范顺刚 姜永恒 赵桥波 严硕 雷恒江 杨勇

摘要：针对镇沅金矿巷道围岩松软破碎的情况，采用理论计算、数值模拟和现场试验相结合的方式，对冬瓜林矿段1 473 m中段巷道围岩进行了地压估算、巷道结构面调查和点荷载强度试验，分析了巷道破坏的原因，总结了巷道破坏形式，建立了巷道破坏形式的力学模型，最终分析确定了巷道破坏时的围岩受力状态。采用锚注联合支护的方式对松软破碎岩体巷道进行掘进和支护，确定了巷道的支护参数，并对其进行了数值模拟，验证了支护方式和支护参数的合理性。在1 473 m中段巷道掘进中进行了现场试验，通过对巷道两帮变形量的监测可以得出，巷道最终的变形量不超过20 mm，巷道未发生较大的变形和破坏，该支护方式可以有效控制巷道的变形破坏。

关键词：破碎岩体;巷道掘进;地压控制;锚注联合支护;数值模拟

中图分类号：TD353文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）02-0041-07doi：10.11792/hj20210208

引 言

云南黄金有限责任公司镇沅分公司（下称“镇沅金矿”）位于云南省镇沅彝族哈尼族拉祜族自治县和平镇。

镇沅金矿属于国内特大型金矿区，目前主要开采范围为老王寨矿段的1 633 m、1 593 m中段和冬瓜林矿段的1 633 m、1 593 m中段，设计采矿生产能力66万t/a，年产金金属量1 800 kg。矿体厚度薄至中厚，一般为3～20 m，形态多变。

随着开采深度的增加，矿岩呈现松软破碎状态，矿岩稳固性处于中等稳固到极不稳固，地应力急剧增加，地压开始逐渐显现。巷道开挖后，巷道围岩受工程扰动、水等因素的影响，一些区域会出现软岩变形破坏现象。在巷道掘进过程中会出现较大的片帮冒顶等现象，为了确保工作的安全，需要及时对巷道进行支护。虽然对巷道顶板及两帮进行了支护，但当巷道处于地压较大的岩层中时还会出现支护被破坏的情况，且伴随着巷道底板上鼓，铁轨逐渐倾斜，导致矿车无法正常行驶。目前巷道主要采用钢拱架支护，巷道变形导致钢拱架变形严重，为了保证井下正常生产，确保人员及车辆的安全，需要及时拆换变形的钢拱架。巷道的变形、破坏不仅增大了巷道的支护与维护成本，而且严重影响了采区的生产效率与安全条件[1-3]。因此，亟需查清巷道地压发生、发展过程，分析地压显现规律和巷道破坏机理，形成协同围岩变形的支护技术[4]，并改进巷道断面形状与支护方式，从而确定出能够高度适应礦（岩）体条件的新型巷道掘支技术。

1 工程概况

镇沅金矿区北西自丫口街，南东至库独木大寨，长12 km，北东、南西分别以F3断裂和九甲断裂（F9）为界，长12 km，宽2.0～3.3 km，面积约35 km2。由浪泥塘、冬瓜林、老王寨、搭桥箐、库独木等5个矿段组成，目前投入工业开发的冬瓜林矿段和老王寨矿段是矿区内规摸最大的2个矿段。

镇沅金矿地处哀牢山脉西坡，地貌沟壑纵横，最高标高2 230.35 m（大磨山），属中山中切割的山岳地貌。山间滑坡、崩塌等地质地貌现象普遍，形成山坡重力脊椎地形，矿区地形复杂。镇沅金矿井下矿体顶板岩性为凝灰质粉砂岩及岩屑石英杂砂岩。凝灰质杂砂岩岩石力学强度低，为泥质粉砂状结构，中厚层状构造，岩性单一，岩石中裂隙均为闭合状及延续性差的挤压面，一般不破坏岩体的连续性及完整性。岩屑石英杂砂岩，岩石胶结紧密坚硬。矿体底板岩性为薄层状泥晶灰岩夹含碳钙质板岩。岩层经受挤压揉皱，形成褶皱及碎裂呈薄板状和不规则块状，层理延续性差。整层岩体层间结合力中等，含溶蚀裂隙水，属半坚硬、较稳固岩层。

