D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.05.011 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 高应力破裂岩体地压显现及其控制技术 于言平 北京科技大学土木与环境工程学院，北京11000叫 摘要小官庄铁矿进路开挖以后支护巷道破坏严重，其围岩变形为无收敛变形的情况·为掌握其地压活动规律，应用岩石 破裂过程分析系统，并考虑岩石本身的蠕变特性，模拟其采用无底柱分段崩落法进路开挖过程，对进路开挖过程巷道围岩应 力变化进行数值分析·结果表明：随着进路开挖，进路会出现片帮、底鼓和顶板下沉等现象：在矿岩接触带出现高应力集中，导 致两进路之间的间柱破坏严重，并随着进路开挖应力逐步向新开挖两进路之间的间柱转移：开挖顺序造成边界矿体出现高应 力集中，导致边界矿体难采、采用锚网支护技术有效地控制了巷道围岩的变形破坏，确保开采的顺利进行· 关键词地压：无底柱分段崩落法：应力场：锚网支护 分类号TD322+.5:TD353+.9 Ground pressure formation and control technique under high stress fragment rockmass YU Yan-ping School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 110004.China ABSTRACT Supporting drifts in Xiaoguanzhuang Iron Mine destroy badly and the deformation of surrounding rock is no conver- gence deformation after the drifts are exeavated.According to this condition.the drift excavation process of sublevel caving without sill pillars was simulated by rock failure process analysis and the stress variation of surrounding rock was analyzed to grasp the law of ground pressure activities in consideration of rock's creep characteristic.Simulation results indicate that the destruction form of rib spalling.floor heave and roof falling occur when the drifts are excavated.High stress concentration in the ore-rock contact zone leads to severe destruction of pillars bet ween two drifts:with the excavation of drifts,it diverts into surrounding pillars of the newly caved. Because of excavation sequence,high stress concentration occurs in the boundary ores.which leads to difficulty in mining of boundary ores.Bolt-mesh supporting is applied to control the deformation and destruction of drifts.which can ensure mining activities safely and successfully KEY WORDS ground pressure:sublevel caving without sill pillars:stress field:bolt-mesh support 小官庄铁矿中部有一长约1000m的F3断层将 研究结果表明】，小官庄铁矿矿岩具有蠕变特性， 矿床分为东、西两个矿体。东西矿体分别向北、南倾 进路开挖以后支护巷道破坏严重，其围岩变形为无 伏，采用无底柱分段崩落法开采，其矿床赋存具有 收敛变形，也是国内支护较难的矿山之一)，对 埋藏深、矿岩软破、倾角缓和变化大等特点，是我国 采用无底柱分段崩落采矿法的矿山而言，回采进路 著名的地下难采铁矿山之一，经过科技攻关，对小 分步开挖，破坏了原岩应力场，进路围岩应力场将发 官庄铁矿全矿的开拓采准巷道变形、破坏进行了宏 生变化，形成次生应力场，次生应力场随时间变化 观调查和收敛监测.巷道埋深537m,地应力实测： 影响回采进路的稳定.为此，研究进路分步开挖引 最大主应力25.1MPa,方位N46.5°，倾角24°；最小 起围岩的应力场对选取合理的进路开挖方案及其控 主应力9.1MPa,方位N22.8°，倾角10°.多年来的 制方法具有一定的现实意义， 收稿日期：2008-04-14 基金项目：国家“十五“科技攻关资助项目(No,2001BA609A一10) 作者简介：于言平(1964-)，男，高级工程师，博士，E-mail:ypl001@263.nt
