矿山深部开采巷道支护工程中钢拱架的稳定性研究

矿山深部开采巷道支护工程中钢拱架的稳定性研究金川镍矿以矿体厚大、埋藏深、地应力高和矿岩破碎著称于采矿界。随着我国对镍资源需求增长，金川镍矿开发规模逐年递增。目前生产能力已经接近900万吨，以每年10%的速度增长。矿床开采深度近千米，采场地压显现剧烈，围岩移动，地表变形开裂给矿山工程稳定性和岩移控制带来极大困难；为此，金川镍矿多次开展采场地压规律、巷道支护技术、充填工艺重大技术攻关。随着开采深度增加和采场面积扩大，深部巷道支护工程稳定性控制更加困难。尤其矿山生产规模逐年提高，加之深部巷道支护工程变形破坏严重，故有必要开展研究，查明巷道支护工程中钢拱架的失稳破坏，从理论层面给出破坏分析。能源与矿产资源的安全、稳定开采是有关我国国民经济持续发展和国家经济安全的大事。随着煤矿、金属矿山开采深度的不断增加，影响安全、稳定开采的因素也呈现出了新特点，如破碎岩体增多，支护难度加大，地温升高等突出现象加剧，这些现象导致突发性灾害事故增加，作业环境恶化，生产成本急剧增加等一系列新问题，对深部资源的开采提出了严峻的挑战。针对深部开采出现的新问题，许多学者进行了巷道稳定性评估与支护对策、上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征、巷道底鼓与深部开采地表沉陷规律、深部开采冲击地压及安全开采深度等多方面卓有成效的工作。由于地形结构的复杂多变性，导致深部开采破碎岩体增多、支护难度加大，深部开采用的巷道支护工程常常失稳发生严重变形破坏，现结合金川二矿（镍矿）的巷道现状对巷道支护工程稳定性做出理论分析。金川二矿地质坏境金川镍矿是世界上著名的多金属共生大型硫化铜镍矿床，位于中国甘肃省河西走廊地区龙首山脚下，金川二矿区为我国特大型地下矿山矿体厚度大，水平投影面积大，走向长度长。该矿矿体与围岩体较为破碎、地应力大，为难采型地下矿床，采用的采矿方法为机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法。该矿经过数十年的连续大面积开采，形成了约1500万平方米的大体积充填体结构。近年来地表沉降加剧，上下盘围岩体中建(构)筑物产生变形，甚至破坏等，严重影响到了二矿区的安全生产和企业的可持续发展。金川镍矿床特点以及存在的主要问题表现在矿区地应力高。金川矿区是典型的高地应力矿区，不仅表现在埋藏深、自重应力高，水平应力是垂直应力的1.69-2.27倍。矿体厚大。矿区已发现351个矿体，产于二矿区4行至28行间的岩体深部，全长1600 m，平均厚度98 m，其中富矿段长1300 m，厚69 m。矿石含有多种有用成分，价值高。矿石特别是富矿，不但镍铜品位高，同时还伴生钴、铂族等17种元素，可回收利用的金属达14种之多。矿岩体破碎。矿床赋存于海西期含矿超基性岩体中，上盘围岩为二辉橄榄岩，下盘围岩主要为大理岩、二辉橄榄岩。矿区内断裂构造极其发育，使矿岩异常破碎，表现出岩石强度高而岩体稳定性差。金川二矿开采现状 金川二矿目前深部开采中丼巷工程变形破坏严重，通过和导师交流探讨，得知金川二矿目前存在的问题有以下几种：1、金川二矿区978m水平的巷道工程和1000m水平的巷道工程收敛变形速度快、变形量大，具体表现为：拱顶挤破，墙面开裂并出现片帮现象，锚杆弯曲松动，钢筋网断裂扭曲，直腿拱顶的外衬钢拱架出现屈曲失稳。巷道的使用仅能维持三个月，就会残破不堪，必须返修。返修时，重新挖掘扩面，重新进行喷锚网支护，重新布设钢拱架。一年返修四次，成本显著上升且严重影响采矿进度和矿石产量。图1为1000m水平运输道照片，正在返修。2、1000m水平的中央配电站。发现巷道底鼓严重(参看图2)，侧墙和拱顶也出现一定程度的破坏。3、1000m水平的破碎站。破碎站的几何特征为拱顶直墙、大空间，横向尺度和竖向尺度都较大。发现拱顶挤压开裂(参看图3)。4、1058m水平上盘围岩中的分段道(沿脉方向)和穿脉巷道收敛变形比较轻，状态稳定。此种较良好的状态已经维持了一年半至两年。图4为1058m水平沿脉巷道状况(分段道)。5、958m分段的巷道工程当下变形破坏也相当严重。该水平巷道建设完工之后，未经使用，就破坏报废，不得不进行二次返修维护。