采动影响下多构造拉底巷道稳定性控制技术研究

王少勇　曾庆田　武鹏杰　李争荣　孙伟　朱霆

摘要：拉底巷道在服务期内的稳定控制是自然崩落采矿法金属矿山生产管理中的重要部分。当拉底巷道布置在断层破碎带区域，复杂的构造条件会加剧采动应力对巷道围岩的破坏。为了明晰高应力复杂构造条件下拉底巷道围岩发生破坏的本质原因，通过构建采动影响下断层活化滑移力学判据，并模拟不同采动作业条件下拉底巷道弱层围岩的应力转移情况，发现复杂构造条件下拉底巷道破坏原因可归纳为“断层活化—弱层失稳”复合型破坏机制。并针对性地提出了大面积连续拉底应力迁移调控技术和以“高强度机械化湿喷混凝土”为核心的差异化补强精准支护技术，稳定性控制技术推广以来，拉底巷道围岩失稳现象明显减少，围岩年变形率降低了50 %，巷道返修率由20 %降低至5 %，为类似金属矿山开展复杂构造条件下巷道围岩精准控制提供了工程借鉴。

关键词：拉底巷道；断层破碎带；断层活化滑移；应力迁移；差异化支护

中图分类号：TD32文章编号：1001-1277（2023）09-0013-08

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230903

引 言

普朗铜矿位于云南省迪庆藏族自治州境内，矿区标高3 500～4 300 m，是目前已发现的亚洲最大的斑岩型铜矿之一。其采用自然崩落采矿法开采，年生产能力1 250万t，已经成为中国地下开采规模最大的金属矿山之一。拉底巷道是自然崩落采矿法金属矿山矿块连续崩落及底部结构稳定至关重要的部分，在其设计寿命内必须保障安全和畅通［1］。在矿山巷道布置中，部分拉底巷道不可避免地要布置在断层破碎带区域。受采动应力高、断层构造复杂及矿岩破碎的影响，普朗铜矿拉底巷道围岩失稳现象频发，自然崩落采矿法拉底难度大，是国内外罕见的高应力、多构造、特大型难采金属矿床。

断层破碎带的物理性质、断层填充物的物化特性都直接影响断层的活化发展规律，最终影响拉底巷道的稳定性［2］。此外，断层泥易吸水膨胀使岩体失稳，断层带岩体强度降低，最终导致冒落。杨括宇等［3］发现断层破碎带巷道稳定性主要受矿体开采与断层活化共同控制，矿体开采引发上盘围岩发生倾倒滑移破坏，并提出巷道过断层时尽量选择垂直断层的布置方式，且在断层区域要加强支护。冯兴隆等［4］和李争荣等［5］分别对过断层区拉底巷道的支护工艺和爆破参数开展研究，发现断层的存在导致中深孔拉底爆破振动效应影响范围变广、持续时间变长，对拉底巷道围岩及支护结构的破坏加剧。郝长胜等［6］分析多断层构造应力下回采巷道变形破坏特征并提出联合支护方案，有效地控制了围岩变形。但是，自然崩落采矿法开采中拉底巷道受到持续的采动影响，面临高应力、多构造、破碎围岩的恶劣条件，其破坏机制复杂。

本文通过构建采动影响下断层活化滑移力学判据，并模拟不同采动作业条件下拉底巷道弱层围岩的应力转移规律，明晰断层区巷道围岩的破坏机制；针对首采区采动二次应力集中显现和断层带围岩破碎易失稳的现状，提出了大面积连续拉底应力迁移调控技术和围岩差异化精准支护技术，最终实现了采动影响下多构造拉底巷道的稳定性控制，达到了安全采矿的目的。

1 开采技术条件

1.1 高应力

普朗铜矿首采区地应力以水平构造应力为主导，最大主应力值为11.60～17.69 MPa。崩落过程中拉底区域应力集中高达30 MPa，采动二次应力集中且崩落过程中最大采动应力是初始构造应力的2倍以上，高采动应力不仅导致围岩弱层失稳，同时也诱使断层活化滑移。

