刘塘坊铁矿3#矿体下盘深部脉外巷道围岩剥落原因分析及处理措施

石国华 白 银 石广斌

(1.中钢集团刘塘坊矿业有限公司，安徽 六安 237471；2.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

0 引言

刘塘坊铁矿矿区位于吴集-周集蚌埠期褶皱带中段，构造特征以褶皱为主，断层不发育，构造简单。一般性断层按方向分为三组：近南北向断层组、北西-南东向断层组、北东-南西向断层组。较大的近南北向断层有三条，分别位于周集、吴集两侧，造成第三系、白垩系与太古界，上太古界与震旦系直接接触，推测为高角度正断层。北西-南东向断层位于周集、吴集及西侧低丘区，为一组横向逆冲断层。两组断层对矿体有破坏作用。从现场来看，断层破碎带影响范围在20 m左右，在-500 m层矿块回采时，脉外巷道开始会发生轻微剥落破坏，剥落层的厚度一般为1～5 cm，面积较小的不到0.5 m2,大的达到10 m2。当采场回采到-487 m层矿块时，巷道围岩剥落破坏范围和厚度都有所加大，不仅在断层破碎带，其他区域的巷道围岩也存在，巷道围岩剥落破坏的位置主要位于墙部，拱部基本完好。针对破坏情况，从地压变化方面着手，分析巷道围岩剥落破坏原因，并结合工程地质特性分析，参考了类似工程和规范，提出相应的处理，起到了良好的技术经济效果。

1 矿体下盘岩体的工程地质基本特性

1.1 工程地质基本条件

矿体上盘岩石主要为斜长角闪片麻，下盘有斜长角闪片麻、花岗片麻岩等。通过对北部3号矿体上下盘岩体结构面分布情况进行调查岩体，从现场调查情况来看，岩体呈层状优势非常明显，缓倾斜节理裂隙占绝对优势。矿体下盘岩体基本属于厚层状～中厚层状结构岩体，矿体上盘基本属于中厚层状～薄层状结构岩体。用RMR岩体质量分类的方法来对岩体质量分级，矿体中岩体结构面很发育，间距为5～8 cm，RMR=54，属于Ⅲ类岩体偏下；上盘岩体结构面比较发育，间距为9～33 cm，RMR=62,属于Ⅱ类岩体偏下；下盘岩体结构面也比较发育，间距为10～62 cm，RMR=68,属于Ⅱ类岩体偏下。下盘岩体整体状况要好于上盘岩体。 矿岩表现出较强的脆硬性，岩石单轴抗压强度为71.1～169.8 MPa，平均130.37 MPa。

1.2 岩体力学参数分析

在岩样单轴抗压和三轴试验的基础上，用Hoek提出的以岩石试样力学参数来估算岩体力学参数[1-3]，得出岩体物理力学特性指标，见表1。

表1 刘塘坊铁矿岩体物理力学理力学特性指标

2 采场回采过程中地压变化对巷道

围岩应力影响

2.1 平面有限元模型

矿床开采采用向上水平分层充填法，由高程-500 m,逐步向高程-457 m回采。脉外巷道断面形式为城门硐，开挖净断面尺寸有三种，即开挖尺寸为3.25 m×3.33 m(跨度×高度)、3.6 m×3.4 m、3.4 m×3.4 m，相互之间相差不多，巷道与矿体相对位置关系见图1。为了分析采场回采过程地压变化对巷道围岩应力影响，采用弹塑性有限元法，其模型范围为450 m×500 m，回采工作面到模型边界最短长度为130 m，巷道到模型边界最短净长度为217.8 m。模型单元网格如图2。模型x轴垂直巷道，y轴竖直，z轴沿着巷道纵轴。

图1 巷道与矿体相对位置关系示意图

图2 模型单元网格

计算模型四周为固端约束，施加初始最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力值随埋深变化的回归曲线方程(1)～(3)。

σhmax=-0.244 4+0.032 6 H

(1)

σhmin=-1.387 2+0.020 7 H

(2)

σz=-0.068+0.022 9 H

(3)

式中：σhmax—最大水平主应力；σhmin—最小水平主应力；σz—垂直主应力；H—埋深，m。

计算首先是模拟巷道掘进，然后模拟矿体由高程-500 m，逐次分阶段向上回采，直至高程-442 m。

2.2 数值计算结果与分析

2.2.1 巷道掘进

巷道开挖后，巷道周围一定范围内的地压会发生较大幅度的变化，其周边出现较大拉应力，尤其是棱角处，最大主拉应力为5.9 MPa，大于岩体抗拉强度(0.42 MPa)，甚至大于岩石的抗拉强度(2.5～9.3 MPa)，最大主压力值达到66.3 MPa，也大于岩体抗压承载强度(10～15 MPa)，甚至接近岩石的单轴抗压强度。