目前，冬瓜林矿段已经开拓到1 473 m中段，随着开采深度的增加，岩体的节理面逐渐发育，矿岩的稳定性越来越差，巷道变形破坏的情况逐渐加剧。1 473 m中段围岩为极薄的含碳钙质绢云板岩和杂砂岩，节理较为发育，岩层间内聚力小，呈松软破碎状态，在巷道掘进中成型较为困难，开挖后受空气、水等因素的影响发生膨胀，出现变形破坏。巷道破坏不仅增加了巷道的支护与维护成本，而且严重影响了采区的生产效率和作业安全。为了维持井下正常的生产运输及确保井下作业人员、设备的安全，亟需对其进行整改加固。

2 矿区地应力及巷道地压估算

2.1 原岩应力

地质资料显示，矿区未出现过原岩应力过高导致破坏硐室稳定及有关岩爆方面的工况。在镇沅金矿区及附近矿区没有明显的新构造活动迹象，由此可以初步判断矿区地应力状态主要为正常的地应力，即自重应力的影响，没有明显的地应力异常现象。

原岩应力为自重应力，最大主应力σ1为垂向自重应力σz，次生主应力σ2与最小主应力σ3相等，均为水平方向，其值取决于侧压系数ν/（1-ν）[5-6]。最大主应力和次生主应力计算公式为：

式中：ρ为岩石密度（kg/m3）;h为开采深度（m）;ν为岩石泊松比，约为0.25。

对冬瓜林矿段1 473 m中段巷道围岩的压力进行估算，其上部覆岩的高度约500 m，矿岩的平均密度为2.7 t/m3，则其垂直最大主应力（σ1）和次生主应力（σ2）分别为13.5 MPa和4.5 MPa。

2021年第2期/第42卷  采矿工程采矿工程  黄 金

2.2 巷道地压

1）破碎圈半径（Rp）的计算公式为：

式中：R0为巷道掘进断面的外接圆半径（m）;ρa为上覆岩体的加权平均密度（t/m3）;Z为巷道中心距地表的距离（m）;C为岩石的内聚力（MPa）;φ为岩石的内摩擦角（°）。

2）每米巷道顶压（Qd）的计算公式为：

式中：a为巷道掘进断面上宽的一半（m）;η为非圆巷破碎带宽度修正系数;hd为圆心至顶板的高度（m），对于巷道可近似为hd=h/2。

3）每米巷道的总侧压力（Qc）为：

式中：hj为巷道掘进断面高度（m）。

镇沅金矿巷道断面掘进尺寸为2.5 m×2.6 m，巷道的顶、底板包括两帮围岩的内摩擦角φ=25°，C=34.4 MPa，则1 473 m中段的水平巷道地压计算结果为：破碎圈半径9.28 m，巷道顶压7 MPa，巷道总侧压力3.14 MPa。

从地应力角度来看，该区域的巷道位于地表以下约500 m，以该开拓深度计算矿区地应力为垂直方向13.5 MPa，水平方向4.5 MPa;对于开掘的巷道，其围岩的垂直应力为7 MPa，水平应力为3.14 MPa。由此可以看出，巷道破坏不属于构造应力破坏，而属于自重应力及其节理剪切滑移造成的破坏。

3 巷道稳定性分析

3.1 岩体结构面调查

为了明确巷道变形破坏的特点和巷道破坏原因，对巷道岩体进行了稳定性分级。主要对冬瓜林矿段1 473 m中段主巷围岩进行了岩体结构面测量与点荷载强度试验，对主巷掘进的掌子面、巷道喷浆层破坏处及穿脉中相同岩层地段进行了结构面测量和岩石强度测试，结构面调查及取样地点见图1。