高应力破裂岩体地压显现及其控制技术 于言平 北京科技大学土木与环境工程学院北京110004 摘 要 小官庄铁矿进路开挖以后支护巷道破坏严重其围岩变形为无收敛变形的情况．为掌握其地压活动规律应用岩石 破裂过程分析系统并考虑岩石本身的蠕变特性模拟其采用无底柱分段崩落法进路开挖过程对进路开挖过程巷道围岩应 力变化进行数值分析．结果表明：随着进路开挖进路会出现片帮、底鼓和顶板下沉等现象；在矿岩接触带出现高应力集中导 致两进路之间的间柱破坏严重并随着进路开挖应力逐步向新开挖两进路之间的间柱转移；开挖顺序造成边界矿体出现高应 力集中导致边界矿体难采．采用锚网支护技术有效地控制了巷道围岩的变形破坏确保开采的顺利进行． 关键词 地压；无底柱分段崩落法；应力场；锚网支护 分类号 TD322＋∙5；TD353＋∙9 Ground pressure formation and control technique under high stress fragment rockmass Y U Y an-ping School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing110004China ABSTRACT Supporting drifts in Xiaoguanzhuang Iron Mine destroy badly and the deformation of surrounding rock is no convergence deformation after the drifts are excavated．According to this conditionthe drift excavation process of sublevel caving without sill pillars was simulated by rock failure process analysis and the stress variation of surrounding rock was analyzed to grasp the law of ground pressure activities in consideration of rock’s creep characteristic．Simulation results indicate that the destruction form of rib spallingfloor heave and roof falling occur when the drifts are excavated．High stress concentration in the ore-rock contact zone leads to severe destruction of pillars between two drifts；with the excavation of driftsit diverts into surrounding pillars of the newly caved． Because of excavation sequencehigh stress concentration occurs in the boundary oreswhich leads to difficulty in mining of boundary ores．Bolt-mesh supporting is applied to control the deformation and destruction of driftswhich can ensure mining activities safely and successfully． KEY WORDS ground pressure；sublevel caving without sill pillars；stress field；bolt-mesh support 收稿日期：2008-04-14 基金项目：国家“十五”科技攻关资助项目（No．2001BA609A－10） 作者简介：于言平（1964－）男高级工程师博士E-mail：yyp1001＠263．net 小官庄铁矿中部有一长约1000m 的 F3 断层将 矿床分为东、西两个矿体．东西矿体分别向北、南倾 伏．采用无底柱分段崩落法开采其矿床赋存具有 埋藏深、矿岩软破、倾角缓和变化大等特点是我国 著名的地下难采铁矿山之一．经过科技攻关对小 官庄铁矿全矿的开拓采准巷道变形、破坏进行了宏 观调查和收敛监测．巷道埋深537m地应力实测： 最大主应力25∙1MPa方位 N46∙5°倾角24°；最小 主应力9∙1MPa方位 N22∙8°倾角10°．多年来的 研究结果表明［1－4］小官庄铁矿矿岩具有蠕变特性 进路开挖以后支护巷道破坏严重其围岩变形为无 收敛变形也是国内支护较难的矿山之一［5－6］．对 采用无底柱分段崩落采矿法的矿山而言回采进路 分步开挖破坏了原岩应力场进路围岩应力场将发 生变化形成次生应力场．次生应力场随时间变化 影响回采进路的稳定．为此研究进路分步开挖引 起围岩的应力场对选取合理的进路开挖方案及其控 制方法具有一定的现实意义． 第31卷 第5期 2009年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．5 May2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．05．011
