D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.01.017 北京钥铁学院学报 1984年第1期 金川二矿区不良岩层巷道地压活动 规律及控制方法的研究 采矿教研宝金川科研组 金川井巷公司科研所 (执笔:方祖烈) 摘 要 本文从理论和实践的结合上阐述了不良岩层巷道维护问题。其要点是:①找 出了1978年以前金川在不良岩层中采用多种支护型式都难以维护的根本原因是: 把流变体围岩稳定问题视为单纯的传统支护结构问题,②确定了不良岩层的基本 属性为易发展为松散体的流变体,从理论上阚明了不良岩层巷道必须分次支护的 理由,③查明了不良岩层巷道地压类型,以流变体变形地压为主,④总结了地压 活动基本规律,分析了在围岩纵深12米范围内,最终出现的二个压密区、一个松 驰区、一个松动区,压密区实际上是承载环,在围岩稳定过程中起着关健作用, 从理论上解释了金川不良岩层巷道围岩稳定过程影⑤采用了信息化设计一现场 监控设计法,⑥提出了金川不良岩层巷道支护原理和设计方法,即根据岩层不同 属性,不同地压来源,从分析地压活动规律入手,运用信息化设计法,使支护特 性和施工工艺过程不断适应围岩变形的活动状态,以达到抑制围岩变形、维护巷 道稳定的目的。 前 言 金川二矿区约有25%的基建巷道处于不良岩层中,其工程地质条件复杂,岩体破碎软 弱,地压大,巷道维护十分困难,导致了前面掘进、后面返修达14年之久,使二矿区长期 不能投产。因此,研究不良岩层中巷道地压活动规律,以便有科学根据地采取相应的控制 方法,使巷道少返修或不返修,已成为金川二矿区建设中急待解决的技术关键问题之一。 也是国家重点科研项目“一“金川资源综合利用”的关键课题之一。 为了进行上述研究工作,首先我们对不良岩层巷道各种断面形状和各种支护方式地压 是现特征作了全面调查,接着开展了大量现场量测,在1150、1250、1300中段安装了BM-1 型机械式多点位移计和断面收敛测点,对围岩不同深度的位移值和巷道表面收敛值进行长 期观测,四年来,共获得了三万多个观测数据,与此同时还结合进行了室内试验和理论计算
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 策 期 金川二矿区不良岩层巷道地压活动 规律及控制方法的研究 采矿教研 室金 川科研 组 金 川井巷会 司科研 所 执 笔 方祖 狱 摘 要 本文 从理论 和实践的结合上阐述 了不 良岩层巷道 维护间题 。 其要点是 ①找 出 了 年以前金川在不 良岩层 中采用多种支护型式都难以维护的根本原 因是 把流变体 围岩稳定问题视为单纯 的传统 支护结构问题 ②确定了不 良岩层 的基木 属性为易发展为松散体的流变体 , 从理论 上 阐明 了不 良岩层巷道必须分次支护的 理 由, ⑧查明了不 良岩层巷道地压类型 , 以流 变体变形地压为主 , ④总结了地压 活动基本规律 , 分析了在围岩纵深 米范 围内 , 最 终出现 的二个压密区 、 一个松 驰 区 、 一 个松动区 , 压密区实际上是承载环 , 在 围岩稳定过程中起着关键作用 , 从理论上解释 了金川不 良岩层巷 道 围岩稳定过程, 采用了信息化设计二二‘ 现场 监控设计法, ⑥提出了金川不 良岩层巷 道 支护原理 和设计方法 , 即根据岩层不 同 属 性 , 不 同地压来源 , 从分析地压 活 动规律入 手 , 运 用信息化设计法 , 使支护特 性 和施工工艺过程 不 断适应 围岩变形的活 动状态 , 以达到抑制围岩变形 、 维护巷 道 稳定的 目的 。 