1.2 多构造

普朗銅矿存在5条规模较大的断层，将首采区分割为13块。断层附近的岩体非常破碎，特别是断层交会区，岩体愈发破碎且无自承能力。断层分布见图1，主要断层特性见表1。

1.3 矿岩破碎

实验室进行力学试验所使用的矿岩样品，通常是完整性较好的岩石，不含或极少含软弱结构面，所得岩石力学参数不能完全代表岩体的力学特性。为此，基于Hoek-Brown准则得到断层区工程岩体力学参数，见表2。普朗铜矿断层区岩体强度较低、易破碎、抵抗变形能力较差，在采动影响下巷道围岩自承能力较弱，易发生拉剪变形破坏。

2 采动影响下多构造拉底巷道破坏机制

2.1 断层活化滑移机理分析

2.1.1 断层自锁与活化判别准则

将普朗铜矿首采区断层破碎带及上下盘围岩视为一个系统，断层活化实际上是断层在采动影响下，上下盘围岩沿断层面的相对滑移问题。因此，本文将围岩对断层上盘和下盘的作用等效为滑槽约束［7］，见图2。国内外学者已经对断层活化滑移力学模型开展了大量研究，基于已有断层滑槽约束力学模型和直线型莫尔-库仑准则，通过断层应力比（侧向应力与垂直应力的比值）来判别断层稳定性［8］。

当断层面上所受摩擦力小于最大静摩擦力时，断层处于稳定的平衡状态，即自锁状态；当断层面上所受摩擦力大于最大静摩擦力时，断层处于相对滑移状态，即活化状态；当断层面上所受的摩擦力等于最大静摩擦力时，断层处于极限平衡状态，但是极限平衡状态极易被打破，故将系统处于极限平衡状态认定为断层活化的起点。不同极限平衡状态下的断层应力比见式（1）和式（2）。

式中：λ1为第一极限平衡状态对应的断层应力比，断层上盘沿断层面倾向有向下滑移的趋势，而下盘沿断层面倾向有向上滑移的趋势，此时为断层系统的第一极限平衡状态；λ2为第二极限平衡状态对应的断层应力比，断层上盘沿断层面倾向有向上滑移的趋势，而下盘沿断层面倾向有向下滑移的趋势，此时为断层系统的第二极限平衡状态；C为断层内聚力（MPa）；σ为断层在采动影响下垂直于单位厚度岩层轴向的应力（MPa）；φ为断层内摩擦角（°）；pi为裂隙流体压力（MPa）。

由此可得：断层在采动应力影响下，当系统的应力比λ∈（λ1，λ2）时，系统处于稳定的平衡状态。从而，断层自锁的条件为：

当系统处于活化状态时，活化条件为：

2.1.2 断层参数对巷道稳定性的影响

1）断层倾角。断层剪切错动方位角（α1）是系统处于极限平衡状态时断层带发生剪切错动的方位角，其仅与断层面内摩擦角有关，换算关系见式（5），二者是斷层的固有属性。

断层活化启动后，断层带的剪切错动行为导致系统的上盘和下盘沿断层倾向发生相互错动。当断层倾角与断层剪切错动方位角相等时，上盘和下盘相互错动的方向与断层带剪切错动方向是平行的，此时断层滑移的可能性最大。

首采区断层倾角与断层剪切错动方位角关系见表3。由表3可知：F2断层倾角最接近断层剪切错动方位角，断层活化倾向性较大；F1、F5断层也存在较大活化倾向性。普朗铜矿5条大断层倾角均比较接近断层剪切错动方位角，在受到中深孔拉底爆破、聚矿槽爆破等采动应力时，断层易活化滑移，在断层和拉底巷道交会区产生应力集中，导致巷道围岩破坏。