538 北京科技大学学报 第31卷 式中，0为岩石材料细观单元体的瞬时抗压强度； 1采场地压显现调查 o∞为岩石材料细观单元体的长期强度；B1为岩石 为了掌握地压对巷道的破坏情况，对小官庄铁 的强度衰减系数，由实验确定的经验常数， 矿E337m水平二采区56条巷道（联巷及进路）的 地压显现情况进行现场调查，调查巷道的总长度为 1168.4m,通过地质调查、节理统计和围岩变形观 测发现：所调查巷道的破坏长度为512.8m,占巷道 的总长度的43.9%；完好的巷道长度为655.6m,占 巷道总长度的56.1%.其地压显现形式主要为：(1) 片帮鼓裂.喷层开裂首先出现在巷道两帮，随着两 帮变形的加大，网喷层后面的围岩被挤压成碎块，并 图1岩石长期强度与岩石瞬时强度关系曲线 沿网喷层裂缝流出，使支护层后形成空腔.(2)剥层 Fig.1 Curve of longterm strength to transient strength of rock 脱落，(3)顶板下沉，首先在拱脊处出现错动裂缝， 钢筋弯曲变形，下沉量一般为300~500mm·(4)整 在恒定载荷长期作用下，岩石会在比瞬时强度 个巷道断面收缩.巷道四周围岩均产生较大变形， 小得多的情况下破坏，根据目前实验资料，对于大多 整个断面均匀收缩，收缩率最大可达60%以上，(5) 数岩石，长期强度/瞬时强度(o∞/o0)为0.4~0.8， 矿岩具有蠕变特性， 软的和中等坚固岩石为0.4~0.6，坚固岩石为 在所有调查的巷道中，采用一次支护巷道的长 0.70.8. 度为：572.9m,占支护巷道总长度的49%；其中采 此外，研究表明，岩石弹性模量同岩石强度一 用一次支护破坏巷道的长度为98m,占采用一次支 样，具有时间效应，而且它们的变化规律具有相似 护巷道长度的17.1%.采用二次支护巷道破坏的长 性，都随时间的延长而降低).因此，在RFPA2D模 度为426.5m,占支护巷道总长度的51%；其中破坏 型中，假定岩石的弹性模量参数也服从式(1)的变化 的二次支护巷道的长度占所有二次支护巷道长度的 规律，即材料的弹性模量按下式衰减： 71.6%.在所有破坏的巷道中有四条巷道中深孔孔 E:=Eo+(Eo-E∞)exp(一B2t) (2) 位发生偏移 其中，E,为t时刻的瞬时弹模；E∞为长期弹性模 2地压显现数值分析 量，当t→∞时，E,→E∞；Eo为初始弹性模量；B2 本文应用岩石破裂过程分析(RFPA2D)系 为岩石的弹性模量衰减系数，由实验确定的经验常 统)，按平面应变模型，考虑岩石的蠕变特性，系 数 统研究小官庄铁矿二采区进路开挖引起应力场演化 2.2数值模型建立 对巷道地压活动的影响，岩石破裂过程分析 针对小官庄铁矿二采区开采现状，建立矿山开 (RFPA2D)系统，是一个基于有限元应力分析模块和 采二维数值分析模型，模型尺寸为200m×100m 微观单元破坏分析模块的岩石变形、破裂过程研究 (长×高)，单元划分为300×150=45000个单元， 的数值分析程序.RFPAZD将细观力学与数值计算 数值模型中的矿块尺寸为12m×12m,在模型中开 方法有机的结合起来，通过考虑岩石性质的非均匀 挖进路的尺寸为3.2mX3.5m(高×宽)，其水平压 性特点，模拟岩石变形和破裂的非线性行为，是一种 力系数为1.3.开挖进路的数目为14个，分别在 用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新 -323m水平、-335m水平和-347m水平（图2）， 型数值分析工具， 其岩石力学参数见表1.通过调整Weibull分布函 2.1岩石蠕变演化模型 数参数改变材料的非均匀性，其细观单元的弹模和 当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性 强度服从Weibull分布.采用修正的库仑（考虑拉伸 时，不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度 破坏)准则作为单元破坏的依据，设准则中基元材料 的计算指标.在RFPA2D模型中，考虑岩体的长期强 的拉、压强度比为1/10，内摩擦角为30°.开挖顺序 度效应，引入了长期强度演化方程1]（图1）： 主要是依据现场实际情况进行开挖，即：1一2-3,6 =∞十(o一oo∞)exp(一B1t) (1) 4,7,105,8,119,12-1314