6、 在978m分段四分层某一位置(两个巷道的交叉处)，曾发生支护系统和围岩的突发式灾变失稳，即支护系统突然垮掉，围岩随之塌方。 图1 图2 图3 图4 由以上问题可知二矿当下的井下破坏严重，表现出两大特征：特征1：在空间上，1000m水平似乎具有临界标高的特征，成为“分水岭”，1000m水平之上，1058m水平的巷道工程状态较稳定，而1000m水平或1000m水平之下，如1000m水平的巷道工程、978m水平的巷道工程、958m水平的巷道工程，以及1000m水平的中央配电站和1000m水平的破碎站等，都出现了变形破坏，许多工程毁坏严重且频繁，有些工程多次报废返修。埋深加大，地应力可能会相应增加。特征2：在时间上，破坏集中在最近一到三年出现。近期1000m水平之下978m分段各盘区打开采矿切口并开始持续的采掘作业，使得978m水平之上产生了一个新的水平矿柱(1000m中段水平矿层)。新水平矿柱的出现和巷道工程严重破坏的显露，在时间上相吻合，所以采动影响也可能成为工程破坏的原因之一。金川二矿围岩稳定性围岩的稳定性会严重影响巷道支护工程的稳定性，因此有必要对金川二矿地区的围岩稳定性及地表岩移，开裂变形等进行深入了解。金川二矿区地表岩移从2001年至今有一定的发展和变化，位于矿体上盘的地表监测点的水平位移量普遍比下盘大，比靠近移动中心附近测点的水平位移约大四倍左右。而下盘距采空区超过280m测点的位移量有明显减小的趋势。这种变化和多种因素有关，特别是与地质结构、开采状态包括深度、断层活化、采矿量以及充填体的大小压缩变化情况等因素有关。特别在出矿量方面，二矿区每年的冬春季出矿量大都大于夏秋季的出矿量。由于冬春季出矿量大，充填作业供砂不足，造成地下采空区滞留时间过长，地下围岩变形传递地表滞后，使得每年的下半年时段的地表位移量相对较大。此外，上述岩移速率在整体上是连续渐渐变化的。金川矿山处在河西走廊不同大地构造单元的接合部，具有构造运动强烈，地质构造复杂，矿岩坚硬、破碎，工程稳定性极差的特征。岩块之间受构造应力场和覆岩自重体积力作用压紧，裂隙相对闭合，从而表现出较高的整体强度，也为赋存相对较高的应变能提供了有利条件。当矿体开采时，岩体势能的变化必然引起围岩应力场和位移场发生相应的改变，对于此类围岩体，矿体开采后必然引起相邻岩块体的松动，这种松动效应将持续向围岩深部发展，而这将会使深部开采巷道周围所受的围岩压力增大，致使工程条件更加复杂，即使巷道支护工程对于巷道周围的岩石层有所加固，但加固深度有限，加固区以外的岩层松动仍然会对巷道周围的应力场产生间接影响，这一点表现在一些巷道在使用一段时间后，就出现各种开裂，底鼓等现象。另外，现行采矿方式的不合理也是造成开采巷道支护工程屡屡被破坏的重要原因，矿体处于高地应力区，埋深大，且岩体破碎，开采条件差，因此该矿山采用成本昂贵的机械化胶结充填采矿法。然而，这种采矿方法依然引起了显著地地表变形和地裂缝现象。金川二矿区因其矿体厚大故为该主力生产矿区，因而地表变形和破裂问题尤为突出。由于金川矿区特殊区域构造背景，开采过程中采场围岩整体稳定性，尤其是针对水平矿体稳定性就格外引人关注，多家院校和研究机构都参与了水平矿体安全稳定性的研究工作。从实际开采情况来看，水平矿体开采过程中仅仅发生局部屈服破坏，且目前已经被安全、顺利地回采，在这个过程中，无论是采场围岩变形还是地表岩体移动都没有发生突变现象。可见，对构造应力在采矿诱发的围岩变形与破坏的影响认识上存在一定的不足。随着矿床开采深度的加深，开采面积扩大，深部采矿难度也随之增大。尤其深部多中段开采采场地压控制以及水平矿柱的稳定性等问题，将使二矿区开采面临更大挑战。水平矿柱消失后采场岩移规律以及对竖井工程的影响。传统观点认为，充填法采矿一般不存在岩层移动的问题。这对于矿体埋藏深、围岩稳固和矿体小的充填法可能是正确的，但对于像二矿区1 矿体这类特大型不稳固矿体，地表岩移开裂甚至发生沉陷崩落是不可避免的，只是或早或迟，或轻微或剧烈。事实上，二矿区从1986年投产，到1998年地表发现张裂缝，二矿区在开采十多年后，采场围岩移动已经发展到了地表。采场地表裂缝的变化反映了深层岩移变化逐年加剧，局部原岩应力遭到破坏，从1998年发现岩移张