大断面软弱围岩巷道开挖变形机制研究

张 兵 王 檑＊ 杨 怀 包 松

（1.毕节职业技术学院，贵州 毕节 551700；2.重庆大学，重庆 400044）

0 引言

在地下矿山的生产和建设中，巷道占有极为重要的位置，是开发矿床的基本工程，如：阶段运输平巷、石门、凿岩道、人行通道等。夏鹏飞等[1]基于巷道地质条件和邻近巷道工程实践，对10-1002巷道围岩进行支护原则的分析，确定巷道的支护重点为控制两帮围岩变形，通过FLAC3D数值模拟软件进行支护方案的优选。米文川等[2]分析了巷道底鼓机理，结合矿井实际，探讨了锚杆、锚索加固及钻孔卸压在底鼓治理中的应用；刘全林等[3]分析了锚注支护对具有流变特性围岩在维护其稳定性方面的作用；陈士海等[4]针对大兴煤矿3208材料巷顶板岩石特征和煤层赋存条件结合现代煤巷支护技术理论，提出了该巷道锚杆锚索挂网支护参数并对其顶板离层巷道收敛变形、锚杆（索）锚固力等日常巷道支护技术进行分析。胡正坤等[5]分析了软岩支护注浆加固施工特征，并分析了一般注浆加固作业流程，结合工程实例总结注浆加固技术在围岩支护中的应用。

本文以贵州黔西南贞丰地区烂泥沟金矿巷道变形为研究对象，通过现场采样实验和数值模拟的方法分析造成该巷道围岩大变形的原因，并针对其变形特点提出支护方案。

1 研究背景

烂泥沟金矿[6-8]位于贵州黔西南贞丰地区，见图1所示。矿区金矿储量达到110t，远景储量在130t以上，成为世界级特大型金矿，储量占黔西南州成矿片区金矿总量的42%。该矿已探明储量在全国黄金金矿中位居第一，是亚洲最大的金矿，2007年3月18日炼出第一炉黄金。断面尺寸为10.0m×7.0m，主体硐室全长60m。

图1 烂泥沟金矿

2 巷道变形机理分析

2.1 围岩破坏区间计算

力的传播路径如图2所示，可看出围岩形成的卵形松动圈会进一步扩大，其失稳机理可用极限自稳平衡拱理论进行分析[9-13]：该硐室的相关已知资料为：断面高度H为7m、宽度W0为10m、原岩应力P0为17.5MPa、抗拉强度σt为0.55MPa、平均内摩擦角φ为36°。

图2 应力传播路径

2.2 地应力分析

地应力[14-18]是岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力。明确地应力是进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。对大断面巷道水平设计3个测量点进行空心包体地应力测量，测试结果见表1和表2所示。

表1 主应力测试结果

表2 应力分量（单位：MPa）

通过主应力测试可知，最大主应力与中间主应力属于近水平应力，倾角分别为10°和8°，而最小主应力位于近似垂直的平面内为近垂直应力，同铅垂面之间的夹角小于25°。根据应力分量测试可知，垂直应力对比水平应力偏小，Y向应力为垂直应力的1.43倍，X向应力为垂直应力的1.17倍。以上分析表明，在工程建设过程中应当适当减小跨度采用应力分散措施预防应力向两帮集中，而实际工况中该硐室井巷工程较为密集，主体断面跨度达到7m，工程建设打破了原应力平衡，导致地应力发生二次重分配，垂直方向应力σv向巷道两帮扩展，水平应力σh向顶底板分散，最终造成巷道两帮和顶底板应力集中并产生混凝土开裂及底鼓现象。

2.3 岩性强度分析

现场调研巷道中未喷浆支护的位置，发现存在围岩岩体破碎的现象，岩体表现为互层和层理发育，部分层理受应力影响产生变形破坏。为分析岩体变化状态与围岩失稳之间的关系，在巷道中选取合适位置钻取岩心制作四组岩样，采用高精度微机控制电液伺服单轴压缩实验机进行实验，如图3所示。

图3 试验过程

为减小端部粗糙和不平整等因素对实验测试结果产生影响，预先在试样端部和刚性承压板之间涂抹适量黄油，实验测试获取的应力-应变结果见图4所示，共得到四组峰值压力分别为159kN、165kN、132kN、292kN，其中第四组在损伤过程中应力应变曲线出现骤然降低，初步判断是由于岩样中含有特殊微构造，对实验结果产生了影响，故舍去此组实验结论。进一步分析表明，低载荷时，内部孔隙空间逐渐压密，随着载荷增大，砂岩内部的晶体矿物由弹性变形逐渐发生不可恢复的塑性破坏，发生应力突然降低的脆性破坏情况，加之围岩结构受层理、节理等软弱面影响，荷载-位移曲线在残余强度后，多次出现跌落现象，进而表现出“岩石脆性破坏-弱面压密-岩石再次破坏”的周期性力学行为，使得大断面巷道围岩岩性极弱，对围岩整体稳定性有很大影响，巷道围岩扰动情况下，松动圈增大，变形增大。

图4 单轴压缩实验结果

3 大断面巷道数值模拟分析

为验证实验的准确性，利用FLAC3D模拟大断面软弱岩体开挖过程中对巷道稳定性的影响。通过上述工程概况及理论分析，为了简化计算，模拟时对顶部边界施加压力为上覆岩层的重量。根据计算，对底面边界进行固定，岩体很大程度上属弹塑性介质，故本构模型选择摩尔库伦模型，此次实验主要观察大断面巷道的开挖过程的应力场和位移场的特点。图5为大断面软弱围岩在开挖情况下，巷道围岩的位移变形云图。从图5（a）可以看出在巷道开始掘进时，两帮及顶板两角的位移量最大，随着掘进过程的进行，顶角的位移量迅速增大，逐渐造成浅层顶板贯通型失稳，但是两帮的位移量并未有明显的增加趋势。如图5（b）～（h）所示，随着开挖步数的增加，顶板失稳愈加强烈，逐渐由浅层贯通型失稳迅速拓展到深部围岩，两帮的变形量也呈线性增加，因此大断面软弱围岩在开挖采动等生产活动作用下，应该特别注意顶板及两帮的失稳情况。

图5 位移云图

图6为大断面软弱围岩在开挖情况下，巷道围岩的主应力变化云图。可以发现在巷道开始掘进时，巷道围岩周围应力呈卵形分布，应力主要集中在巷道的两帮、顶板、底板，而在底角无明显的应力集中情况。随着开挖进行过程中，应力逐渐聚集，从开始无明显应力集中情况发展到应力在顶板及底板大量聚集，底角随着底板的应力增大而增大，随着开挖的进行，顶板应力迅速集中，并且向深部围岩拓展，在顶板上方形成大面积的应力集中区，对比发现，围岩的两帮应力缓慢增加与两帮位移量相符，底板在开挖后期的应力变化量并不明显，因此在大断面工程中要注意顶板及两帮的维护。

图6 主应力云图

4 结束语

本文以贵州黔西南贞丰地区烂泥沟金矿巷道变形为研究对象，结合现场勘测资料和数值模拟软件，分析了该大断面巷道失稳机制和变形原理：根据现场勘察分析，该硐室围岩岩性十分软弱，易在开采扰动下，围岩的变形量随塑性区增大而增大；通过理论计算，可知该巷道的潜在变形区极大，特别是顶板的塑性区易持续拓展到深部岩体。该大断面巷道的水平应力较大，易在两帮和顶、底板上形成应力集中区域，与数值模拟软件反应的情况相符，在大断面巷道施工过程中，需要十分注意顶板及两帮的维护，必要时可以对顶板进行卸压措施。