1 采场地压显现调查 为了掌握地压对巷道的破坏情况对小官庄铁 矿 E－337m 水平二采区56条巷道（联巷及进路）的 地压显现情况进行现场调查调查巷道的总长度为 1168∙4m．通过地质调查、节理统计和围岩变形观 测发现：所调查巷道的破坏长度为512∙8m占巷道 的总长度的43∙9％；完好的巷道长度为655∙6m占 巷道总长度的56∙1％．其地压显现形式主要为：（1） 片帮鼓裂．喷层开裂首先出现在巷道两帮随着两 帮变形的加大网喷层后面的围岩被挤压成碎块并 沿网喷层裂缝流出使支护层后形成空腔．（2）剥层 脱落．（3）顶板下沉．首先在拱脊处出现错动裂缝 钢筋弯曲变形下沉量一般为300～500mm．（4）整 个巷道断面收缩．巷道四周围岩均产生较大变形 整个断面均匀收缩收缩率最大可达60％以上．（5） 矿岩具有蠕变特性． 在所有调查的巷道中采用一次支护巷道的长 度为：572∙9m占支护巷道总长度的49％；其中采 用一次支护破坏巷道的长度为98m占采用一次支 护巷道长度的17∙1％．采用二次支护巷道破坏的长 度为426∙5m占支护巷道总长度的51％；其中破坏 的二次支护巷道的长度占所有二次支护巷道长度的 71∙6％．在所有破坏的巷道中有四条巷道中深孔孔 位发生偏移． 2 地压显现数值分析 本文 应 用 岩 石 破 裂 过 程 分 析 （RFPA 2D ） 系 统［7－12］按平面应变模型考虑岩石的蠕变特性系 统研究小官庄铁矿二采区进路开挖引起应力场演化 对巷 道 地 压 活 动 的 影 响．岩 石 破 裂 过 程 分 析 （RFPA 2D ）系统是一个基于有限元应力分析模块和 微观单元破坏分析模块的岩石变形、破裂过程研究 的数值分析程序．RFPA 2D将细观力学与数值计算 方法有机的结合起来通过考虑岩石性质的非均匀 性特点模拟岩石变形和破裂的非线性行为是一种 用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新 型数值分析工具． 2∙1 岩石蠕变演化模型 当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性 时不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度 的计算指标．在 RFPA 2D模型中考虑岩体的长期强 度效应引入了长期强度演化方程［13］ （图1）： σ＝σ∞＋（σ0－σ∞）exp（－B1t） （1） 式中σ0 为岩石材料细观单元体的瞬时抗压强度； σ∞为岩石材料细观单元体的长期强度；B1 为岩石 的强度衰减系数由实验确定的经验常数． 图1 岩石长期强度与岩石瞬时强度关系曲线 Fig．1 Curve of long-term strength to transient strength of rock 在恒定载荷长期作用下岩石会在比瞬时强度 小得多的情况下破坏根据目前实验资料对于大多 数岩石长期强度／瞬时强度（σ∞／σ0）为0∙4～0∙8 软的和中等坚固岩石为 0∙4～0∙6坚固岩石为 0∙7～0∙8． 此外研究表明岩石弹性模量同岩石强度一 样具有时间效应而且它们的变化规律具有相似 性都随时间的延长而降低［14］．因此在 RFPA 2D模 型中假定岩石的弹性模量参数也服从式（1）的变化 规律即材料的弹性模量按下式衰减： Et＝ E∞＋（ E0－ E∞）exp（－B2t） （2） 其中Et 为 t 时刻的瞬时弹模；E∞ 为长期弹性模 量当 t→∞时Et → E∞；E0 为初始弹性模量；B2 为岩石的弹性模量衰减系数由实验确定的经验常 数． 2∙2 数值模型建立 针对小官庄铁矿二采区开采现状建立矿山开 采二维数值分析模型模型尺寸为200m ×100m （长×高）单元划分为300×150＝45000个单元 数值模型中的矿块尺寸为12m×12m在模型中开 挖进路的尺寸为3∙2m×3∙5m（高×宽）其水平压 力系数为1∙3．开挖进路的数目为14个分别在 －323m水平、－335m 水平和－347m 水平（图2） 其岩石力学参数见表1．通过调整 Weibull 分布函 数参数改变材料的非均匀性其细观单元的弹模和 强度服从 Weibull 分布．采用修正的库仑（考虑拉伸 破坏）准则作为单元破坏的依据设准则中基元材料 的拉、压强度比为1／10内摩擦角为30°．开挖顺序 主要是依据现场实际情况进行开挖即：1－2－36－ 4710－5811－912－13－14． ·538· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第5期 于言平：高应力破裂岩体地压显现及其控制技术 .539. 表1小官庄铁矿岩石力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock in Xiaoguanzhuang Iron Mine 弹性模量， 抗压强度， 抗拉强度， 摩擦角， 容重， 岩性 泊松比，上 E/GPa 6/MPa G/MPa /( 7/(kN'm3) 红板岩 3.3-4.9 0.130.28 17.7-39.0 2.46 2659 24.8 铁矿石 54.888.0 0.17-0.34 50.2-81.1 5.42 34-37 32.0 闪长玢岩 12.124.3 0.14-0.27 83.9127.3 5.808.20 42-48 27.5 矽卡岩 12.3-65.0 0.1-0.17 21.0-74.0 5.50 24-35 27.5 323m 回。 8989 -335m 8日BB0 -347m ⑤·· 图2数值计算模型 Fig.2 Numerical model @。·0 2.3数值计算结果分析 根据小官庄铁矿二采区的实际情况，建立数值 模型，应用RFPA2D系统对进路开挖顺序进行数值 @·00· 。0 模拟研究，通过数值计算可以看出：当第1个进路 被开挖以后，在原岩应力的作用下，巷道围岩产生应 力集中，在巷道底板出现初始破坏（图3(a):随着2 @。000c 000 号进路开挖的进行（图3(b),巷道围岩应力开始出 鱼。 