卜 一 箭’翎嘴 吉尸 金川二 矿 区约有 的基建巷道处于不 良岩层 中 , 其工程地质条件复杂 , 岩体破碎软 弱 , 地压大 , 巷道维护十分 困难 , 导致了前面掘进 、 后 面返修达 年之久 , 使二 矿 区 长期 不能投产 。 因此 , 研究不 良岩层 中巷道地 压 活动规律 , 以便有科学根据地采取相应 的控制 方法 , 使巷道少返修或不返修 , 已成为金川二 矿区建设 中急待解决的技术关键问题之 一 。 也是国家重点科研项 目一 “ 金 资源综合利 用 ” 的关键课题之一 。 为 了进行上述研究工作 , 首先我们对不 良岩层巷 道 各种断面形状和各种支护方式地压 显现 特征作了全面调查 , 接着开展 了大量现场量测 , 在 、 。 、 中段安 装了 一 型机械式多点位移什和 断面 收敛测 点 , 对 围岩不 同深度的位移值和巷道表面收敛值进行长 期观测 。 四 年来 , 共获得 了三万 多个观测 数据 , 与此 同时还 结合进行了室内试验 和理 论计算 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1984.01.017
分析,初步掌握了二矿区不良岩层巷道的地压活动规律,摸索出一·套新的支护方法,为较 好地控制二矿区巷道地压,保证二矿区顺利投产做出了贡献。 一、工程地质概况 金川矿区位于祁连山一一吕梁山一贺兰山形成的山字形构造的前弧西翼。大地构造 学划分在阿拉善边缘隆起带,即龙首山隆起带。控制矿区的F1大断裂和河西走廊F2大断 裂南北对应,造成龙首山上升,两侧下沉。北侧为潮水拗陷,南侧为河西走廊拗陷。矿床 赋存于F1的次级低序次断裂构造中。 二矿区是金川四个矿区中最大的一个矿区。岩层走向北西,倾向南西,圣单斜层状构 造。吕梁运动开始就形成了一套北西50°一60°的构造体系,以后虽然有新构造体系,但老 构造体系一直占主导地位。日梁运动奠定了矿区的构造骨骼,以后多次构造运动及频繁的 7,08 4.72 署 14.19 16.57 云母 10.11 25.99 图(1)1250中段绿泥石片岩X射线衍射图
分析 , 初步掌握 了二 矿 区不 良岩层巷道 的地压 活动规律 , 摸索出一 套新的支护方法 , 为较 好地控制二 矿 区巷道地压 , 保证二 矿区 顺利投产做出了贡献 。 工 程地质概况 金川矿 区位 于祁连 山- 吕梁 山一 贺兰 山形成 的山字形构造的前弧西翼 。 大地构造 学划分在阿拉善边缘隆起带 , 即龙首山隆起带 。 控制矿区 的 大断裂和河 西走 廊 大 断 裂南北对应 , 造成龙首山上升 , 两 侧下 沉 。 北侧为潮水拗 陷 , 南侧为河西 走廊拗 陷 。 矿床 赋存于 的次级低序次断裂构造 中 。 二 矿 区是金川 四个矿 区 中最大的一个矿 区 。 岩层走向北西 , 倾向南西 , 呈单斜层状构 造 。 吕梁运动开始就形成 了一套北西 。 一 。 的构造体系 , 以后 虽然有新构造体系 , 但老 构造体系一直 占主 导地 位 。 吕梁 运 动奠定了矿区 的构造骨骼 , 以后多次构造运 动及 频繁的 舟民﹄ 绿泥石 才 图 、段绿 泥 石片 岩 射线衍射 图
岩浆侵入,使古老的变质岩支离破碎。第四纪以来构造运动也极为强烈,使工程地质条件 变得更加复杂。与矿区有密切关系的“F,”断层,走向为北西50°一70°,倾向南西,长 170公里,离超基性岩体为600一1100米。矿区另一主要断层“F16”位于“℉:”与矿体之 间,长3.8公里,由石墨片岩、云母石英片岩等组成,在井巷施工中多次揭露,对井巷工 程形响很大。 按照中国科学院地质研究所等单位的分类,不良岩层主要是指混合岩带和片岩、片麻 岩带散体结构的“F,”断层压碎岩组、“F1”断层带破碎岩组以及层状结构和层状碎裂 结构的多种岩浆频繁穿插的中薄层大理岩岩组,还有一些岩层的接触带,矿体与围岩接触 带以及部分贫矿等。 