对巷道变形、破坏及支护的探讨

1、对巷道变形、破坏及支护的探讨（甘肃省金昌市镍钴研究设计院矿山分院地勘室 7371000） 摘要：本文针对甘肃金川一矿区矿井下采用喷锚网联合支护的矮墙半圆拱断面巷道的变形、破坏特点，结合金川地应力状况，分析了矮墙半圆拱巷道的应力分布特点、变形、破坏原因，并提出相应措施，并取得了良好的效果。 关键词：矮墙半圆拱 变形 破坏 压力曲线 0、前言 1959年甘肃金川一区矿建矿以来，矿山经过了由露天开采转为地下开采的过程，其工程地质问题也相应地由露天边坡稳定问题转为地下硐室、巷道、采场的稳定性问题，例如：地下开挖过程中塌方、巷道支护变形破坏、地下采场稳定性等工程地质问题。矿区地质条件复杂、地应力较大，掘

2、进施工相当困难，巷道维护、返修量大，费用高，直接影响到生产成本，在这方面，以前做了大量的科研工作，基本上掌握了金川矿岩的变化规律，并在巷道掘进中采用了光面爆破、支护中采用了喷锚支护和先柔后刚的支护原理等，取得了先进成果，但是，并没有完全解决巷道服务年限与生产使用年限关系的问题，因此有必要进一步对巷道的变形、破坏、支护进行探讨，力求巷道服务年限与生产使用年限相互匹配。 1、 墙半圆巷道的变形与破坏 11采用矮墙半圆拱断面 我们知道，巷道的断面形状和地应力状态直接影响着巷道衬砌的受力状况及稳定性，就金川地应力而言，最理想的巷道断面形状应为横卧椭圆形，但是，椭圆形断面巷道施工比较困难，而且断面利用律

3、较低，所以金川一矿区一直没有采用该断面，考虑到断面利用率、施工和其它原因，甘肃金川一矿区井下巷道选用了矮墙半圆拱形断面，并沿用至今。 1 2墙半圆拱巷道的变形与破坏 121巷道被动支护的变形、破坏形式 被动支护主要指以前采用的混凝土预制块衬砌、木棚支护、现浇混凝土衬砌、U型钢支架等支护，其变形破坏有如下形式：1、侧墙内挤张裂，2、拱顶挤碎或剪断，3、有偏压力引起的不对称变形破坏，4、由顶压引起的变形破坏，5、底鼓，6、断层残余应力引起的支护变形破坏，以上六种形式多发生在不良岩层中，其引起的原因及防止措施有关文献1已有论述。122巷道主动支护的变形与破坏 主动支护是指龙首矿目前采用的喷锚网联合支

4、护。主动支护变形破坏的形式主要有：侧墙开裂、喷层掉块、底鼓、其中侧墙开裂表现为侧墙内挤喷层开裂、侧墙下部向上向内剪裂和侧墙上部向下向内剪裂，在龙首矿1385分段道，笔者发现该区段内巷道矮墙以上半圆拱的下端发生了破坏，并且都有一个共同的特点：下墙相对向上向内移动，连成一片（如右图），几乎占到了该段巷道长度的80%以上，这一现象引起了我们的注意，并对该巷道进行了长期的观察。 1385分段道位于甘肃金川一矿区17行-24行之间1385米水平处，整个分段道布置在616、620、622等采场的上盘超基性岩体中，其中19+20以西为贫矿体，以东为含二辉橄榄岩，两者接触为一条较小的破碎带， IV、V级结构面

5、发育，节理为5-6条/米，多方向发育，块状-碎裂构造，岩石抗压强度为89Mpa-102Mpa,因此，该段巷道的变形、破坏可不考虑不良地层（断层、膨胀性岩石，强度差异的岩体）的影响。地应力以水平应力为主导，方向为N400E，垂直矿体走向。巷道净垮4米，高3米（矮墙高为1米），断面形状为矮墙半圆拱，分段道长约260米，施工采用光面爆破，喷锚网联合支护，分二次施作，第一次初喷混凝土，然后打孔安装砂浆锚杆，顶板、侧墙一律使用18mm螺纹钢锚杆，长1.8m,间排距1.0米，支护总厚度为200mm(如图1-3)。 1.2.3 1385分段道的变形、破坏 它属于第岩带，围岩压力以形变地压为住，变形具有长期性

6、。1999年，我们曾对1385分段道的变形破坏进行调查结果列表如下： 表1-1 1385分段道变形、破坏统计表 项目 长度（米） 面积（米2） 百分比（%） 发生部位 围岩内挤、侧墙拉裂 21米 8.08% 侧墙 侧墙下部向上向下剪裂 211米 81.15% 多发生在腰线以上 侧墙上部向下向内剪裂 19米 7.35% 多发生在腰线以下 喷层掉块 98米2 4.55% 巷道顶板 底谷 54米 20.77% 航道底板在以上调查中发现，在同上断面内，侧墙壁下部向上向内剪裂与侧墙上部向内剪裂不共存。另外，在其它巷道变形破坏调查中发现，以上现象均有不同程度发生，其中以内侧墙下部向上向内剪裂最为普遍，不过

7、它们的变形破坏与1358分段道相比，还受到其它因素（如不良岩层等）的影响。以上调查说明，主动支护的变形破坏方式主要为侧墙下部向上向内剪裂。 2、对矮墙半圆拱巷道变形、破坏分析 2.1成巷前后能量转化与成巷后应力分布 2.1.1成巷前后能量转化 开挖前后能量守恒定律为：Wc+Um-Uc+Wr+Un+Wf其中Wc为整个有关岩体积内应力因为挖巷道所做的功；Um为该巷道开挖出那部分岩体释放出的应变能；Uc为非完全弹性介质中开挖巷道时围岩重新积累的弹性能；Wr为开挖巷道过程中的弹性能；Un为开挖巷道后损失部分非弹性能；Wf为支护结构所吸收的部分能量。通常，Wc、Um、及Wf为常数，因此，由上式可看出，开