现转移，两进路之间的间柱出现应力集中，并且2号 巷道围岩应力集中；3、6号进路开挖以后（图3(c)), ①。·00· 。0●0 不仅仅两个间柱出现应力集中，而且在上下分层之 年80 间的矿体也出现应力集中；随着4、7和10三个进路 的开挖（图3(d)),进路围岩应力继续进行转移，进 ®40·c 6·00 路受采动影响，表现出不同的破坏形式（即单侧破 4·。· 坏、顶板下沉和侧帮鼓出等现象)；当开挖最后几个 而。·。● 进路时（图3(f~h)),在整个开采的范围内，间柱出 6.80 金在。年 现高应力集中区域增加，并且造成部分间柱产生破 。·。”。 在在。 坏，甚至出现进路严重跨冒的现象，如图3(h)中1、6 剪应力图 声发射 和10号进路.但从最后几个进路的开挖也可以看 图3，矿块开挖过程围岩应力变化 出，应力从一个间柱逐渐向相邻刚开挖的间柱转移， Fig.3 Stress changing of surrounding rockmass during orebody 直至进路开挖结束不再发生转移，正是由于应力不 excavation process 再转移，在最后两个进路之间的间柱出现高应力集 60r 中，导致最后开挖的进路严重破坏，此应力场的转移 +323m水平 50 ·-335m水平 也造成矿岩接触带附近经常出现丢矿或贫化等现 40F 347m水平 象.，该数值计算结果与现场调查结果基本吻合， 30 从不同水平的最大主应力分布曲线（图4）也可 20 10 以看出，分布在矿岩接触带附近的进路和处于矿体 中间部分的巷道围岩应力比较集中，并且一347m 57 85113141169 分层巷道围岩应力要高于上部两个分层的围岩应 单元数 力，致使一347m水平进路破坏严重；因而，当开挖 图4最大主应力分布曲线 一347m水平进路时，要采取强掘强支的施工方案， Fig4 Distribution of the max principal stress
表1 小官庄铁矿岩石力学参数 Table1 Mechanical parameters of rock in Xiaoguanzhuang Iron Mine 岩性 弹性模量 E／GPa 泊松比μ 抗压强度 σc／MPa 抗拉强度 σt／MPa 摩擦角 φ／（°） 容重 γ／（kN·m －3） 红板岩 3∙3～4∙9 0∙13～0∙28 17∙7～39∙0 2∙46 26～59 24∙8 铁矿石 54∙8～88∙0 0∙17～0∙34 50∙2～81∙1 5∙42 34～37 32∙0 闪长玢岩 12∙1～24∙3 0∙14～0∙27 83∙9～127∙3 5∙80～8∙20 42～48 27∙5 矽卡岩 12∙3～65∙0 0∙1～0∙17 21∙0～74∙0 5∙50 24～35 27∙5 图2 数值计算模型 Fig．2 Numerical model 2∙3 数值计算结果分析 根据小官庄铁矿二采区的实际情况建立数值 模型应用 RFPA 2D系统对进路开挖顺序进行数值 模拟研究．通过数值计算可以看出：当第1个进路 被开挖以后在原岩应力的作用下巷道围岩产生应 力集中在巷道底板出现初始破坏（图3（a））；随着2 号进路开挖的进行（图3（b））巷道围岩应力开始出 现转移两进路之间的间柱出现应力集中并且2号 巷道围岩应力集中；3、6号进路开挖以后（图3（c）） 不仅仅两个间柱出现应力集中而且在上下分层之 间的矿体也出现应力集中；随着4、7和10三个进路 的开挖（图3（d））进路围岩应力继续进行转移进 路受采动影响表现出不同的破坏形式（即单侧破 坏、顶板下沉和侧帮鼓出等现象）；当开挖最后几个 进路时（图3（f～h））在整个开采的范围内间柱出 现高应力集中区域增加并且造成部分间柱产生破 坏甚至出现进路严重跨冒的现象如图3（h）中1、6 和10号进路．但从最后几个进路的开挖也可以看 出应力从一个间柱逐渐向相邻刚开挖的间柱转移 直至进路开挖结束不再发生转移正是由于应力不 再转移在最后两个进路之间的间柱出现高应力集 中导致最后开挖的进路严重破坏此应力场的转移 也造成矿岩接触带附近经常出现丢矿或贫化等现 象．该数值计算结果与现场调查结果基本吻合． 从不同水平的最大主应力分布曲线（图4）也可 以看出分布在矿岩接触带附近的进路和处于矿体 中间部分的巷道围岩应力比较集中并且－347m 分层巷道围岩应力要高于上部两个分层的围岩应 力致使－347m 水平进路破坏严重；因而当开挖 －347m 水平进路时要采取强掘强支的施工方案 图3 矿块开挖过程围岩应力变化 Fig．3 Stress changing of surrounding rockmass during orebody excavation process 图4 最大主应力分布曲线 Fig．4 Distribution of the max principal stress 第5期 于言平： 高应力破裂岩体地压显现及其控制技术 ·539·