共测量结构面32组（443条结构面）。其中，1 473 m中段主巷围岩1#点9组（115条结构面），2#点2组（36条结构面），5#点8组（117条结构面），S4勘探线穿脉3#点3组（45条结构面），S12勘探线穿脉7#点3组（40条结构面），1 473 m中段主巷6#点7组（90条结构面）。统计1 473 m中段巷道围岩的结构面产状数据，建立岩体结构面信息的等密度分布图，分析岩体结构面产状信息，由此可以看出，巷道围岩优势结构面有3组（见表1），同时分布有大量的随机节理。

3.2 岩石力学参数

根据岩体稳定性分级的要求[7]，在1 473 m中段测试地点采集巖石试件，并在室内进行岩石的点荷载强度试验。通过试验得出岩石的基本质量指标和岩体的稳定性状态，见表2。

由于巷道围岩的节理裂隙都比较发育，考虑到巷道岩体在受到内部结构面的影响时，其力学参数与岩石的力学参数存在较大差异，因此需要根据Hoek在1992年对Hoek-Brown准则的修正结果，对巷道岩体的力学参数进行估算，估算后得到的岩体破坏准则表达式为：

式中：σci为试验确定的岩石抗压强度（MPa）;m为材料参数（mi）的折减值;s为岩体性质的无量纲系数。

通过对岩体力学参数的估算，近似得到1 473 m中段的矿体和围岩在原始应力条件下的力学状态，其岩体的基本力学参数见表3。

4 巷道破坏原因及破坏形式

4.1 巷道破坏原因

通过对矿区及巷道围岩地应力估算可以看出，巷道的变形破坏并不是由构造应力引起的，主要是自重应力及其节理剪切滑移造成的。通过分析初步确定巷道围岩的破坏原因主要有以下几点：①巷道层节理面发育，其岩石强度不低，但受节理面的影响导致巷道围岩的整体稳定性较差，呈现碎裂结构;②巷道围岩暴露在空气中，在空气和水的作用下岩石发生膨胀，最终导致巷道两帮被鼓出破坏;③巷道破坏区域普遍分布于巷道两帮中线以下区域，由于该段区域未采取相应的支护措施，且紧邻底板，底板含水量较大，底板中的水沿巷道裂隙渗透到巷道两帮;④巷道围岩受到层节理和地下水的作用，在上部围岩自重应力及其节理面的剪切滑移作用下，最终导致变形破坏。

4.2 巷道破坏形式数值模拟

根据镇沅金矿冬瓜林矿段1 473 m中段主巷围岩的产状，利用有限云软件建立数值模型，模型共45 464个单元块，237 577个节点。所建巷道模型水平标高距离地表约为300 m，上覆岩体的平均密度为2.7 t/m3。该模型的建立主要是根据巷道现在的实际情况，巷道断面形状为三心拱，巷道顶板倾角82°，巷道宽度2.5 m，巷道高度2.6 m，巷道顶板及两帮的岩石均为极薄的层状岩体。

通过计算分析可得，应力及位移云图见图2～5。由图2、图3可知：巷道开挖后围岩会出现应力集中，但整体所受的应力并不大，巷道两帮及底板所受的最大主应力为5～6 MPa，最小主应力为2～3 MPa，数值模拟的巷道受力结果与估算结果基本吻合。但是，通过位移云图（见图4、图5）可以看出：巷道两帮所产生的位移为20～40 mm，而巷道顶板和底板所产生的位移约为30 mm。由此可以看出，巷道发生破坏受巷道围岩自身的力学性质影响较大，巷道围岩呈现松软破碎状态，自身承载能力较弱，在工程扰动、空气、地下水等因素的影响下将发生较大变形，引起巷道的破坏。巷道开挖后的塑性区见图6。由图6可知，巷道的变形破坏主要发生在巷道的两帮、底板及右帮底角部位，通过数值模拟计算出的结果与巷道破坏情况基本相符。

