对金川矿区不良岩体水平巷道地压活动规律的几点认识

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.01.002 北京钢铁学院学报 1982年第4期 对金川矿区不良岩体水平巷道 地压活动规律的几点认识 采矿教研室方祖烈陈新万丁延棱路玉敏黎黄峰 摘 要 本文着重阐述了对金川矿区不良岩体平巷地压活动规律的几点看法。通过现场 调查，特别是根据较大量的现场围岩变形量测的资料，结合进行非线性YPZ-2程 序的有限元分析和室内模型试验。采用这些综合方法研究，得出如下规律：1.金川 矿区不良岩体具有明显的流变特征，如果支护得当，多数巷道地压基本属于稳定性 流变地压。2.金川二矿区I一I岩组喷锚网支护的双轨巷道围岩移动范围约为8~9 米，围岩松动图一般大于1.5米，小于2.5米。3.巷道围岩内出现两个压缩区，一个 膨胀区和一个松动区。压缩区对围岩起支撑作用，而松动区别为支护所抑制，从而 使巷道处于稳定状态。4.金川矿区岩体存在较大的水平构造应力，它对巷道地压活 动特点有重要影响：5.金川矿区在以绿泥石片岩为代表的膨胀性岩石中，在风干、 遇水后将产生不可忽视的膨胀压力。 最后，本文依据岩石力学原理从巷道布置、巷道形状，支护结构、支护施工程 序和排水疏干等方面扼要地提出了金川矿区不良岩体巷道地压控制的主要方法和措 施，强调采用监控法施工，使巷道维护既安全又经济。 金川矿区是我国主要的资源综合利用恭地之一，国家对该矿区建设极为重视。金川矿区 工程地质条件复杂，该矿区储量最大的二矿约有30%的巷道处于软弱、大变形的不良岩体 中，掘进这些巷道曾使用过多种形式的攴护均难以顺利通过，卷道围岩经常发生片帮、冒顶 和底鼓，支架经常遭受破坏。有的巷道前面掘、后面塌，掘进一段，返修一段，花费了大武 的人力、物力，严重地拖延了矿区全面投产的时间。因此，研究该矿区不良岩体中巷道地压 活动规律，寻求适应这规律的合理的地压控制方法，已成为金川矿区建设中技术关键问题之 一，也是国家科研的重点课题之-·。 一、不良岩体巷道地压活动的基本特征 金川矿区不这岩体的华本特性是：破碎软弱，整体强度低，变形人，稳定：龙，且部分 岩体有膨胀性，原岩体受有很大的水平地应力。通过对该矿区不良岩体中各种形状、各种支 护巷道的调查观察，巷道地压活动有如下特征： 1.一般巷道四周均来压，但其分布不均匀，侧压很大，·且有偏压。梯形木糊子，大多 数棚腿在底板上.0.5~1.2米处被折断，如图1所示。又如直墙拱形混腰土块支架变形破坏的 基本形式是：两边直墙外鼓，沿巷道轴向开裂，顶板挤压，造成剥落，断面呈桃形，在偏压 9