我们对不良岩层中具有代表性的绿泥石片岩和石墨片岩进行了分析。由X射线衍射谱 测定可知:1250中段底盘沿脉绿泥石片岩主要成分为绿泥石、蒙脱石、云母等,其中蒙脱 石含量大约为20%,其x射线衍射图谱如图1所示。 这种岩石对水敏感,据比表面积分类属亲水岩种,当风干后再遇水就迅速崩解,完全 失去承载能力。 该岩石膨胀性能强,根据膨胀性能测定,最大膨胀率为3.45%(在风干含水量为1.55% 条件下),其垂直面膨胀力为1.03公斤/厘米2。因此,防止风干脱水和防潮是防止这类围 岩强度软化的前提条件。 山x射线衍射谱测定:1150中段石墨片岩主要成分为绿泥石、皂石、石英、云母等。 其x射线衍射图谱如图2所示。按比表面积大小的岩种分类,石墨片岩属弱亲水性,有微膨 胀。 泵 3.34 绿记石 绿泥石 7.1 绿 石 母 石 18.3 10 14.2 4.26 4.76 图21150中段石墨片岩X射线衍射图谐 绿泥石片岩和石墨片岩岩性上的基本特征是:破碎软弱,容重小,层理、节理裂隙发 育,孔隙率大,总体强度低,稳定性差。围岩在无支护条件下相对稳定时间很短(一般只 有儿小时),而且稳定面积很小。 二、地压显现的特征 一矿区个水平巷道由于地应力不同,周岩力学性质和岩体结构上差异,其支护受力督 3
, , 岩浆侵入 , 使古老的变质岩支离破碎 。 第四 纪 以来构造 运动也极为强 烈 , 使工程地质条件 变褂更加复杂 。 与 矿 区有密切关系的 “ ” 断层 , 走 向为北西 。 一 。 , 倾 向 南 西 , 长 公里 , 离超基性岩体为 一 米 。 矿 区另一 主要 断层 “ 。 ” 位于 “ ” 与矿体之 间 , 长 公里 , 由石 墨片岩 、 云母石英片岩等组成 , 在井巷施工 中多次揭 露 , 对 井巷 工 程影响很大 。 按照 中国科学院地质研究所等单位的分 类 , 不 良岩层主要是指混合岩带和片岩 、 片麻 岩带散体结构的 “ ” 断层压碎岩组 、 “ ,。 ” 断层带破碎岩组 以及层状结构和层状碎裂 结构的多种岩浆频繁穿插的中薄层大理岩岩组 , 还有一 些岩层的接触带 , 矿体与围岩接触 带以及部分贫矿等 。 我们对不 良岩层 中具有代表性的绿泥石片岩和石墨片岩进行了分析 。 由 射线衍 射谱 测定可知 中段底盘沿脉绿泥石片岩主要成分为绿泥石 、 蒙脱石 、 云母等 , 其中蒙脱 石 含量大约为 , 其 射线衍射图谱如图 所示 。 这种岩石对水敏感 , 据 比表面积分类属亲水岩种 , 当风千后再遇水就迅速崩解 , 完全 失去承载能力 。 该岩石膨胀性能强 ,根据膨胀性能测 定 ,最大膨胀率为 。 在风干 含水量 为 条件下 , 其垂 直面膨胀力为 公 斤 厘 米 “ 。 因此 , 防止风千脱水和防潮是防止 这类围 岩强度 软化的前提条件 。 由 射线衍射谱测定 中段石 墨 片岩主要成分为绿泥石 、 皂石 、 石英 、 云 母 等 。 其 射线衍射图谱如图 所示 。 按 比 表面 积大小的岩种分类 , 石 墨片岩属弱亲水性 , 有微膨 胀 。 石 英 从 图 。 中段石墨片岩 射线衍射图谱 绿泥石片岩和石 墨片岩岩性上的基本特征是 破碎软弱 , 容重小 , 层理 、 节理 裂隙发 育 , 孔隙率大 , 总体强度低 , 稳定性差 。 围岩在无 支护条件下相对稳定时间很短 一般只 有几小时 , 而且 稳定而积很小 。 二 、 地压 显现的特征 二 矿 夙 各水平巷 道 由于 地应 力不 同 , 围岩力学性质 和岩体结构上 差异 , 其支护受力情