5 巷道支护技术

5.1 支护方案

根据巷道围岩节理裂隙较发育，且层间内聚力较小的特点，通过综合对比分析确定采用锚注联合支护技术。

锚注联合支护技术是利用注浆锚杆向破碎岩体内注入浆液，浆液充填至岩体裂隙内，改变岩石的松散结构，提高节理之间的内聚力、内摩擦角，进而提高岩体

自身的承载能力[8]。浆液可以对岩体裂隙进行封堵，阻止了水和空气对岩体的侵蚀和风化作用，提高了岩体自身强度。岩体注浆后使得喷浆层壁后的充填更加密实，碎裂的岩体形成一个整体，保证了应力可以均匀的作用在支护结构上，避免了出现应力集中现象。巷道围岩裂隙被注浆液充填后，巷道表面再配合喷锚网联合支护，形成了多层有效的支护组合拱，增大了有效承载范围，进而提高了巷道支护结构的承载能力[9]。

（1）喷锚网联合支护参数。采用水泥卷锚杆进行支护，锚杆长度2.0 m，锚杆直径16 mm，锚杆排距0.8 m，锚杆间距0.9 m，托盘规格150 mm×150 mm×10 mm，喷浆层厚度70～100 mm，喷射混凝土强度等级C20。

（2）注浆锚杆。采用中空注浆锚杆进行二次支护，锚杆长度1.8 m，锚杆直径25 mm，厚度3 mm，锚杆间排距1.2 m×1.2 m。底板注浆锚杆下扎，与水平夹角为30°～45°。

2）注浆量。注浆压力随时间的增加而增大。通过监测注浆压力可以保证不超出最大允许压力的情况下确定每孔的注浆量，一般每孔注1～2袋水泥即可。当有浆液溢出时停止注浆，待浆液初凝后再次注浆。

3）注浆压力。注浆压力根据以往经验，顶板及底板最大注浆压力2.0 MPa，两帮最大注浆压力为1.5 MPa。

4）水灰质量比为（1∶1）～（0.8∶1）。

5.2 锚注联合支护数值模拟

根据设计的巷道断面形状及支护参数建立数值模型，建立的计算模型共39 704个单元块，196 189个节点。所建巷道模型对应的地表标高为1 900 m，巷道所在水平标高为1 473 m，上覆岩体的平均密度为2.7 t/m3。该模型的建立主要是根据巷道围岩的实际情况，确定设计巷道宽度为2.5 m，巷道高度为2.6 m，巷道顶板及两帮的岩体都为极薄的层状岩体。

5.2.1 喷锚网联合支护

巷道掘进后及时对巷道进行封闭，完成喷锚网联合支护，迅速提供连续的支撑力，改变围岩的受力状态，阻止变形的发展，避免了围岩的松散和脱落。应用某矿业软件模拟巷道开挖后喷锚网联合支护的效果见图8。

由图8-a）、图8-b）可知：巷道顶板及两帮的最大竖直位移为5.0～6.1 mm，且分布较均匀，最大位移出现在巷道左帮位置，巷道底板的最大位移为25～30 mm;巷道两帮的水平位移为5～10 mm，最大位移位置出现在巷道底角，底角最大位移为10～15 mm。 巷道开挖后及时对其采用喷锚网联合支护，能够提供连续的支撑力，有效抑制了巷道的变形。

喷锚网联合支护后围岩的塑性区情况见图8-c）。由图8-c）可知，巷道围岩的塑性区主要出现在巷道两帮及巷道底板，巷道两帮及底板的破坏主要是剪切破坏和张拉破坏。

5.2.2 二次注浆支护

喷锚网联合支護结束后经过2～4 d，巷道压力得到有效释放后进行锚注二次支护，通过注浆使巷道围岩形成一个整体，提高了其自身的强度和完整性，从而提高了支护结构的整体性和承载能力。应用某矿业软件模拟巷道开挖后喷锚网联合支护的效果见图9。