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 令 对金川矿区 不 良岩体水平巷道 地压活动规律的几点认识 。 采矿教研 室 方祖烈 陈新万 丁 延梭 路玉敏 蔡价峰 摘 要 本 文着重 阐述 了对金 川 矿 区不 良岩 体平巷 地压 活动规律 的几 点看 法 。 通 过 现 场 调 查 ， 特别是根据较大童 的现场 围岩 变形量 测 的资 料 ， 结合进行 非线性 一 程 序的有 限元 分 析和 室 内模型 试 验 。 采 用 这 些 综合方 法研 究 ， 得 出如 下规律 金川 矿 区不 良岩体具 有明显 的流 变特征 ， 如 果 支护得 当 ， 多数巷道 地压 墓本属于 稳定 性 流 变地压 。 金 力二 矿 区 ，一 岩 组 喷锚 网支护的双 轨巷道 围岩 移动范 围约为 米 ， 围岩松 动 圈一 般大于 米 ， 小于 米 。 巷道 围岩 内出现 两个压 缩 区 ， 一 个 膨胀 区和 一 个 松动 区 。 压 缩 区对 围奢 起 支撑作 用 ， 而 松 动 区别为 支护所 抑制 ， 从 而 使巷道 处于稳 定 状态 。 金川矿 区岩 体存在较 大 的水平 构 造应 力 ， 它对巷道 地压 活 动特 点有重 要 攀响 金 川矿 区在 以绿 泥 石 片岩 为代 表的膨服 性岩石 中 ， 在风 干 、 遇 水后 将产 生不 可 忽视 的膨胀 压 力 。 最后 ， 本 文位 据署 石 力学原 理从 巷道 布 置 、 巷道 形 状 ， 支 护结构 、 支 护施工 程 序和排水 疏 干 等方 面扼 要 地提 出 了金 川矿 区不 良岩 体巷道地压 控 制的主要方法 和 措 施 ， 强调 采 用 监 控法 施 工 ， 使巷道 维 护既 安全 又 经 济 。 金川矿 区是 我 国 主要 的 资源综 合利 用 基地 之一 ， 国家对该矿 区建设 极为重视 。 金川矿 区 工程 地质 条件复杂 ， 该矿 区储量最大 的 二矿 约有 的巷道 处于软弱 、 大 变形 的 不 良岩 体 户 ， 掘 进这些巷道 曾使用 过 多种 形 式 的 支护 均难 以顺利通 过 ， 巷道 围岩经 常发生 片 帮 、 胃顶 和底鼓 ， 支 架经 常遭受 破坏 。 有 的巷道前面掘 、 后面塌 ， 掘进一段 ， 返修 一段 ， 花费了大最 扣人力 、 物力 ， 严 一 杠地拖 延 了矿 区全面 投 产 的 时 间 。 因此 ， 研究 该矿 区 不 良岩体 中巷道地压 活动规律 ， 寻求适 应这规律的 合理 的地 压 控 制方 法 ， 已成 为金川矿 区建设 中技术关键问题 之 一 ， 也是 国家科研 的 重 点课 题 之一 。 不 良岩体 巷道地压 活 动的基本 特征 金川 矿区 不 良岩体 的 忧术特性 是 破碎 软弱 ， 整体强度低 ， 变形 大 ， 稳 定性 签 ， 月 部分 岩体有膨 胀性 ， 原 岩 体受 有很 大的 水 平地 应力 。 通过 对该矿 区 不 良释体 中各种形状 、 各种 支 护巷道 的 凋查观察 ， 巷道地 压 活 动有如 下特征 一 般巷道 四 周 均来 压 ， 但 其分布 不 均匀 ， 侧 压 很 大 ， ‘ 且有 偏压 。 梯 形 木棚 子 ， 大 多 数棚腿 在底 板 上 米处被 折 断 ， 如 图 所示 。 又如 直墙拱形 混凝土块 支架变形破坏的 声本形 式是 七 两边 一 直墙 外 鼓 ， 沿巷道轴 向开 裂 ， 顶 板挤 压 ， 造成剥落 ， 断面 呈桃形 ， 在偏压 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．04．002

图1木支架棚腿拆断 图2混凝土块支架成偏桃形破坏 作用下呈偏桃形，如图2所示。 2.如果巷道不封底，则底鼓是一种普遍 现象，表现为轨道凸起，水沟变形破坏，严重 时底板开裂，如图3所示。 3.地质构造复杂的局部地区顶板冒落、 塌方严重，官落高度2~3米到十几米不等。据 统计：发生在断层破碎带、接触破碎带的塌方 占85%。节理、片理密集带的塌方占10%。共 规模主要受结构面和结构体控制。 二、不良岩体巷道地压 活动的基本规律 在调查了解巷道地压活动特点的基础上， 我们和矿山同志一起进行了较大量的现场围岩 图3底鼓严重 变形量测，以便掌握实际围岩活动状态，对支护效果和围岩稳定性作出正确判断。我们进行 了室内模型试验，以便了解地压活动的总体特征。此外，还使用综合非线性YPZ-2程序进 行了有限元理论分析。获得了对其地压活动规律的如下一些认识。 1.金川矿区不良岩体具有明显的流变特征，大多数巷道地压基本属于稳定性流变地 压。 我们在二矿区1150中段喷锚网支护巷道进行实测得到的围岩变形特性曲线如图4、5所 示。室内模型试验得到的围岩变形特性曲线如图6所示。从这些曲线看：围岩变形在前期随 时间增长而迅速增大，但变形速率则随时间增长而逐渐降低，到一定时间后开始趋向稳定。 变形大体经历急剧增长、缓慢增长和趋向稳定三个阶段，呈现出明显的稳定流变地压性质。 稳定流变的卷道围岩位移一时间曲线的数学表达式经过非线性回归可写为 u=a。(1-e-a:') 式中：“一围岩位移量，t一位移的时间，e一自然对数的底， a。,a1一计算常数，可根据实测数据求得。 10