2）内聚力。将式（1）和式（2）分别对内聚力一阶求导可得：

内聚力和垂直应力均为正值，而内摩擦角φ＜2/π，则有λ1C<0，而λ2C>0。随着断层面内聚力的增加，λ1减小而λ2变大，断层自锁条件范围更广泛。因此，内聚力越大，断层越稳定。而普朗铜矿断层内聚力为3.8 MPa，爆破前后结构面的内聚力可降低40 %～60 %，爆破后断层内聚力为1.52～2.28 MPa。断层内聚力较小，稳定性较差，在采动影响下，断层易活化滑移。

3）裂隙流体压力。将式（1）和式（2）分别对裂隙流体压力一阶求导得：

显然有λ1pi＞0而λ2pi＜0，根据函数增减判别准则，随着裂隙流体压力的增加，λ1变大而λ2减小。此时，断层自锁的条件范围变小，因此，断层裂隙流体压力越大，断层越易活化。普朗铜矿断层宽0.2～2 m，断层裂隙主要为碳酸盐物质、围岩碎块（屑）及断层泥充填。同时地下含水带分布较广、降雨频繁，地表塌陷坑囤积雨水顺着裂隙进入断层，断层泥易吸水膨胀泥化。断层裂隙流体压力较大，断层易活化滑移。

4）地应力。将式（1）和式（2）分别对垂直应力一阶求导得：

采动作用必然导致断层附加剪应力增加或正应力减小，这将有可能引起断层冲击地压的发生。在采动影响下，断层受到的垂直应力越大而水平应力越小，断层稳定性越差。

5）断层内摩擦角。将式（1）和式（2）分别对断层内摩擦角一阶求导得：

断层内摩擦角越大，断层越稳定。而普朗铜矿断层内摩擦角为33.4°，爆破前后结构面的内摩擦角可降低10 %～15 %，爆破后断层岩体内摩擦角为28.4°～30.1°。断层内摩擦角较小，断层内稳定性较差，在采动影响下，断层易活化滑移。

2.2 围岩弱层失稳破坏行为

自然崩落采矿法开采步骤包括：①出矿穿脉、拉底巷道掘进；②出矿进路掘进；③中深孔拉底爆破；④聚矿槽爆破。本文利用Flac3D软件对前进式拉底中的4个核心工艺进行模拟，分析开采过程围岩弱层的应力变化。

1）出矿及拉底巷道掘进。随着出矿穿脉及拉底巷道的施工，首采区初始应力场被打破，最大主应力、最小主应力见图3。

由图3可知：随着拉底巷道及出矿穿脉的施工，模型中拉底层、出矿层穿脉及断层处应力集中，表现为拉应力。在断层与拉底巷道及出矿巷道交会位置处显现出最大的拉应力，为1.9 MPa。

2）出矿进路掘进。出矿进路施工完成后，模型中拉底层、出矿层穿脉及断层处应力集中，拉应力进一步增大。可以发现，在F3断层与拉底巷道及出矿巷道交会位置处拉应力由1.9 MPa增加到4.2 MPa，说明断层与巷道交会处，在采动应力的持续影响下，断层阻隔效应增大，应力在交会处不断累积最终导致断层活化滑移，巷道弱面失稳产生拉伸破坏。

3）中深孔拉底爆破。中深孔拉底爆破阶段主应力分布见图4。

由图4可知：拉底爆破后，拉底巷道围岩最大主应力、最小主应力发生明显变化，应力值显著增大，模型最大压应力约为63.2 MPa，最大拉应力约为8.0 MPa。拉应力集中分布在拉底巷道两帮拱脚处，由于断层影响，拉底巷道两侧拱角处拉应力并不一致，近断层侧拉应力明显更集中，破坏更为严重。

