采动影响下多构造拉底巷道稳定性控制技术研究.pdf
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1、 年第 期 第 卷黄金 矿 业 工 程 采动影响下多构造拉底巷道稳定性控制技术研究收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金重点项目();中国博士后科学基金资助项目()作者简介:王少勇(),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;:王少勇,曾庆田,武鹏杰,李争荣,孙伟,朱霆(北京科技大学土木与资源工程学院;云南迪庆有色金属有限责任公司;昆明理工大学国土资源工程学院;金诚信矿业管理股份有限公司)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
2、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,巷道返修率由 降低至,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:文章编号:()文献标志码:引言普朗铜矿位于
3、云南省迪庆藏族自治州境内,矿区标高 ,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 万 ,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 。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 。此外,
4、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 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 和李争荣等 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 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
5、,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。开采技术条件 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 。崩落过程中拉底区域应力集中高达 ,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 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。多构造普朗铜矿存在 条规
6、模较大的断层,将首采区分割为 块。断层附近的岩体非常破碎,特别是断层 矿 业 工 程黄金交会区,岩体愈发破碎且无自承能力。断层分布见图 ,主要断层特性见表 。图 普朗铜矿首采区断层分布三维模型表 首采区主要断层特性断层编号产状断层断层编号产状走向倾向倾角()断层性质控制规模断层充填物期次 正 围岩碎屑和围岩角砾,黑色断层泥,石英、碳酸盐等早 张扭性 碳酸盐物质、围岩碎块(屑)及断层泥晚 碳酸盐物质、围岩碎屑及少量断层泥晚 逆 碳酸盐物质、断层泥及少量围岩碎屑充填被 与 错断 逆 碳酸盐物质、石英、断层泥及少量围岩碎块(屑)被 与 错断 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
7、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 准则得到断层区工程岩体力学参数,见表 。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。表 断层区工程岩体力学参数容重()体积模量 剪切模量 抗压强度 抗拉强度 内聚力 内摩擦角()采动影响下多构造拉底巷道破坏机制 断层活化滑移机理分析 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 ,见图 。国内外
8、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 。图 极限平衡断层受力示意图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()和式()。年第 期 第 卷矿 业 工 程 ()()()()式中:为第一极限平衡状态对应的
9、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;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;为断层内聚力();为断层在采动影响下垂直于单位厚度岩层轴向的应力();为断层内摩擦角();为裂隙流体压力()。由此可得:断层在采动应力影响下,当系统的应力比 (,)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:或 ()断层参数对巷道稳定性的影响)断层倾角。断层剪切错动方位角()是系统处于极限
10、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(),二者是断层的固有属性。()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 。由表 可知: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;、断层也存在较大活化倾向性。普朗铜矿 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
11、巷道围岩破坏。表 首采区断层倾角与断层剪切错动方位角关系断层编号断层倾角()断层内摩擦角()断层剪切错动方位角()差值()内聚力。将式()和式()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 ,则有 ,而 。随着断层面内聚力的增加,减小而 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 ,爆破前后结构面的内聚力可降低 ,爆破后断层内聚力为 。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。)裂隙流体压力。将式()和式()分别对裂隙流体压力一阶求导得:()()()()显然有 而 ,根据函数增减判别准则,随着裂隙流体压
12、力的增加,变大而 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 ,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。)地应力。将式()和式()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。)断层内摩擦角。将式()和式()分别对断层内摩擦角一阶求导得:()()()(
13、)()()()()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 ,爆破前后结构面的内摩擦角可 矿 业 工 程黄金降低 ,爆破后断层岩体内摩擦角为 。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。围岩弱层失稳破坏行为自然崩落采矿法开采步骤包括:出矿穿脉、拉底巷道掘进;出矿进路掘进;中深孔拉底爆破;聚矿槽爆破。本文利用 软件对前进式拉底中的 个核心工艺进行模拟,分析开采过程围岩弱层的应力变化。)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 。图 出矿及拉底巷道掘进阶段主应力分布由图 可知:随着拉底巷道及出矿穿脉的
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