况是复杂的。经调查统计,各种断面形状和各种不同的支护方式,其地压显现特征是: 1,以侧压为主时,其破坏形态是: 直墙拱形预制块和整体浇注混凝土支架为直墙内鼓,普遍产生纵向张裂缝,拱顶成尖 顶形,支架脱皮剥落,有钢筋时,钢筋裸露压弯。巷道断面呈桃形。 U型钢金属支架:在周围压力呈均匀分布时,一般呈均匀压缩,当侧偏压较大时,则 一侧变形大,有时也出现U型钢压弯或立柱内移等。 梯形木橱子支架:侧压大时,大多数棚腿在底板上0.5一1.2米处被折断。如果棚子 密,木所较好,则产生棚腿内移,呈倒梯形。 2,在局部地区以顶压为主或侧压顶压大小相近时,则剪切楔形体形成和发展大多在拱 腰处,因此一般拱腰破坏严重。在用木糊支架时多数为顶梁压断,用U型钢支架时,则出 现立柱下陷,整体支架下移等。 3.如果巷道不封底,底鼓是普遍现象。 4.局部地区由于支护和施工方案不当,顶板冒落、塌方严重。如1150中段联络道和 1250中段底盘运输道,在施工时,因冒顶塌方,整个巷道堵死。 据统计,冒顶塌方高度有2一3米至10几米不等。从地质构造条件看,发生在断层破碎 带、接触破碎带的塌方占85%,节理、片理密集带塌方占10%,其余为强烈蚀变带等。塌 方规模主要受岩体结构控制。 造成围岩和支护变形、破坏的自然因素是:工程地质条件差,这是构成矿区地压活动 频繁刷烈的前提,表现在岩性差,明显地“软、滑、碎”。另外矿区还处于活动性构造体 系内,结构面发育,已编号的断层就有150多条,北西向的构造体系控制着矿区工程地质 条件。巷道埋深较大,二矿区巷道一般都在地表400米以下,因此地应力相应加大(据地质 部地质力学所等单位的地应力量测,深度每增加100米,平均水平主应力大约增加45公斤/厘 米2)。还有不良岩层的流变特性和某些岩石的膨胀特性等,其情况错综复杂,而且每条 巷道具体条件不同,变形、破坏差异也很大。 其生产技术因素是:巷道布局和位置选择,断面形状,掘进方式方法,支护参数及力 学特性,支护施工方法及支护在时间和空间上的合理控制,支护质量等。 自然因素是客观存在的,我们可以去认识它,并在一定程度上去改造它,以便发挥其 有利的一面,消除其有害的一面,为生产实践服务。 生产技术因素是人为的、可变的因素。 如何使生产技术因素能适应各种错综复杂的自然条件,寻求地压与其形响因素之间的 定性、定量关系,在这个基础上选择最有效、最经济的方法来控制地压,这就是本课题需 要解答的一个重要内容。 三、地压活动的基本规律 地压显现,不是一种偶然现象,它具有一定的规律性,认识和登握这种规律性,就能 有放地控制它。 分析地压活动规律的前提条件是对岩层属性的认识。金川不良岩层到底是怎样一种属 性的介质,经过三年多试验研究,我们认为基本属于易发展为松散体的流变体,主要根据是;
况是复杂的 。 经调查统计 · , 各种断面形状和各种不 同的支护方式 , 其地压显 现 特 征 是 以侧压为主 时 , 其破坏形态是 直墙拱形预制块和整体浇注棍 凝土支架为直墙 内鼓 , 普遍产生纵 向张裂缝 , 拱顶成尖 顶形 , 支架脱皮剥落 , 有钢筋时 , 钢筋裸露压 弯 。 巷道断面呈桃形 。 型钢全 属 支架 在周 围压 力呈 均匀分 布时 , 一 般呈 均匀压缩 , 当侧偏压较大时 , 则 一侧变形大 , 有时也 出现 型钢压 弯或立 柱内移等 。 梯形木棚子支架 侧压 大时 , 大多数棚腿在底板上 一 米处被 折 断 。 如 果 棚子 密 , 木质较好 , 则产生棚腿 内移 , 呈 倒梯形 。 在局 部地 区 以顶压 为主 或侧压顶 压 大小相近 时 , 则 剪切楔形体形成和发展 大多在拱 腰处 , 因此一般拱腰破坏严 重 。 在用木棚支架时多数为顶梁压 断 , 用 型钢支架时 , 则 出 现立 柱下 陷 , 整 体支架下移 等 。 