结构体，其规 模可达数平方公里，甚至更大，称为她块或断块：i i 、i i i 级结构面切割的1 i 、i l i 级结构体规模又相应减小；只有级结构面切割的级结构体，才被称为岩块 它是组成岩体最基本的单元体。所以，结构体和结构面一样也是有级序的，一般 将结构体划分为4 级。其中以级结构体规模最小，其内部还包含有微裂隙、隐 节理等v 级结构面。较大级别的结构体是由许许多多较小级别的结构体所组成， 并存在于更大级别的结构体之中。结构体的特征常用其规模、形态及产状等进行 描述。 结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大。常用单 位体积内的v 级结构体数( 块度模数) 来表示，也可用结构体的体积表示。结构体 的规模不同，在工程岩体稳定性中所起的作用也不同。金川i 矿区结构体的形态极 为复杂，常见的形状有：柱状、板状、楔形及菱形等。在强烈破碎的部位，还有 片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等形状( 图2 2 ) 。结构体的形状不同，其稳定性 也不同。一般来说，板状结构体比柱状、菱形状的更容易滑动，而楔形结构体比 锥形结构体稳定性差。但是，结构体的稳定性往往还需结合其产状及其与工程作 用力方向和临空面问的关系作具体分析。 句眵旬 ：_ 固铲移：国， ， - 。 j j a 、b 柱状结构体，d 、e 菱形或板状结构体，c 、f 、g 、h 、j 楔、锥形结构体 i 板状结构体 图2 2 结构体形状典型类型示意图 结构体的产状一般用结构体的长轴方向表示。它对- i - 程岩体稳定性的影响需 结合临空面及工程作用力方向来分析。比如，一般来说，平卧的板状结构体与竖 直的板状结构体的稳定性不同，前者容易产生滑动，后者容易产生折断或倾倒破 坏；又如，在地下洞室中，楔形结构体尖端指向临空方向时，稳定性好于其他指 1 2 昆叫理工人学工程颂上学位论文 金川矿区程地质条件 ”“+。“。”1。、。一。一p_一，_一 向；其他形状的结构体也可作类似的分析“”。根据统计，金川矿区菱块状结构岩 体约占2 5 ( 岩体出露面积与总面积之比) ；层状结构体约占l5 ；碎裂结构体 约占5 0 ；散体结构体约占1 0 “。 2 1 3 3 岩体的结构类型划分及其工程地质特征 由于组成岩体的岩性，遭受的构造变动及次生变化的不均性，导致了岩体 结构的复杂性。为了概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组 合关系，将岩体结构划分为5 大类，基本特征列于表2 6 。由表可知：不同结构 类型的岩体，其岩石类型、结构体和结构面的特征不同，岩体的工程地质性质与 变形破坏机理也都不同。但其根本的区别还在于结构面的性质及发育程度，如层 状结构岩体中发育的结构面主要是层面、层间错动；整体状结构岩体中的结构面 呈断续分布，规模小且稀疏；碎裂结构岩体中的结构面常为贯通的且发育密集， 组数多；而散体状结构岩体中发育有大量的随机分布的裂隙。结构体呈碎块状或 碎屑状等。因此，我们在进行岩体力学研究之前，首先要弄清岩体中结构面的情 况与岩体结构类型及其力学特性和岩体力学模型，使岩体稳定性分析建立在可靠 的基础上“。 金川矿区由于岩性复杂多变，构造运动强烈，发育多级别、多方向的地质结 构面，矿区岩体以大小不等、形状各异的结构体组合而成，结构面问大都充填有 成分复杂、厚薄不等的软弱充填物。一般将岩钵结构类型可分为四个大类八大亚 类，如表2 7 ；依据矿区岩层、地质构造，岩体结构、水文地质条件等因索，进 行岩体工程地质分类，共分六个岩带，十一个工程地质岩组，其工程地质力学特 性见表2 8 ”“。 从中可以看出，金川i 矿区断裂构造非常发育，对岩体的整体性破坏严重，岩 体条件复杂。其中松软破碎的不良岩层包括散体结构的断层破碎带、混合岩质、 软弱片岩带、较厚的接触带、层状破裂结构的黑云母片麻岩、云母石英片岩、中 薄层大理岩、混合岩等。这类稳固性极差的岩层约占矿区岩体的三分之一。矿区 地质构造复杂一般都蕴藏着急剧活动的构造应力。 对巷道稳定影响最大的是多种岩浆岩频繁穿插的中薄层大理岩一1 3 岩组和 含矿超基性岩岩组一岩组，目前二矿区的大部分开拓、采准工程均布置在这两 类围岩中。这两类围岩特点是岩块强度高，而岩体由于其中发育有多级别、多方 向的软弱结构面，是各向异性的不连续体，整体强度极低。从金川矿区曾对超基 性岩体的二辉橄榄岩做过现场大型原位三轴压缩蠕变试验( 试体为6 5 x 6 5 昆明理工人学工摧硕 学位论文盘川矿区_ 栏地质条件 i 3 0 c m 3 ) 和底扳剐性垫板弹模试验( 表2 9 ) 可以得到验证。从袁2 9 中可以看 出，岩石小样与岩体原位的抗压强度、弹性模量值相差1 0 倍，而摩擦角也相差 5 。由于受试验条件的限制，在现场岩体中进行试验时，所选择试体开挖部位 的岩体中至少不存在h i 级以上软弱结构丽，丽仅有、v 级结构面存在。如果将 现场试体所代表的岩体扩大到一定范围，同一岩性构成的岩体，考虑其多级结构 面、结构类型的影响，那么室内小样试验得到的力学参数与岩体的力学参数差别 会更大，可相差2 0 倍左右。主要岩体的这些特点，加上高应力的作用，决定了 我们必须按大变形理论和松动圈理论分析巷道变形破坏规律，才能得出i f 确结 论。 表2 , 6 岩体结构类型划分表( g l 自岩土工程勘察趣范g b 5 0 0 2 l 一9 4 1 9 9 5 ) 岩体结 岩休地 主要结 构体形结构面发育情况岩土工程特征 可能发生的岩土工程问题 构类型 质类型 状 均质，巨厚状以坂生构造节理为主、 岩浆岩、变质多呈闭台性，裂隙结构 整体强度高，岩体 整体状 岩，巨厚层沉 巨块状 菌间距大于1 5 。一般 稳定可视为均质 结构积岩、正变质不超过1 2 组，无危险 弹性各向同性体 岩结构面组成的薄石掉 不稳定结构体的局部滑动和 块 坍塌，深埋硐室的岩爆 厚层状沉积 只有少量贯穿性较好 整体强度高，结构 块状 岩、正变质 块状、 的节理裂隙，裂隙结构 岩、块状岩浆面间距0 7 1 5 m ，一 面互相牵制，岩体 结构柱状基本稳定，接近弹 岩、变质岩 般为2 3 组，有少置分 离体 性各向同性体 多韵律的薄 接近均有的备向异 层状 层及中厚层 层状、性体，起变形及强不稳定结构体可能发生滑 状沉积岩、副 板状 有层理、片理、节理， 度特征受层面几岩塌，特别是岩层的弯张破坏 结构常有层间错动面 变质岩透镜状层组合控制，可视及软弱岩层的塑性变形 为弹塑性体 构造影响