.540 北京科技大学学报 第31卷 以确保采矿工作的顺利进行 3巷道地压控制方法 锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护工程的质量 描网支护实验巷 优劣、是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题， 为了确定合理锚网梁的支护参数，首先选定了锚网 梁支护实验巷道（图5），位置在二采区E335水平 41联巷，该联络巷道的断面积为10.66m2,巷道的 周长为12m,该巷道距地表深度约为535m·结合二 图5锚网支护实验巷道位置 采区的地质实际情况，通过目前掘进揭露的巷道围 Fig.5 Position of the bolt-net support testing roadway 岩情况和地质图来看，该段的岩石主要是以F2为 200mm×200mm×10mm,托板中间要冲压呈碗状， 主，中间夹杂着闪长岩，其岩石节理裂隙发育，围岩 托板中间的锚杆孔直径为20mm;采用快速锚固剂 比较破碎，而且该联络巷两侧布置很多进路，开采过 (直径为28mm,长度为600mm):钢筋网采用10* 程中受两侧采动影响较大，对整个矿山而言，该联 钢丝编织成网，网的规格为2.2m×1m,网度为 络巷具有一定的代表性，设计服务年限约为1.5a. 50mm×50mm;钢筋梁为两条平行的直径12mm盘 锚网支护参数（图6）确定：锚杆材质为螺旋钢， 圆，其间距为150mm,长度为3.2m,采用点焊制作； 直径20mm,长度3m:托盘材料为钢板，其规格为 锚杆端头采用螺母内径20mm, 中心顶错杆 树脂锚杆 1单端杆同距 一排二排三排四排五排六排七排八排九排 图6锚杆支护设计断面 Fig.6 Cross section of holt support design 通过采用上面确定的锚网支护参数，在41联巷 掘进，采用锚网支护的联巷受采动影响后，该联巷 进行了锚喷网支护实验，如图7(a)所示，目前此支 虽发生局部变形破坏，如图7(b)所示，但仍能满足 护已经进行了4个月，41联巷周围的进路已经开始 小官庄铁矿的安全回采要求 (a) 图7锚网支护效果对比·(a)采动前；(b)采动后 Fig.7 Comparison of bolt-net support effect before (a)and after mining (b) 4结论 庄铁矿无底柱分段崩落法进路开挖过程应力场演化 规律进行数值分析，并采用锚网支护技术控制巷道 (1)结合对小官庄铁矿进行现场地压显现调查 围岩变形. 数据，运用岩石破裂过程分析系统(RFPA),对小官 (2)进路开挖过程是采场应力场不断转移的过
以确保采矿工作的顺利进行． 3 巷道地压控制方法 锚杆支护设计关系到巷道锚杆支护工程的质量 优劣、是否安全可靠以及经济是否合理等重要问题． 为了确定合理锚网梁的支护参数首先选定了锚网 梁支护实验巷道（图5）位置在二采区 E－335水平 41联巷该联络巷道的断面积为10∙66m 2巷道的 周长为12m该巷道距地表深度约为535m．结合二 采区的地质实际情况通过目前掘进揭露的巷道围 岩情况和地质图来看该段的岩石主要是以 Fe2 为 主中间夹杂着闪长岩其岩石节理裂隙发育围岩 比较破碎而且该联络巷两侧布置很多进路开采过 程中受两侧采动影响较大．对整个矿山而言该联 络巷具有一定的代表性设计服务年限约为1∙5a． 锚网支护参数（图6）确定：锚杆材质为螺旋钢 直径20mm长度3m；托盘材料为钢板其规格为 图5 锚网支护实验巷道位置 Fig．5 Position of the bolt-net support testing roadway 200mm×200mm×10mm托板中间要冲压呈碗状 托板中间的锚杆孔直径为20mm；采用快速锚固剂 （直径为28mm长度为600mm）；钢筋网采用10＃ 钢丝编织成网网的规格为2∙2m ×1m网度为 50mm×50mm；钢筋梁为两条平行的直径12mm 盘 圆其间距为150mm长度为3∙2m采用点焊制作； 锚杆端头采用螺母内径20mm． 图6 锚杆支护设计断面 Fig．6 Cross section of bolt support design 通过采用上面确定的锚网支护参数在41联巷 进行了锚喷网支护实验如图7（a）所示．目前此支 护已经进行了4个月41联巷周围的进路已经开始 掘进．采用锚网支护的联巷受采动影响后该联巷 虽发生局部变形破坏如图7（b）所示但仍能满足 小官庄铁矿的安全回采要求． 图7 锚网支护效果对比．（a） 采动前；（b） 采动后 Fig．7 Comparison of bolt-net support effect before （a） and after mining （b） 4 结论 （1） 结合对小官庄铁矿进行现场地压显现调查 数据运用岩石破裂过程分析系统（RFPA）对小官 庄铁矿无底柱分段崩落法进路开挖过程应力场演化 规律进行数值分析并采用锚网支护技术控制巷道 围岩变形． （2） 进路开挖过程是采场应力场不断转移的过 ·540· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第5期 于言平：高应力破裂岩体地压显现及其控制技术 .541. 程，正是由于应力场的不断转移，导致两进路之间 on the stability of extraction gallery.China Min Mag.2003. 的间柱以及进路围岩破坏严重，使进路出现片帮、底 12(3):42 (赵兴东，唐春安，王维纲.回采巷道稳定性的数值模拟研究， 鼓和顶板下沉等现象. 