8、挖巷道后能量除部分损失外转移到巷道围岩的支护结构中，围岩的支护结构的能量积累越大，变形应越大，支护结构越易破坏，同时要减少围岩和支护结构上的能量，就必须适当增大围岩变形以增大非弹性应变能的损失来实现。 2.1.2成巷后应力分布 有关有限元数值计算结果表明：围岩顶板和底版都是应力集中区，两帮应力都较小，且最大主应力出现在与原岩最小主应力方向一致的围岩帮壁，顶板平均应力约是侧帮应力的1.7-2.6倍。如矿区实测巷道围岩顶板、底版和两帮各六个单元的平均应力分别为52.75Mpa、44.11 Mpa和26.59 Mpa，顶板平均应力约为侧帮应力的1.98倍。图2-1是据有限元计算结果绘制的矮墙半圆拱断

9、面围岩应力分布图，由于压力曲线与巷道断面形状不一致，硐壁围岩的最大主应力方向与硐壁产生一定的夹角，由图2-1由看出，在巷道两帮腰线上下约0.4米处，最大主应力方向与巷道壁交角最大，因此，这两个部位易发生剪切破坏，且造成腰线以上的破坏形式为侧墙底部向上向内剪切破坏（如图1-1所示），腰线以下的破坏形式为侧墙上部向下向内剪切破坏。 2.2最大弯距的计算 我们知道，地下结构合理的结构形式应为拱的轴线与压力曲线相重合。就金川而言，合理的力学断面为平卧椭圆形，即采用合理的椭圆形断面，拱（支护）上的弯距与剪力达到最小，几乎为零，那么采用矮墙半圆拱断面拱（支护）上的弯距如何呢，这里给出以下简解，巷道断面长轴

10、远大于巷道断面，因此可简化为平面力学问题，巷道断面对称，可取其一半为分析对象，并建立如图2-2所示的坐标，其受力如图2-2所示： Rx+Rx- xdy=0 ydx-Ry=0 Rx(h+r)+Ryr- yxdx- xydy=0 上式为受力平衡方程，为弯距平衡方程，R为圆拱半径，h为矮墙高。在y=r时，分别求任意一点C(x,y)的弯距,把Rx代入后分别求导，并令M(C)=0得： 在该区段，实测主应力平均值分别为1=246Kg/cm2，2=159Kg/cm2， 3=97Kg/cm2，12=202Kg/cm2，其中1、2为近水平应力，3为近竖直方向应力，12为水平方向上平均应力。半圆拱半径为r=2米，

11、矮墙高为h=1米，把以上个值分别代入式得Rx=-303.2-433.7Kg、Rx=-238.3Kg、Ry=-194Kg,y=1.76米。由计算结果可知：顶板的轴向压力大于侧帮的轴向压力，其比值为1.89：1（有限元计算结果为1.98：1），轴向压力越大，越容易引起喷层发生张性破坏或压剪破坏，该区段内喷层多发生在顶板证明了这一点。弯距最大的部位也是围岩变形最大的部位，围岩变形量越大，喷层应力越大，喷层中的应力过大将导致围岩失稳，巷道破坏。 2.3巷道围岩变形测量 为了适应金川镍矿巷道长期观测2的特点，采用了武汉岩土专门研制的机械式多点位移计和机械式收敛计进行测量，各孔各点的最终相对变形如图2-3

12、所示，观测断面的表面位移平均速率如表2-1所示。由图2-3和表2-1结果可得出：侧帮位移较大，应力较小，顶板位移较小，而应力较大。表2-1 多点位移孔口测量结果孔号 观测值 U/Umax 0.5 0.6 0.7 0.8 0.85 0.90 1.00 左 U（mm） 13.27 15.92 18.58 21.23 22.56 23.89 26.54 T(day) 12 17 22 29 37 50 280 R(mm/d) 1.1 0.58 0.53 0.38 0.17 0.1 0.01 右 U（mm） 13.55 16.26 18.97 21.68 23.04 24.39 27.1 T(day)

13、 20 25 34 50 60 75 280 R(mm/d) 0.67 0.52 0.30 0.17 0.16 0.11 0.01 顶 U（mm） 6.77 8.46 10.16 11.85 13.54 14.39 15.24 16.93 T(day) 9 13 16 19 24 27 31 280 R(mm/d) 0.72 0.65 0.56 0.56 0.34 0.28 0.21 0.012.4围岩的变形特点 金川岩体开挖后变形发展过程基本一致，除了个别断面差异较大（地质条件差异引起）外，位移量都有相同的数量级。图2-4是围岩的一个典型变形曲线文献2，其变形可分为三个阶段：急剧变形阶段，减速变形阶段，稳定变形阶段。其中在45天前，变形量占到了变形总量的50-80%，变形速率大于0.3mm/天，属于第一阶段，100-140天前，变形总量的90%，变形速率下降，属于第二阶段，在此之后，变形速率降到0.012mm/天，以下属于第三阶段。岩体的变形有明显的流变特征，采用粘性-粘塑性的西源流变模型可较好的模拟围岩的塑性区和位移扩展过程。 3、 矮墙半圆拱巷道的支护 31现行与理论支护分析 3.1.1金川地应力大，围岩能量较大，