图 未 支架栩腿 拆 断 作用 下呈偏桃形 ， 如图 所示 。 如果巷道 不封底 ， 则底鼓 是一种普遍 现象 ， 表现为轨道 凸起 ， 水 沟 变形 破坏 ， 严 重 时底 板开裂 ， 如图 所示 。 地 质 构造复杂 的局部地 区顶 板冒落 、 塌方严 重 ， 冒落高度 米到 十几 米不 等 。 据 统计 发生 在断层 破碎带 、 接触破碎带 的塌 方 占 。 节理 、 片理 密集带 的塌方 占 。 其 规模 主 要受 结 构面 和 结构体控 制 。 图 混凝 土 块 支架成偏桃形破坏 二 、 不 良岩体 巷道地压 活 动的基本规 律 在 调 查 了解巷道地压 活 动特点 的 基础 上 ， 我们和矿 山 同志一起进 行 了较大量 的现场 围岩 图 底 鼓严重 变形量 测 ， 以便掌握实际 围岩活动状态 ， 对 支护 效果 和 围岩稳定性作出正 确判断 。 我们 进 行 了室 内模 型试验 ， 以便 了解地压 活 动的 总体特征 。 此外 ， 还使 用综 合 非线性 一 程序进 行 了有 限元 理 论分析 。 获得 了对其地压 活 动规律 的如 下一些 认识 。 金川矿 区不 良岩体具有 明显 的 流变特征 ， 大 多数巷道 地 压 基 本属 于稳定 性 流变地 压 。 我们 在二矿 区 中段喷 锚网 支护巷道进 行实测得 到的 围岩变形 特性 曲线如 图 、 所 示 。 室 内模 型试验得 到 的 围岩变形特性 曲线如图 所示 。 从这些 曲线看 围岩 变形 在前期 随 时间增 长 而迅速增大 ， 但 变形 速率则 随 时间增长 而逐 渐 降低 ， 到 一 定 时 间后开 始趋 向稳 定 。 变形大 体经历急剧 增 长 、 缓 慢增 长和趋 向稳定 三个阶段 ， 呈 现 出 明显 的稳 定 流 变地压性 质 。 稳定 流 变的巷道 围岩位移 － 时 间曲线 的数 学 表达 式经 过 非线性 回归可 写为 二 。 一 一 ’ 式 中 － 围岩位移量 ， － 位移 的 时间， － 自然对数 的底 。 ， － 计 算常数 ， 可 根据 实 测数据求得

15 3兰孔 号几 20 观漏时问 23293B013192718 z736222730161A1821282925815182 222771i25十815221927 101 71 12片 1月 2月31 八 月 1979 1980年 图4第一观测断面多点位移计围岩位移一一时间曲线 3号孔 }号孔 20 2孔 渊天散 117前脑立前5拉十一一22261有2脑广8方空广内2玄 2 w173r 2月 3月 月 1980 图5第二观测断面围岩表面位移一时间曲线 11

兮 孔 兮 于 刚哪脚叫琳科﹁’月月叫洲州川司 湘目书刹旧协训︵半御 粥湘阿旧协召︶洲脚琳八

应指出：图4、5围岩变形曲线是在 移 较适宜的支护条件下取得的。无支护或 5.0 G6.0公斤/愿米 支护不价当时，周岩变形会不惭发展，极 米4.0 B 5.0公斤/画米 易转变为散体地压。因此，恰当地控制围 岩变形最是金川不良岩体巷道维护的一个 3.0 4.0公斤/厘米2 关键问题。 2.0 2.闱岩移动范围大约为8~9米，围 岩松动圈尺寸一般大于1.5米，小于2.5 米。 1020300506动70时间 巷道开挖引起的围岩位移范围、松动 小时 圈的大小及其发展趋势是衡量围岩稳定程 图6巷道围岩水平方向位移一时间关系 度，评定支护效果，估算地压大小的重要指标。据BM-1型多点位移计实测：金川二矿区I ~I岩组喷锚网支护的双轨巷道围岩移动范围约为8~9米，即相当于巷道掘进断面最大尺寸的 1.33~1.5倍，如图7所示。该移动范围初步分析包活：弹性恢复、空间效应、塑性变形、 结构面错动、围岩蠕变、围岩吸水后的膨胀变形以及松动圈围岩向巷道内移等。 包华范圆 8M 传动国上限龙■ ① M 松动国下限范■ 上斜 5M .8M 12 9M 6M4.5M2.5M.5M 2.5M4.5M 9M 12M 3mm 24mm 22mm 24mm 钢尺折断 1孔 38mm 33mm 南东帮水平孔 48mm 2号孔 55mm 是西前上斜孔 84mm 142mm 图7巷道围岩变形分区示意图 从图7还可见：周岩表面至2.5米处位移值一般较大，位移量参差不齐，而大于2.5米以 后，围岩位移量显著减小这二者的差别反映了2.5米以后围岩是整体性连续移动，卡要由用 岩塑性变形、流变所引起的，2,5米以前的位移是松动岩石向巷道空间的移动。同时参照返 修巷道掉落碎石的高度和过去金川矿所作的声波测定数值，我们把围岩松动圈一般定为1,5 米至2.5米。 12