中国矿业，2003.12(3)：42) (3)进路开挖顺序对应力场的转移和巷道围岩 [6]Zhao X D.Xie L K.Tang C A.et al.Rescarch on cancel sprayed 稳定性有很大影响，造成边界矿体出现高应力集中， conerete support in high stressed and fragmentized rockmass. 导致边界矿体难采 Min Res Dev,2005,25(6):18 (4)锚网支护技术能够有效控制巷道围岩的变 (赵兴东，解联库，唐春安，等.高应力破裂岩体条件下取消 形破坏，确保开采的顺利进行， 喷射混凝土支护的研究.矿业研究与开发，2005,25(6)：18) [7]Wang S H.Liu JX.stability analysis of large"span and deep tun- 参考文献 nel.Int J Rock Mech Min Sci,2003,41(3):1 [1]Zhu J M,Huang Z W.The measurement and analysis of macro- [8]Tang CA.Numerical simulations on progressive failure leading to scopic deformation rules for wall rock of slope drift.West China collapse and associated seismicity.Int J Rock Mech Min Sci, Explor Eng.2001(5):25 1997,34(2):249 (朱建明，黄植旺，采场巷道围岩变形宏观规律的监测和分 [9]Tang C A,Kaiser P K.Numerical simulation of cumulative dam- 析.西部探矿工程，2001(5)：25) age and seismic energy release during brittle rock failure,part I: [2]Song W D.Zhao Z S.Study on deformation rules of high stress Fundamentals.Int J Rock Mech Min Sci,1998,35:113 soft rock roadway at Xiaoguanzhuang Iron Mine.Nonferrous Met [10]Tang C A,Liu H,Lee P KK.et al.Numerical studies of the Min,2003,55(3):15 influence of microstructure of rock failure in uniaxial compres- (宋卫东，赵增山·小官庄铁矿承压区软岩巷道变形规律研 sion.part II:Effect of heterogeneity.Int J Rock Mech Min 究.有色金属：矿山部分，2003,55(3)：15) Si,2000,37:555 [3]Ren T G.Song W D.Ming S X.Research on the stoping se- [11]KouS Q.Lindqvist PA.Tang C A.Numerical simulation of quence of both sides of artesian area in Xiaoguarhuang iron ore the cutting of inhomogeneous rocks.Int J Rock Mech Min Sci, mine.China Min Mag.1998.7(1):45 1999,36.711 (任天贵，宋卫东，明世祥.小官庄铁矿承压区两翼开采回采 [12]Zhu W C.Tang C A.Micromechanical model for simulating the 顺序的研究.中国矿业，1998,7(1)：45) fracture process of rock.Rock Mech Rock Eng.2004.37(1). [4]Ming S X.Yu Y P.Investigation on stope ground pressure con- 25 trol method for Xiaoguarhuang iron mine.Met Mine.2005(1): [13]Shao J F.Modeling of creep in rock materials in terms of materi- 9 al degradation.Comput Geotech,2003,30:549 (明世祥，于言平.小官庄铁矿采场地压控制方法的研究，金 [14]Schmidtke R H.Lajtai E Z.The long term strength of Lac du 属矿山，2005(1)：9) Bonnet granite.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr. [5]Zhao X D,Tang C A.Wang W G.Numerical simulation study 1985,22.461