4）聚矿槽爆破。聚矿槽爆破作业后，最大主应力、最小主应力发生明显变化，模型最大压应力为64.4 MPa，最大拉应力为9.0 MPa。

2.3 拉底巷道复合型破坏机制

基于理论推导和数值模拟研究，将普朗铜矿采动影响下多构造拉底巷道破坏机制归纳为“断层活化—弱层失稳”复合型破坏机制（见图5）。

由图5可知：采动作业导致拉底巷道围岩应力平衡被打破并重新分布，断层破碎带附近首先出现轻微的剪切破坏，诱发断层发生活化滑移；同时随着断层剪切滑移不断加剧，应力在断层和巷道交会区不断积累并逐渐迁移到两帮围岩；拉底巷道两帮尤其拱脚处拉压力骤然增大，巷道围岩出现拉伸和剪切塑性区，导致弱层围岩和支护结构容易发生拉伸破坏。

3 拉底巷道稳定性控制技术

3.1 大面积连续拉底应力迁移调控技术

3.1.1 大面积连续拉底应力演化机制

针对普朗铜矿大面积拉底面临的应力集中问题，为了揭示拉底过程应力演化机制，本文采用Flac3D软件模拟研究不同拉底方式、拉底推进线距离、地应力等因素对拉底应力迁移的影响规律。计算模型见图6，模型共计130 452个单元和135 808个节点。

1）拉底方式。拉底方式分为前进式和后退式2种：前进式，拉底先于聚矿槽施工，即进行拉底作业后再完成聚矿槽的作业；后退式，聚矿槽先于拉底，即先进行聚矿槽作业再进行拉底作业。通过模拟结果，比较前进式和后退式2种拉底方式应力迁移规律，结果见表4。

由表4可知：二者在进行各自的第一步作业时，前进式拉底最大主应力明显低于后退式拉底，前进式拉底更有利于巷道的稳定。当二者全部完成拉底作业和聚矿槽开挖后，最大主应力值和应力集中区域相差不多；但是当拉底推进线距离增大到30 m时，前进式拉底方式桃形矿柱上的拉应力值及拉应力区域面积明显低于后退式拉底，应力值相差约1倍，区域面积相差3倍以上。综合分析，认为采用前进式拉底方式比较合理。

2）拉底推进线距离。前进式拉底拉应力分布见图7。由图7可知：进行拉底作业后，拉底区域顶、底4个角的位置出现明显的应力集中现象。当拉底推进线距离小于20 m时，应力得不到充分释放，底部结构整体处于一个较高的应力区，这时如果开挖聚矿槽，不利于底部结构的稳定。当推进线距离大于30 m时，拉底底部在距离推进线一定范围外应力得到释放，此时进行聚矿槽的施工是相对有利的。因此，聚矿槽开挖应该滞后于拉底推进线距离30 m左右。

3）地应力条件。不同水平构造应力时拉底区域最小主应力综合分析见图8。由图8可知：应力释放区域及顶板拉应力区域，随着水平构造应力的增大而减小。仅考虑自重应力时，有利于矿石的崩落。拉底空间形成后，拉底顶板将会出现拉应力，拉底底部则出现应力释放区域。随着水平构造应力的增大，拉底顶板拉应力区域逐渐减小，拉底底部应力释放区域也逐渐减小，有利于底部结构的稳定。

3.1.2 多环节协同控制拉底速率模型

自然崩落采矿法的拉底、崩落、出矿是相互协同、相互影响的，合理的拉底最终是保障矿石品位与矿石量的稳定供给。本文以净现值最大为目标，在考虑矿量目标、品位目标的基础上，以拉底速度、穿脉生产能力、出矿生产能力、崩落速度、设备能力为约束，构建了如式（14）所示的基于崩落-放矿-品位控制的拉底速率协同控制模型，实现各工艺环节的协同。

3.1.3 连续拉底应力迁移调控方法

为实现拉底巷道稳定性控制，有效控制动态应力对拉底、崩落效率及井下巷道的破坏，合理利用动态应力实现初始崩落和持续崩落，从拉底顺序及方向、拉底推进线距离、拉底速度等方面进行拉底过程中应力的动态调控。