应 指出 图 、 围岩 变形 曲线是 在 较适 宜 的 支护 条件下取 得 的 。 当无 支护 或 支护 不恰 当时 ， 岩 变形 会不 断 发 展 ， 极 易 转 变为散体地压 。 因此 ， 恰 当地 控 制 围 岩变形 量 是 全川 一 不良岩 体巷道 维护 的一 个 关键 问题 。 阁岩 咚动 范围大 约为 米 ， 围 岩松动圈尺 寸一 般大 于 米 ， 小 于 米 。 巷道开挖 引起的 围岩位移 范围 、 松 动 圈 的大小 及其发展趋势是 衡量 围岩稳定 程 毫 米 。 公斤 且米 。 公斤 厦米 时间 小时 图 巷道 围岩水 平 方 向位 移一 时间关 系 度 ， 评定 支护 效果 ， 估 算地压大小的 重要 指标 。 据 一 型 多点位移计实测 金川二矿 区 一 岩 组喷 锚网 支护 的双 轨巷道围岩移 动 范围 约为 米 ， 即相 当于巷道掘进 断面最 大尺 寸的 倍 ， 如 图 所示 。 该移 动 范围 初步分析包括 弹性恢 复 、 空间效应 、 塑性变形 、 结 构面错动 、 围岩蠕变 、 围岩 吸 水后 的膨胀变形 以 及松动圈 围岩 向巷道 内移等 。 沈 犷 衬 ‘ 尸尸尸 」 、 图 巷道 围岩 变形分 区示 意 图 从 图 还 可 见 闹岩 表面 至 米处位 移值一 般较 大 ， 位移 最 参差 不齐 ， 而 大于 米 以 后 ， 围岩位移量 显著减小这 二 者 的 差 别反映 了 米 以 后 围岩 是 整体性 连 续移 动 ， 主 要 由围 岩塑性 变形 、 流 变所 弓起 的 米 以 前的位移是松 动岩石 向巷道 空 间的移 动 。 同 时参照 返 修巷道 掉落碎石的 高度和 过 去 金川 矿所作的声 波测定 数 值 ， 我们把围 岩松 动圈一 般定 为 米至 米

3.在巷道周围12米的围岩内出现两个压缩区（即9~12米压缩区和2.5米~6米压缩 区)和一个膨胀区（即6~9米）、一个松动区（即0~2.5米范围）。压缩区对围岩起支撑作 用，而0~2.5米松动区主要为喷锚网支护作用所抑制，从而使巷道处于稳定状态。 根据BM-1型多点位移计实测资料整理得出表1，表2 表1 金川二矿区1150中段第一观测断面1号孔观测资料整理表 累计 各点相对于1点(12米点)的位移值(mm) 移位. 序 时 值 2点 3点 4点 5点 6点 表面点 间 (mm) 号 (天) (9.0米点) (6.0米点) (4.5米点) (2.5米点) (1.5米点) (0米点) T 10 17 7 6 6 G 10 Ta 30 11 8 8 -7 6 20 60 7 0 0 -2 -1 56 T 90 -2 21 21 19 31 71 110 -4 18 18 18 33 74 表2 各测点相对位移及应变计算表 区段 (12米-9米) 9米-6米 6米-4.5米 4.5米-2.5米2.5米-1.5米 1.5米-0 应 两 应 应 两 应 应 两 应 应 时 变 变 点位 变 点位 变 点 变 变 变 序 点位 点位 间 值 值 值 值 值 值 值 差 (mm)0.00 差 移差 号 (0.001) mm)0.001) (0.001) 差 (0.001) 差 《0.001) (mm) mm) (mm mm) 10 17 5.66 -7 -2.33 -2 -1 -0.5 0 0 2.66 Tr 30 11 3.66 一4 -1.33 1 0.66 -15 -7.5 13 13 14 9.33 T 60 -7 2.33 12 -5 -3.33 -2 -1 1 57 38 T 90 -2 -0.66 25 8.33 -2 -1.33 -2 -1 12 12 40 26.6 Ts 110 -1.33 25 8.33 -3 0 15 15 41 27.33 按表1、表2数据绘出图8。 如图8所示：围岩9-12米由最初膨胀状态逐渐转为后期压缩状态。这种压缩状态的围岩 对12米以外岩体起着支掌作用，并保护了里层围岩稳定。围岩内部6~9米范围内围岩由初期 压缩状态转为后期膨胀状态，其应变值稳定在0.008左右。围岩内部2.5~6米基术是压缩状 态，实际上它对6~9米膨胀区围岩起到支撑作用。而围岩表面到2.5米范围内，膨胀值达到 最大，处于松动圈范围。围岩表面位移致主要是由这部分围岩内移产生的。 4.金川矿区存在着较大的水平方向的构造应力，它对巷道地压的特点和地压值的大小 13

