矿山开发中软弱地层巷道围岩稳定性分析

赵斌 韩利辉 王建国 杨圣安 邢锰

摘 要：千枚岩和炭质千枚岩质地软弱，严重制约勐糯矿区深部安全开采。本文以860坑二号竖井+200中段的巷道为研究对象，通过分析软弱岩层的地层结构特征，整理岩体地应力测试数据和岩块岩石力学参数等，结合现场调查与测量结果，采用三维有限差分数值建立了矿区较为合理的数值模型，采用较为先进的FLAC3D程序，对软岩巷道，特别是千枚岩巷道的变形特点、应力重分布规律进行了分析研究，模拟结果合理，为矿山深部巷道开发与建设提供技术支撑，有效指导矿山生产。

关键词：千枚岩;巷道稳定性;数值模拟;地应力

中图分类号：TD322     文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2022）8-0123-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.08.026

Stability Analysis of Roadway Surrounding Rock in Weak Stratum in Mine Development

—Taking Phyllite Stratum as an Example

ZHAO Bin    HAN Lihui    WANG Jianguo    YANG Shengan    XING Meng

（North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.，Shijiazhuang 050021 ，China）

Abstract：Phyllite and carbonaceous phyllite are weak in texture， which seriously restricts the deep safe mining in Mengnuo mining area. In this paper， taking the roadway in the middle section of shaft No. 2 + 200 of pit 860 as the research object， a more reasonable numerical model of Mengnuo mining area is established by analyzing the stratum structure characteristics of weak rock layer， sorting out the rock in-situ stress test data and rock mechanical parameters of rock block， combined with the field investigation and measurement results， The deformation characteristics and stress redistribution law of soft rock roadway， especially phyllite roadway， are analyzed and studied by using more advanced FLAC3D program， which provides technical support for the development and construction of deep roadway in the mine. The simulation results are reasonable and can effectively guide mine production.

Keywords： phyllite; roadway stability; numerical simulation; crustal stress

0 引言

勐糯铅锌矿区位于云南省西部保山市龙陵县勐糯镇，地处保山市龙陵县、施甸县的交界处，与龙陵县直线距离为50 km，交通较为便利。勐糯铅锌矿区地层岩性较复杂，断裂构造发育，产状陡峭，其中南北向断层以压扭性为主，北西和东西向断层压性、张性并存，尤以东西向和北西向断层对地层的破坏较大，新构造活动强烈，且深部地应力高，工程地质条件极差[1-3]。该矿区含矿层厚度薄，开拓系统揭露地层岩性种类复杂，节理裂隙极为发育，致使巷道围岩破碎，巷道围岩的完整性差[4-5]。千枚岩地层易风化，遇水膨胀软化，矿山深部开采局部地段面临顶板冒落、底板底鼓等工程地质问题。当前铅厂矿段860-Ⅱ正在开展+200中段以下的深部勘探工作，亟须对矿山特有的千枚岩围岩进行工程地质研究工作。

1 矿区工程地质岩组划分及千枚岩特征

1.1 工程地质岩组划分

根据一般经验和不同岩性的顶底板岩石测试标本所获得的岩石力学参数同时结合矿山以往研究，按矿山不同层组地层将矿区深部（-200～0 m）划分6个工程地质岩组，即坚硬块状晶灰岩岩组（Ⅰ）、较软弱薄层状层纹灰岩岩组（Ⅱ）、较软弱薄层状千枚岩岩组（Ⅲ）、软弱薄层状含炭千枚岩岩组（Ⅳ）、坚硬块状、厚层状细粒长石石英砂岩岩组（Ⅴ）、构造破碎帶岩组（Ⅵ），其中，结晶灰岩、层纹灰岩、长石石英砂岩质地坚硬，结构稳定性较好，千枚岩和炭质千枚岩工程地质条件复杂。

1.2 千枚岩地层结构特征

千枚岩组为灰—深灰色薄层状，广泛分布于含矿层顶底板的地层中，由中—厚层状泥质细砂岩和粉砂岩变质而成，泥质变质为定向排列的绢云母而使岩石显千枚状构造。饱和抗压强度为27.6 MPa，平均软化系数为0.75，内摩擦角为40.5，黏聚力为4.57 MPa，平均声波波速分别为纵波5 508 m/s、横波3 088 m/s，属于较软岩，该岩层节理裂隙极为发育，完整程度差，易风化，遇水易软化，且软弱夹层多，巷道常见顶板塌落、边墙垮塌等现象，稳定性差;软弱薄层状含炭千枚岩岩组，灰黑色薄层状，往往组成层间破碎带，与矿体一般为构造接触，少部分为平整接触，炭泥质呈细条带及层纹状相间分布，属于软岩，稳定性极差。

2 巷道稳定性数值模拟

2.1 地应力测试

勐糯矿围岩偏软塑性，较破碎，节理裂隙极为发育，现场工程地质条件与原设计中水压致裂法基本假设有偏差，所以采用声发射法对勐糯矿区围岩进行地应力测试。由声发射凯泽效应识别系统获得200-24-zk1、200-17-zk1两钻孔岩芯六向试件的凯泽点。根据实测的六向凯泽点数据，由声发射法地应力计算软件即可得出两钻孔岩芯埋深处的地应力状态，见表1。