1）拉底顺序与方向调控。采用双侧鲱鱼形连续推进（见图9），首采矿块位于矿体中部矿石品位较高、矿岩破碎的区域，以双侧鲱鱼形向着最大主应力方向从开采区域中间朝东西两侧边界后退式推进，提高崩落效率。

2）拉底推进线距离调控。拉底应力调控关键参数见图10。为了确保出矿穿脉、聚矿槽等工程的施工始终是在拉底以后的应力释放区进行，减少采动应力的破坏和诱因作用，确保聚矿槽掘进应滞后拉底推进线至少30 m，生产作业面应滞后拉底推进线40～50 m，在确保底部结构稳定的同时实现了大面积的连续崩落。

3）拉底速度调控。适当降低开采前期的拉底速度，缩小拉底面积；后期增加拉底速度，避免底部结构上堆积体过大而导致底部结构破坏。

4）拉底巷道布置。將拉底巷道布置为东西向，与最大主应力方向平行布置，减小地应力对拉底巷道的破坏。

3.2 围岩差异化补强精准支护技术

3.2.1 高强度湿喷混凝土+树脂锚杆补强支护技术

针对普朗铜矿高应力、断层活化及矿岩破碎的特点，提出了高强度湿喷混凝土+树脂锚杆补强支护技术［9］。为了实现以高强度机械化湿喷混凝土为核心的补强支护技术，引进SPM4210湿喷台车。相比于传统干喷混凝土工艺，机械湿喷混凝土力学性能优越，28 d强度提升50 %，喷射混凝土回弹率低，实现文明生产，支护作业效率提升（见表5）。

为了避免补强支护利用铁质支护材料导致出矿口堵塞，运矿皮带破损等问题，研发了玻璃钢树脂锚杆一体化支护技术。树脂锚杆与砂浆锚杆主要技术指标对比见表6。由表6可知，相较于原有水泥砂浆锚杆，树脂锚杆强度大、锚固力提升61.4 %，且树脂锚杆安装简单方便，极大地提高了支护效率。

3.2.2 分区分级差异化精准支护技术

1）断层破碎带岩体质量分区。在传统岩体质量分级的基础上，将岩体质量评价与多构造断层分布相结合，将普朗铜矿拉底层岩体质量分成3个区（见图11），不同分级区域的岩体质量等级和断层分布情况见表7。

2）拉底巷道差异化支护技术。根据拉底层岩体质量分区情况，以机械化湿喷混凝土+树脂锚杆补强支护方式为核心设计差异化精准支护方案，不同分级支护方案的支护形式及参数见表7，巷道断面支护见图12～14。

3.2.3 围岩补强差异化精准支护效果

差异化补强支护技术巷道收敛情况见图15。通过在首采区推广差异化补强精准支护技术，拉底巷道收敛变形速率明显降低，支护初期顶板收敛变形由83 mm/月降低为42 mm/月，相比原支护方法变形量降低了50 %。同时由于巷道围岩变形显著降低，巷道返修率由20 %降低至5 %；由于以往巷道垮冒而无法拉底回采的矿石得到回收，采矿损失率从原来的6.74 %下降至4.65 %，降低了2.09百分点。

4 结 论

1）揭示了高应力复杂构造条件下拉底巷道“断层活化—弱层失稳”复合型破坏机制：随着拉底爆破、聚矿槽爆破等采动作业，采动二次应力集中显现触发断层发生活化滑移，释放大量的能量，而断层的活化加剧断层周边巷道弱层失稳破坏，导致自身破碎且强度低的断层区围岩在采动应力和断层活化的共同作用下失稳破坏。

2）开发了大面积连续拉底应力迁移调控技术：采用以双侧鲱鱼形向最大主应力方向从首采区中间朝东西两侧边界后退式拉底方向；聚矿槽开挖应滞后拉底推进线至少30 m；拉底巷道与最大主应力方向平行布置，减小采动应力及构造应力对拉底巷道的破坏。

3）研发了以高强度机械化湿喷混凝土+树脂锚杆的差异化补强精准支护技术，已在拉底层多条巷道试验和推广，相比原支护方法巷道年变形率降低了50 %，巷道返修率由20 %降低至5 %。

［参 考 文 献］

［1］刘华武，冯兴隆，吴明，等.普朗铜矿底部结构应力变化模拟分析研究［J］.矿业研究与开发，2016，36（5）：28-31.

