焦家金矿巷道围岩松动圈测试与破碎岩体支护技术_张忠辉.pdf

收稿日期2019-10-11 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC0604601） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51604060） ， 中央高校基本科研业务专项 （编号 N180115010） 。 作者简介张忠辉 （1978） ， 男， 博士研究生。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 焦家金矿巷道围岩松动圈测试与破碎岩体 支护技术 张忠辉 1， 2 安龙 1 吴大伟 1 吴超 11 （1. 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室， 辽宁 沈阳 110819； 2. 青海山金矿业有限公司， 青海 都兰 816100） 摘要为了准确测定破碎蚀变岩体条件下巷道围岩松动圈范围， 选择合理的支护方案与参数， 本项目以山 东黄金集团焦家金矿为依托矿山开展研究。联合采用岩体超声探测与数字全景钻孔摄像手段， 获得了焦家金矿破 碎岩体条件下的巷道围岩松动圈范围为1.0～1.3 m。开展焦家金矿现场岩体质量分级， 基于分级结果计算破碎蚀变 岩体所需支护载荷大小。计算结果表明， 在破碎岩体条件下围岩所需支护载荷为51.08～76.17 kPa。依据围岩松动 圈测试结果以及围岩支护载荷计算结果， 初步确定焦家金矿破碎蚀变岩体应采用管缝锚杆金属网喷射混凝土 联合支护方案， 管缝锚杆长1.8 m， 设计锚杆间距为1.0 m， 排距为1.2 m， 喷射混凝土厚度为50 mm。在此基础上， 开 展支护方案的现场工业试验， 由巷道围岩连续收敛监测结果表明， 当应用管缝锚杆金属网喷射混凝土联合方案 支护后， 巷道围岩收敛变形在6个月内不再增长， 可有效保证焦家金矿巷道围岩在服务周期内的稳定性。 关键词破碎矿体围岩松动圈锚网支护超声波探测收敛监测 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-056-06 DOI10.19614/ki.jsks.201912009 Field Detection of Roadway Surrounding Rock Loose Zone and Support Technology of Broken Rock Mass in Jiaojia Gold Mine Zhang Zhonghui1， 2An Long1Wu Dawei1Wu Chao12 （1. Key Laboratory of Ministry of Education for Safe Mining of Deep Metal Mines， Shenyang 110819， China； 2. Qinghai Shanjin Mining Co.， Ltd.， Dulan 816100， China） AbstractIn order to accurately determine the range of surrounding rock loose zone under the condition of broken and altered rock mass，and choose reasonable support scheme and parameters，researches are carried out with the Jiaojia Gold Mine of Shandong Gold Group as engineering background. Combined with rock mass ultrasonic detection and digital panoram- ic borehole imaging， the range of surrounding rock loosening zone of the drift under the condition of broken rock mass of Jiao- jia Gold Mine is determined as 1.0～1.3 m. The rock mass quality classification of Jiaojia Gold Mine is carried out， and the sur- rounding rock support load is calculated based on the classification results. The calculation results show that the surrounding rock support load under broken rock mass is