受巷道开挖后围岩应力二次调整，局部围岩进入塑性状态，塑性区深度0.7 m，如图3。巷道变形为顶拱变形为6.05 mm，水平收敛变形为16.63 mm，是巷道跨度的0.46%，参考《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086-2015)，小于1.2%，说明巷道在掘进挖过程中，围岩整体是稳定的；锚杆长度为2 m，大于围岩塑性区深度0.7 m，满足要求。

图3 巷道开挖后周边围岩塑性单元

2.2.2 矿体回采过程

由于矿石回采，巷道和采场周围一定范围内的地压会发生较大幅度的变化。当采场回采时，巷道的塑性区逐渐发生变化，当高程-500～-487 m回采时，巷道围岩塑性区基本没有变化，但表现出部分卸荷特征，这时采场与巷道距离较远，两者相距的距离大于巷道跨度的10倍，约是采场顶板横向跨度的一倍。随着阶段回采进展，巷道围岩塑性区也在不断发展,如图4。

(a)高程-500～-487 m回采 (b)高程-487～-472 m回采(c)高程-472～-457 m回采(d)高程-457～-442 m回采 图4 阶段回采过程中的巷道围岩塑性区延展状态

巷道围岩应力基本表现为受压，没有拉应力。随着阶段回采进展，脉外巷道设置6个观测点的最大主压应力变化如图5，其位置见图1。从6个观测点的第一主压应力变化过程可清楚看出，随着巷道的掘进和采场回采阶段的增加，第一主压应力也逐渐增加，相对应的第三主压应力会有所降低，如观测点A1，第一主压应力由18.07 MPa增加到107.15 MPa，而其第三主压应力由16.16 MPa降低到14.80 MPa，如此地压大幅度增加会增加围岩塑性区的发展。可以用图6的力学作用模式来解释脉外巷道素喷混凝土和围岩剥落掉块机制，当巷道掘进后，第一主压应力变为切向，巷道墙壁浅表层处于切向挤压，随着阶段回采进展这种挤压力会逐步增加，当增加到一定的量值时，巷道墙壁就会发生挤压劈裂破坏，所表现出的宏观现象即是岩层剥落掉块，如图7。因此可以认为巷道周边产生的破坏是由矿体回采过程中巷道周围的地压明显增加所致。

图5 脉外巷道监测点A1和A2最大主压力应力变化过程

图6 力学作用模式示意图

图7 脉外巷道素喷混凝土和围岩剥落破坏现状

根据计算结果，建议脉外巷道布置时，其与下盘矿岩交界面之间的最近距离宜在15～30 m，围岩类别高时取小值，低时取大值。

3 处理措施

脉外巷道围岩原支护参数为：拱部为喷锚网支护，喷射混凝土厚10 cm；边墙为素喷混凝土支护，喷射混凝土厚5 cm。根据脉外巷道围岩破坏特征与现有的围岩支护措施，结合采场回采过程地压变化对巷道围岩应力影响，同时还参考了类似工程和规范[4-6]，提出巷道围岩补强措施为锚网喷。锚杆直径为18 mm，长度为1.8 m，间排拒距为1 m×1 m；钢筋网直径为6 mm，网孔间距为100 mm×100 mm，喷混凝土强度为C20,厚度为10 cm，如图8。从实施后的情况来看，围岩剥落得到了有效控制。

图8 脉外巷道破坏与补强支护现场照片

4 结语

1)通过工程地质测绘和统计分析，并由RMR岩体质量分类法得出岩体质量分级，即矿体中岩体结构面很发育，属于Ⅲ类岩体偏下；上盘岩体结构面比较发育，属于Ⅱ类岩体偏下；下盘岩体结构面也比较发育，属于Ⅱ类岩体偏下；下盘岩体整体状况要好于上盘岩体。

2)基于矿岩岩样抗压强度试验的物理力学特性指标，应用Hoek-Brown准则，推算岩体力学参数，并应用数值分析中。

3)通过数值分析揭示了脉外巷道围岩发生剥落破坏机制，并且佐证了剥落破坏是由矿体回采所造成下盘脉外巷道围岩应力调整，而导致巷道围岩发生劈裂破坏。

4)根据脉外巷道围岩破坏特征和数值分析结果，提出巷道围岩补强措施，并经实践验证，围岩剥落得到有效的控制。