［2］姜耀东，王涛，赵毅鑫，等.采动影响下断层活化规律的数值模拟研究［J］.中国矿业大学学报，2013，42（1）：1-5.

［3］杨括宇，陈从新，夏开宗，等.崩落法开采金属矿巷道围岩破坏机制的断层效应［J］.岩土力学，2020，41（增刊1）：279-289.

［4］冯兴隆，苗元丰，李争荣，等.拉底过断层区喷锚支护巷道稳定性研究［J］.采矿技术，2021，21（1）：58-62，69.

［5］李争荣，武鹏杰，刘明武，等.拉底过断层巷道中深孔爆破振动监测与分析［J］.采矿技术，2021，21（3）：138-141.

［6］郝长胜，徐仁，尹旭，等.多断层构造应力下回采巷道围岩破坏特征及控制技术研究［J］.煤炭技术，2019，38（7）：18-21.

［7］林远东，涂敏，付宝杰，等.采动影响下断层稳定性的力学机理及其控制研究［J］.煤炭科学技术，2019，47（9）：158-165.

［8］林远东，涂敏，付宝杰，等.断层自锁与活化的力学机理及稳定性控制［J］.采矿与安全工程学报，2019，36（5）：898-905.

［9］冯兴隆，沙文忠，者亚雷，等.高寒环境下湿喷混凝土性能影响因素试验研究［J］.化工矿物与加工，2022，51（10）：15-19，24.

Research on the stability control technology of multi-structure undercutting roadway under mining disturbances

Wang Shaoyong1，Zeng Qingtian2，Wu Pengjie1，Li Zhengrong2，Sun Wei3，Zhu Ting4

（1.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing;

2.Yunnan Diqing Nonferrous Metals Industry Co.，Ltd.;

3.Faculty of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology;

4.JCHX Mining Management Co.，Ltd.）

Abstract：The stable control of the undercutting roadway during the service period is an important part of the production management of natural caving metal mines.When the undercutting roadway is arranged in the fault fracture zone，the complex structural conditions will intensify the damage of mining stress to the surrounding rock of the roadway.To clarify the essential reason for the failure of the surrounding rock of the undercutting roadway under the condition of high stress and complex structure，this paper constructs the fault activated slip mechanics criterion under mining disturbances and simulates the stress transfer of the weak layer surrounding rock of the undercutting roadway under different mining operating conditions.It is found that the failure caused by the bottom roadway under complex structural conditions can be summarized as a composite failure mechanism of "fault activation—weak layer instability".The paper correspondingly proposes a large-area continuous undercutting stress migration control technology and a differentiated reinforcement precision support technology centered on "high-strength mechanized wet shotcrete".Since the promotion of stability control technology，the surrounding rock of the undercutting roadway has become unstable phenomenon has been significantly reduced，the annual deformation rate of surrounding rock has been reduced by 50 %，and the roadway repair rate has been lowered from 20 % to 5 %，which provides engineering reference for the precise control of roadway surrounding rock under complex structural conditions in similar metal mines.

Keywords：undercutting roadway;fault fracture zone;fault activated slip;stress migration;differentiated support

收稿日期：2023-05-30; 修回日期：2023-06-20

基金項目：国家自然科学基金重点项目（52130404）;中国博士后科学基金资助项目（2021M691359）

作者简介：王少勇（1983—），男，高级工程师，博士，从事膏体充填理论与技术研究方面的工作；E-mail：wshy0226@163.com