ranging from 51.08 kPa to 76.17 kPa. According to the field detection results of surrounding rock loose zone and the calculation results of surrounding rock support load，the joint support scheme of split bolts， metal mesh and shotcrete is proposed with the length of split bolt at 1.8 m， the design spacing and row of bolts at 1.0 m and 1.2 m respectively，and the thickness of sprayed concrete at 50 mm. On this basis，on-site industrial tests of the support scheme are carried out. The continuous convergence monitoring results of the roadway surrounding rock show that the conver- gence deation will not increase within 6 months after the joint support of boltmetal meshshotcrete， which can effective- ly guarantee the stability of the roadway surrounding rock in the service period of Jiaojia Gold Mine. KeywordsBroken rock mass， Surrounding rock loose zone， Support with split bolts and metal mesh， Ultrasonic detec- tion， Convergence monitoring Series No. 522 December2019 56 ChaoXing 胶西北金矿集中区是我国最大、 世界第三大的 黄金生产基地， 其探明和保有黄金资源储量约占全 国总量的1/4， 黄金年产量占全国的1/6以上， 为我国 黄金资源勘查与开发做出了重要贡献。该区域内的 黄金矿床受断裂构造控制， 在成矿过程中受到频繁 的碎裂变形和热液蚀变作用， 属于典型的破碎蚀变 岩型金矿床 ［1］。受复杂的矿岩力学条件以及频繁的 开挖扰动影响， 导致在该类矿岩体内施工巷道工程， 频繁出现不同程度的围岩变形、 片帮和冒顶破坏， 甚 至在一些区域发生大范围的失稳垮落， 造成巷道工 程难以恢复， 不得不进行改道， 严重影响了矿山的正 常生产作业， 同时也为施工人员带来巨大的安全隐 患。因此， 破碎岩体条件下巷道围岩的稳定性与支 护技术， 已成为研究者以及矿山工程技术人员所特 别关注的问题。针对破碎岩体的巷道支护问题， 国 内外学者先后提出了新奥法、 能量支护理论、 轴变论 以及围岩松动圈理论等 ［2-5］。特别是围岩松动圈理论 经过多年的发展， 已经成为矿山及隧道工程中支护 参数选取的重要依据。围岩松动圈是指巷道开挖 后， 围岩应力重新分布， 在这一过程中巷道围岩内微 裂纹增多， 巷道宏观变形增大而形成的围绕巷道的 松动岩体的范围。围岩松动圈大小与岩体质量、 原 岩应力条件以及开挖方法等密切相关。近年来国内 外研究人员分别采用解析法和数值模拟手段， 确定 了围岩松动圈的范围， 但当前的理论分析和数值计 算方法均建立在大量的假设和简化的基础上， 因此 其分析结果具有很大的应用局限性 ［6-7］。 本项目以焦家金矿为工程背景， 针对其典型破 碎蚀变岩体， 开展现场岩体质量分级、 超声波测试和 钻孔摄像， 基于测试结果， 获得巷道围岩松动圈的范 围。结合围岩松动圈测试结果与岩体质量等级， 进 行巷道支护方式及支护参数的选择和计算。将选择 的支护方式和计算得到的支护参数进行现场应用， 并通过巷道围岩连续收敛变形监测手段， 验证围岩 支护效果， 研究成果可为胶西北金矿集中区破碎带 蚀变岩体的巷道支护手段和参数提供依据。 1工程背景 焦家金矿位于著名的郯庐断裂带山东段东侧， 焦家主断裂的下盘， 属于典型的破碎带蚀变岩型金 矿床。该类型矿床受断裂带控制， 在断裂带内部分 布有厚度为5～40 cm连续且稳定的F1断层， 大部分 金矿体产于该断层下盘， 自 F1断层之下， 依次为黄 铁绢英化碎裂岩带、 黄铁绢英化花岗质碎裂岩带、 黄 铁绢英化和钾化花岗岩带， 矿岩体节理裂隙极为发 育。针对该类矿体赋存条件， 焦家金矿一直采用机 械化上向水平进路充填采矿法进行开采， 进路规格 （宽高） 3.3 m3 m。