如果巷道不封底 , 底鼓是 普遍现象 。 局 部地 区 由于支护和施工方案不当 , 顶板冒落 、 塌方严重 。 如 。 中 段 联 络 道和 中段底盘运输道 , 在施工 时 , 因 冒顶塌方 , 整 个巷道堵死 。 据统计 , 冒顶塌方高度有 一 米至 几米不 等 。 从地质构造条件看 , 发生在断层破碎 带 、 接触破碎带的塌方 占 , 节理 、 片理密集带塌方 占 , 其余为强 烈蚀变带等 。 塌 方规模主要受岩体结 构控制 。 造成围岩和支护变形 、 破坏的 自然 因素是 工程地质 条件差 , 这 是构成矿 区地压 活 动 频繁剧烈 的前提 , 表现在岩性差 , 明显 地 “ 软 、 滑 、 碎” 。 另外矿 区还处 于 活动性构造体 系 内 , 结构面发育 , 已编号 的断层就有 多条 , 北西 向的构造体系控制着矿 区工 程 地质 条件 。 巷道埋深较大 , 二 矿 区巷道一般都在地表 米 以下 , 因此 地应 力相应加大 据地质 部地质力学所等单位的地应 力量测 ,深度每增加 米 , 平均水平主应 力大约增加 公斤 厘 米 。 还有不 良岩层 的流变特性和某些岩石 的膨胀特性 等 , 其情况错综复杂 , 而且 每 条 巷道 具体条件不 同 , 变形 、 破坏差异 也很大 。 其生 产技术月素是 巷道布局 和位置选择 , 断面形状 , 掘进方式方法 , 支护参数及 力 学特性 , 支护施工方法及支护在时间和空 间上的合理 控制 , 支护质量 等 。 自然 因素是客观存在的 , 我们可 以去 认识它 , 并在一定程度上去改造 它 , 以便发挥其 有利 的一 面 , 消除其有害的一 面 , 为生产 实践服 务 。 生产技术 因素是人 为的 、 可变的因素 。 如 何使生产技术因素能适应 各种错综复杂的 自然 条件 , 寻求地压 与其影 响因素之 间的 定性 、 定量关系 , 在这个基 础上选择 最有效 、 最经济的方法来控制地压 , 这 就是本课题需 要解答的一 个重要内容 。 尸 三 、 地压活 动的基本规律 月 地 压显现 , 不是一 种偶 然现 象 , 它具有一 定 的规律性 , 认识 和掌握这 种规律性 , 就能 有 效地 控制它 。 分 祈地 压 活 动规律的前提条件是 对岩层 属 性 的认识 。 金川不 良岩层到底是 怎样一 种属 性 的介质 , 经 过 三年多试验 研 究 , 我 们 认为基本 属 于易发 展 为 松散体 的流 变体 , 主要根据是
①不良岩层1150喷锚试验段实测得到的围岩最大位移值为142mm,但按弹塑性体有 限单元法计算结果,其围岩最大位移值仅为它的1/10,这说明不良岩层粘性位移值是很大 的,显示了它具有明显的流变体性质。 ②从围岩深部岩体位移长期观测结果看,围岩各部分径向应变值随时间而不断变化, 而且松驰区、压密区相互交替出现。这也是一种明显的流变性质,这种现象按弹塑性体是 美 无法解释的。有限元电算表明:在弹塑性体中,由于开挖影响,围岩各点位移都是向巷道 空间方向移动,而且从深部到巷道壁位移值是由小到大地逐新变化。 ③根据巷道断面收敛和围岩位移的长期观测,围岩位移的时间效应特别明显。 因此初步判断:不良岩层基本属于流变体。它和以含粘土矿物为主的某些流变岩体不 同之处在于:当没有支护或支护不当,其围岩位移任其发展超过其允许最大位移值时,极易 转变为松散体。因此恰当地控制围岩位移是不良岩层巷道维护技术的一个关键。 经过近四年来的综合分析研究,在这种岩层中地压活动基本规律是: 1.地压类型基本以变形地压为主,局部地区存在松散地压,在绿泥石片岩富集地区存 在一定的膨胀地压。 变形地压主要是由围岩变形而对支护产生挤压作用引起的。