程．正是由于应力场的不断转移导致两进路之间 的间柱以及进路围岩破坏严重使进路出现片帮、底 鼓和顶板下沉等现象． （3） 进路开挖顺序对应力场的转移和巷道围岩 稳定性有很大影响造成边界矿体出现高应力集中 导致边界矿体难采． （4） 锚网支护技术能够有效控制巷道围岩的变 形破坏确保开采的顺利进行． 参 考 文 献 ［1］ Zhu J MHuang Z W．The measurement and analysis of macroscopic deformation rules for wall rock of slope drift．West China Explor Eng2001（5）：25 （朱建明黄植旺．采场巷道围岩变形宏观规律的监测和分 析．西部探矿工程2001（5）：25） ［2］ Song W DZhao Z S．Study on deformation rules of high stress soft rock roadway at Xiaoguanzhuang Iron Mine．Nonferrous Met Min200355（3）：15 （宋卫东赵增山．小官庄铁矿承压区软岩巷道变形规律研 究．有色金属：矿山部分200355（3）：15） ［3］ Ren T GSong W DMing S X．Research on the stoping sequence of both sides of artesian area in Xiaoguanzhuang iron ore mine．China Min Mag19987（1）：45 （任天贵宋卫东明世祥．小官庄铁矿承压区两翼开采回采 顺序的研究．中国矿业19987（1）：45） ［4］ Ming S XYu Y P．Investigation on stope ground pressure control method for Xiaoguanzhuang iron mine．Met Mine2005（1）： 9 （明世祥于言平．小官庄铁矿采场地压控制方法的研究．金 属矿山2005（1）：9） ［5］ Zhao X DTang C AWang W G．Numerical simulation study on the stability of extraction gallery．China Min Mag2003 12（3）：42 （赵兴东唐春安王维纲．回采巷道稳定性的数值模拟研究． 中国矿业200312（3）：42） ［6］ Zhao X DXie L KTang C Aet al．Research on cancel sprayed concrete support in high stressed and fragmentized rockmass． Min Res Dev200525（6）：18 （赵兴东解联库唐春安等．高应力破裂岩体条件下取消 喷射混凝土支护的研究．矿业研究与开发200525（6）：18） ［7］ Wang S HLiu J X．stability analysis of large-span and deep tunnel．Int J Rock Mech Min Sci200341（3）：1 ［8］ Tang C A．Numerical simulations on progressive failure leading to collapse and associated seismicity． Int J Rock Mech Min Sci 199734（2）：249 ［9］ Tang C AKaiser P K．Numerical simulation of cumulative damage and seismic energy release during brittle rock failurepart Ⅰ： Fundamentals．Int J Rock Mech Min Sci199835：113 ［10］ Tang C ALiu HLee P K Ket al．Numerical studies of the influence of microstructure of rock failure in uniaxial compressionpart Ⅱ：Effect of heterogeneity．Int J Rock Mech Min Sci200037：555 ［11］ Kou S QLindqvist P ATang C A．Numerical simulation of the cutting of inhomogeneous rocks．Int J Rock Mech Min Sci 199936：711 ［12］ Zhu W CTang C A．Micromechanical model for simulating the fracture process of rock．Rock Mech Rock Eng200437（1） 25 ［13］ Shao J F．Modeling of creep in rock materials in terms of material degradation．Comput Geotech200330：549 ［14］ Schmidtke R HLajtai E Z．The long-term strength of Lac du Bonnet granite． Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 198522：461 第5期 于言平： 高应力破裂岩体地压显现及其控制技术 ·541·