在巷道周 围 米 的 围岩 内出现 两个 压缩 区 即 一 米压 缩 区和 米 米压缩 区 和 一个膨 胀 区 即 米 、 一 个松动 区 即。 米范围 。 压 缩区 对 围岩起 支撑作 用 ， 而。 米松 动 区主要 为喷 锚 网 支护 作用所抑 制 ， 从而 使巷道 处于稳 定状 态 。 根据 一 犁 多点位 移计 实 测 资料整理得 出表 ， 表 表 金 川二矿 区 中段 第一 观 测断面 号孔 观测 资料整理表 累计 … 各点相 对于 点 米 点 的应移 值 称位 一 一 ， 一 不 一 一 一不 － 一下 一 一 序 － ’ ” 值 点 点 点 点 点 「 表面 点 酬 号 ‘ ’ “ 天， ‘ · 咪 ， 点’ ‘ · 。 米 · 点’ “ · 米 ， 点’ ‘ · 米点， “ · ， 半竺 竺兰翌 】 。 ， 一 ， 一 一 一 ‘ 一 ” ” “ ‘ ’ ‘ 表 各测点相对位移及应变计算表 又卜 区段 米一。 米 。 米一 米 米一 米 。 米一 。 米 。 米一 。 米 ， 米一。 应 两 应 卜两 应 两 应 两 应 两 应 两 应 时 亦 点 ， 点 ， 点 ， 点 ， 点 ， 点 ， ， 变人 撰 变 撰 变 公 变 淤 变 汉 变 淤 变 位 风 位 又 位 又 位 又 位 又 位 又 “ 值 移 值 移 值 移 值 移 值 移 值 移 值 八 早 差 ，。 。 。 ， 、 差 ，。 八 。 ， 、 差 ，。 。 八 ， 、 差 ，。 八 。 ， 、 差 ，八 。 。 ， 、 差 ，。 。 。 ，、 号 态 ‘赢 ，。 · ‘，‘赢，一‘ · ” ” ” 赢 ‘。 · ” “ ‘，赢 。 · 。 ” ” 赢 ‘。 · ” 。 ” 赢 。 · 。 。 ‘， 可 矿万 … … 一 … 一 … 一 … 一 … 一 … 一 阿 一 州二 一 … 一 赢 “ … · 一‘ 一 ‘ · ‘ 。 · 卜 ‘ 一 了 · ‘ ， ‘ “ ” · ’ 】 一 一 · ‘ ‘ 一 一 · 一 州 ’ ‘ … ‘ 。 一 一。 · … ‘ · 一 一 ， · 一 ‘ 州 ’ … ’ ‘ 。 ‘ · 。 ， … 一 一 ‘ · “ …“ · ” 、 一 一 ” “ … …‘ 了，‘ · ” 按表 、 表 数 据 绘 出 图 。 如 图 所示 围岩 一 米 由最 初膨 胀状 态逐渐 转 为后 期压 缩状 态 。 这 种压 缩状 态 的 围岩 对 米 以外岩 体起 着 支律 作用 ， 并 保护 了里 层围岩稳 定 。 围岩内部 米范围 内围 岩 由初期 压 缩状 态 转为后 期膨胀状 态 ， 其 应 变值稳 定在 左右 。 围 岩 内部 米摧木是压缩状 态 ， 实 际 上它 对 米膨 胀 区 围岩起 到 支撑 作用 。 而 围岩 表面 到 米 范围 内 ， 膨 胀 值 达 到 最大 ， 处于松 动圈 范围 。 围岩 表面 位移 量 主要 是 由这部分 围岩 内移产生 的 。 金川 矿 区存在 着较 大的 水 平方 向的 构造应力 ， 它 对巷道地 压 的特点和 地压 值 的 大 小