而围岩变形是一个复杂过 程,它总是包含有各种可能的成份,据试验研究金川不良岩层围岩变形以流变变形为主。 在局部地区,主要是维护不当,在位移任意发展时由变形地压逐步转变为松散地压。 还在以绿泥石片岩为代表的膨胀性岩石,在风干遇水后产生膨胀地压。这种地压随含 水量增长压力也随时间逐步增长,因此也可归结为变形地压一部分。不区分地压类型,任 何维护措施都有一定的言目性。 2.地压随时间而变化的总趋势:前期随时间增长而迅速增大,以后增长速度逐渐下 降,维护恰当,到一定阶段趋向稳定。表现为稳定性的变形地压。 围岩变形是地压活动最直接的体现,因此一般都是用围岩变形或位移来描述地压活动 情况。我们量测位移在现场用多点位移计和断面收敛测点,实测得到的位移.一时间曲线 和断面收敛一时间曲线如图3、图4、图5、图6所示。 (m/m eco 2号孔 100 一一分孔 100 150 200 250 (天) 图31150喷销试验段多点位移计第一观测断面表面位移一时间曲线 5
加气 ①不 良岩层 喷锚试验段实测得到的围岩最大位移值为 , 但按弹 塑 性 体有 限单元法 计算结果 , 其围岩最大位移值仅为它的 。 , 这说明不 良岩层枯性位移值是很大 的 , 显 示 了它具有 明显 的流变体性质 。 ② 从 围岩深 部岩体位移长期观测结果看 , 围岩各部分径 向应变值随时间而不断变化 , 而且 松 驰 区 、 压密 区相互交替出现 。 这也是一 种明显 的流变性质 , 这种现象按弹塑性体是 无法解释的 。 有限元 电算表明 在弹塑性体中 , 由于开挖影响 , 围岩各点位移都是向巷道 空间方向移动 , 而且 从深 部到巷道壁位移值是 由小到大地逐渐变化 。 ③根据巷道 断面 收敛和围岩位移的长期观测 , 围岩位移的时间效应特别明显 。 因此 初步判断 不 良岩层基本属 于流变体 。 它和以含粘土矿物为主的某些流变岩体不 同之处在于 当没有支护或支护不 当 , 其围岩位移任其发展超过其允许最大位移值时 ,极易 转变为松散休 。 因此恰当地控制围岩位移是不 良岩层巷道维护技术的一个关键 。 经过近 四年来的综合分析研究 , 在这种岩层 中地压活动基本规律是 地压类型基本 以变形地压为主 , 局部地区存在松散地压 , 在绿泥石 片岩富集地 区存 在一 定的膨胀地 压 。 变形地 压主要是 由围岩变形而对支护产生 挤压作用引起的 。 而围岩变形是一个复杂过 程 , 它 总是 包含有各种可能的成份 , 据试验研究金川不 良岩层 围岩变形以流变变形为主 。 在局 部地 区 , 主 要是维护不 当 , 在位移任 意 发展 时由变形地压逐步转变为松散地压 。 还在 以绿泥石片岩为代 表的膨胀性岩石 , 在风干遇水后产生膨胀地压 。 这种地压随含 水量 增长压力也随时间逐步增长 , 因此也可归结为变形地压一 部分 。 不区分地压类型 , 任 何 维护措施 都有一定的盲 目性 。 地压 随时间而变化的总趋势 前期随时间增长而迅速增大 , 以后增长 速 度 逐 渐下 降 , 维护恰 当 , 到一 定阶段趋 向稳定 。 表现为稳定性的变形地压 。 围岩变形是地压 活 动最直接的体现 , 因此一般都是用围岩变形或位移来描述地压活动 情况 。 我 们量 测位移在现场用多点位移计和断面收敛测点 , 实测得到的位移一 时间曲线 和 断面 收敛- 时间曲线如图 、 图 、 图 、 图 所示 。 广 ,户口, ‘ 一 ‘ 云 - 班一 跳一卜 峨 一 号孔 肠 。 一 。 一 一 。 一 一 。 一 - 号孔 匕二士土几士 。 一劝 - 。 一 己一 - ,一‘ 弓孔 - - - - · 一 号孔 夭 图 。 ”贵锚试验段多点位移计第一观测断面表面位移一时间曲线