由图9-a）、图9-b）可知，巷道注浆后，巷道顶板的竖直位移为2.0～4.2 mm，巷道底板的竖直位移为6.0～9.3 mm，巷道两帮的水平位移为3.0～4.6 mm。

巷道注浆后围岩的塑性区情况见图9-c）。由图9-c）可知：注浆后巷道底板围岩的塑性区明显减小，巷道两帮的塑性区范围已经非常小，巷道破坏深度大大降低，说明注浆后巷道的塑性破坏范围减小。

通过对巷道围岩注浆前后巷道的位移对比可以看出：巷道采用注浆锚杆支护后，提高了整体的强度和支撑结构的承载力，有效减小了巷道围岩的变形量，对提高巷道的稳定性起到了关键作用。

5.3 工程应用及效果

5.3.1 巷道支护施工关键环节

对于冬瓜林矿段1 473 m中段主巷掘进施工段试验采用喷锚网与注浆联合支护的形式，巷道掘进后马上进行喷锚网联合支护，经过一段时间再进行锚注联合支护。

对于巷道岩体非常破碎的区域，巷道裸露2～3 h就可喷射混凝土，并保证在8～16 h完成喷锚网联合支护，以便能迅速为巷道提供连续支撑力，改变巷道围岩的受力状态，防止巷道变形的快速发展。喷锚网联合支护不但具有一定的柔性，允许巷道发生一定的变形，减轻支护层的支撑压力，而且可以及时封闭巷道围岩，防止空气和水对巷道岩体的侵蚀和风化，有利于保持巷道围岩的自身强度和承载能力。

喷锚网联合支护结束后经过4～7 d，巷道压力得到有效释放后，再进行锚注联合支护，作为巷道的二次支护，锚注联合支护主要针对巷道两帮下部及底角位置，通过注浆巷道围岩的裂隙得到黏结，形成整体，进而提高支护结构的整体性及岩体的自身承载能力。

5.3.2 支护效果

在采用锚注联合支护的巷道内对巷道两帮的变形量进行监测，巷道变形监测及变形收敛后的效果见图10。由图10可知：巷道经过4个月后达到最终收敛，最终的巷道变形量不超过20 mm，巷道未发生较大的变形和破坏。在周边穿脉及相应的采场采准切割工程施工过程中的爆破对主巷的震动影响下，巷道也未发生破坏。因此，锚注联合支护技术有效控制了巷道的变形，维持了巷道的稳定，支护效果较好。

5.3.3 支护成本分析

对冬瓜林矿段1 473 m中段主巷锚注联合支护的材料成本进行标定及计算，结果见表4。

巷道锚注联合支护技术和作业循环能够较好地控制巷道的变形和破坏，虽然巷道前期支护成本较高，但通过锚注联合支护后巷道在服务期内不会出现较大的破坏，不需要进行巷道的二次维护，因此锚注联合支护大大减少了后期巷道的维护次数和维修费用，有效降低了井下巷道支护的综合成本。

6 结 论

1）对镇沅金矿的地应力及巷道压力进行了估算，根据估算结果，巷道破坏不属于构造应力破坏，而是由自重应力及其节理剪切滑移造成的破坏。

2）对巷道围岩进行结构面调查和点荷载强度试验，并对岩体力学参数进行估算，得出巷道围岩岩体的基本质量指标，并分析了巷道的破坏形式，通过对巷道破坏情况的数值模拟，确定了巷道变形破坏的主要原因。

3）研究确定了锚注联合支护技术，对支护形式和支护参数进行了数值模拟分析，确定支护参数的合理性，并在冬瓜林矿段1 473 m中段主巷中进行现场试验。通过巷道变形量的监测可知，巷道在4个月内达到收敛，最终的巷道变形量不超过20 mm，巷道未发生变形破坏，锚注联合支护后井下不需要进行巷道二次维护，进而有效降低了巷道支护的综合成本。

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