2.2 计算模型

参照矿区区域附近工程地应力測试成果，可知矿山-200～0 m三个主应力方向分别为近东西方向、南北方向和垂直方向，矿山主要巷道布设方向为近东西、南北走向，因此对于矿山巷道的分析满足平面应变假设前提条件，在模型建立和边界施加过程中可按平面应变条件处理。依据巷道设计图建立计算模型，根据巷道尺寸实际取值，围岩范围按4倍巷道断面尺寸圈定，矿山涉及的三种主要尺寸巷道计算模型如图1所示。

本次建立的三种尺寸巷道数值计算模型范围分别如下。

Ⅰ型：x方向长18.9 m，y方向长19.2 m，为平面应变模型。

Ⅱ型：x方向长21.6 m，y方向长21.8 m，为平面应变模型。

Ⅲ型：x方向长24.5 m，y方向长23.7 m，为平面应变模型。

依据地应力场实测的分析结果，针对不同埋深巷道，模型两侧边界分别施加一定的水平应力，上部施加所对应的垂向应力，轴向施加相应水平应力，底部施加固定铰支约束，使得不同标高计算区域的数值模拟地应力场与实测值吻合。

2.3 初始地应力场

依据地应力测试报告可知：该矿区地应力场以水平构造应力为主，东西向为主构造应力的方向。其中200-24-zk1钻孔空间三个主应力大小依次为26.26 MPa、21.70 MPa和6.28 MPa，最大主应力σ1方位角为96.48°，近东西向，倾角为9.42°，近似为水平方向;最小主应力σ3方位角为180.36°，近南北向，倾角为12.73°，也近似为水平方向;中间主应力的倾角为74.11°，近似为竖直方向，而且中间主应力σ2基本等于上覆岩土自重应力。200-18-zk1钻孔空间三个主应力大小依次为30.64 MPa、22.44 MPa和7.97 MPa，最大主应力σ1方位角为83.32°，近E-W向，倾角为17.44°，近似为水平方向;最小主应力σ3方位角为176.25°，近南北向，倾角为9.12°，也近似为水平方向;中间主应力的倾角为70.23°，近似为竖直方向，而且中间主应力σ2基本等于上覆岩土自重应力。原岩应力场实测结果见表2、图2。

由图2可知，200 m中段巷道模型范围内最大主应力为σ1为25.38～25.58 MPa、最小主应力σ3为5.89～6.10 MPa、中间主应力σ2为19.98～20.18 MPa，随深度增加应力增大。三个主应力方向分别为东西向、南北向和垂直向。

根据数值模拟结果及实测地应力场的对比结果见表3。可见，数值模拟计算结果与应力实测值吻合较好。

2.4 千枚岩地层围岩应力与变形分析

2.4.1 应力分析。巷道开挖后，主要应力集中区位于巷道侧帮2 m以外深处围岩体，最大主应力为48 MPa。巷道周边岩体出现明显应力释放区，并且应力释放区影响较远，巷道围岩体内部4 m范围以内分布受拉区。

2.4.2 变形分析。巷道围岩变形总体较大，最大位移点位于巷道拱顶处，拱顶下沉1.08 m，巷道发生明显底鼓，达0.81 m，侧帮中间部位收敛变形也较大，为1.04 m，见图3。

2.4.3 塑性变形区分析。该类巷道开挖后塑性变形影响较远。巷道围岩塑性变形广泛分布在巷道周边岩体内，拉应力破坏区最远处可达8 m，见图4。

矿山200 m中段三种类型巷道无支护时，主要应力集中区广泛分布于巷道围岩内部约5 m以外深处围岩体，在巷道周边约4 m范围以内出现明显的拉应力区，拉应力区主要集中分布在巷道周边围岩，远端也有分布。巷道产生明显收敛变形，随着巷道断面尺寸增加变形愈发严重，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型巷道收敛变形最大处位于拱顶，达到0.9～1.4 m，底鼓分别达到0.8 m左右，侧帮发生0.8～1.0 m收敛变形。塑性变形区广泛分布在巷道周边岩体内，拉应力破坏区普遍分布在围岩体4.5 m以内。因此，该类巷道无支护时，将发生大面积垮塌和较严重的巷道收敛变形，若及时采取支护措施后，可在一定程度上控制巷道变形，由于锚杆无法贯穿整个塑性变形区，无法完全阻止巷道持续变形，但可控制巷道围岩体的垮落，后期需要多次对断面进行修整并重新支护来减少围岩变形的危害。

3 结论与建议

本研究通过分析勐糯矿区深部千枚岩和炭质千枚岩的地层结构特征、垂向地应力分布、岩石力学特点，合理构建了矿区的工程地质概念模型，在此基础上准确建立了工程地质数值模型，结合矿山开采方案，采用国际先进的FLAC3D软件，对200中段的千枚岩地层围岩应力与变形进行了模拟分析。模拟结果显示，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型巷道收敛变形最大处位于拱顶，达到0.9～1.4 m，底鼓分别达到0.8 m左右，侧帮发生0.8～1.0 m收敛变形。塑性变形区广泛分布在巷道周边岩体内，拉应力破坏区普遍分布在围岩体4.5 m以内。预测结果较为合理，能够指导矿山未来开采设计。

建议矿山下一步应加强井下围岩和支护结构的现场观察和记录分析工作，如锚杆测力计、多点位移计读数的变化，可以定量化地预测围岩位移量，用于指导开挖和支护的施工，以确保安全;针对矿山深部开采局部存在顶板冒落、底板底鼓及片帮等情况，保护围岩原有稳定性，使之不至于降低，并赋予岩体一定的强度，以提高其稳定性。

参考文献：

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