由于矿岩体破碎， 导致该矿 在巷道掘进及采场开采过程中极易发生围岩垮塌和 冒落， 影响矿山的安全生产。图 1为焦家金矿巷道 围岩典型垮冒示意图。开展焦家金矿室内岩石力学 实验和现场岩体力学性质调查， 得到焦家金矿下盘 岩石的平均单轴抗压强度为 94.5 MPa， 矿体内岩石 的平均单轴抗压强度为 82.5 MPa， 上盘岩石的平均 单轴抗压强度为88.5 MPa。采用Barton Q岩体质量 评价方法， 得到其岩体的Q指标值为0.67～2.23， 平均 值为1.40。 2巷道围岩松动圈测试 为了准确获得焦家金矿破碎岩体条件下巷道围 岩的松动圈大小， 本项目联合采用超声波测试和钻 孔摄像测试手段， 以声波波速降低区以及孔壁围岩 裂纹发育情况作为判别指标， 确定巷道围岩松动圈 的大小， 为破碎岩体条件下的巷道支护参数的确定 提供数据支撑。 2. 1测试地点 测试地点选在焦家金矿-439 m分段100勘探线 联络巷， 联络巷为1/4三心拱断面， 断面尺寸为 （宽 高） 3.3 m3.0 m。根据焦家金矿的矿体赋存条件以 及岩体力学特征， 分别在靠近矿体上盘区域、 矿体内 2019年第12期张忠辉等 焦家金矿巷道围岩松动圈测试与破碎岩体支护技术 57 ChaoXing 以及矿体下盘区域布置3个测试钻孔。1钻孔靠近 矿体上盘， 钻孔深3.0 m， 2钻孔位于矿体内部， 钻孔 深4.6 m， 3钻孔位于矿体下盘， 钻孔深9 m， 如图2所 示。 2. 2测试手段 （1） 岩体超声波探测。本次测试采用中国科学 院武汉岩土力学研究所研制的 RSM-SY5智能声波 仪， 如图3所示。测试方法为单孔测试一发双收法。 实测工作在现场测试钻孔内进行， 自孔口向内逐点 进行测试， 测试间距为0.2 m。为避免人为误差， 每个 探测孔测试2次， 岩体声波速度v的计算方法为 v S1- S2 t1- t2 ，（1） 式中，t1为声波自发射探头经孔壁围岩到达接收探头 1的时间；t2为声波自发射探头经孔壁围岩到达接收 探头2的时间；S1为发射探头与接收探头1之间的距 离；S2为发射探头与接收探头2之间的距离。 （2） 数字全景钻孔摄像监测。本次采用的数字 全景钻孔摄像系统由中国科学院武汉岩土力学研究 所自行研制， 该设备不仅具有全景观察的能力， 还能 对钻孔内岩体结构面的位置、 产状及几何特征进行 精细量测、 计算和分析， 设备如图4所示。 2. 3测试结果 （1） 1探测孔。分析1探测孔的超声波探测结 果可以看出， 当距离孔口深度小于1.3 m时， 岩体波速 波动较大且显著降低， 对应该范围内的钻孔摄像结 果可以看出在0～1.3 m范围内孔壁围岩内存在多处 原生和次生裂隙， 而当距离孔口深度大于1.3 m后， 孔 壁围岩波速基本稳定在4 800～5 100 m/s， 因此， 可以 确定1探测孔围岩松动圈的范围为1.3 m， 测试结果 如图5所示。 （2） 2探测孔。分析2探测孔的超声波探测结 果可以看出， 当距离孔口深度小于1 m时， 岩体波速 显著降低， 在0～1.0 m范围内孔壁围岩内存在大量的 原生和次生裂隙， 而当距离孔口距离大于1 m后， 岩 体波速基本稳定性在4 100 m/s， 因此可确定2探测 孔围岩松动圈的范围为 1.0 m， 测试结果如图 6 所 示。 （3） 3探测孔。分析3探测孔的超声波探测结 果可以看出， 当距离孔口深度小于1 m时， 岩体波速 金属矿山2019年第12期总第522期 58 ChaoXing 显著降低， 在0～1.0 m范围内孔壁围岩内存在大量的 原生和次生裂隙， 同时发现距离孔口3.3 m处也存在 波速显著降低现象， 对照钻孔摄像结果， 该区域发育 一条宽为 1 cm 的原生裂隙带， 排除该声波异常区， 当距离孔口深度大于 1 m 后， 岩体波速基本稳定在 5 200 m/s， 因此， 可确定3探测孔围岩松动圈的范围 为1.0 m， 测试结果如图7所示。 对比以上3个探测孔的围岩松动圈测试结果可 知， 当巷道尺寸 （宽高） 为3.3 m3.0 m时， 焦家金 矿围岩松动圈范围为1.0～1.3 m， 且越靠近F1断层， 围 岩松动圈的范围越大。 3焦家金矿巷道围岩支护参数确定 进行巷道围岩支护设计， 首先要评估围岩所需 支护载荷的要求， 本项目基于焦家金矿岩体质量分 级结果计算围岩所需支护载荷 ［8， 9］。具体方法如下 Proof 200Jn 3JrQ1 3 ,0～2组主节理， （2） Proof 200 JrQ1 3, ＞2组主节理，（3） 式中，Proof为顶板围岩的支护载荷要求， kPa；Jn为岩体 的节理组数； Q为Barton Q分级指标。 根据焦家金矿现场岩体质量分级结果， 分别计 算其顶板围岩的支护载荷， 计算结果如表1所示。 基于焦家金矿巷道围岩松动圈的测量结果， 采 用悬吊理论确定锚杆的长度 L L1 h1 h2，（4） 式中， L为设计锚杆长度， m； L1为围岩松动圈尺寸， m； h1为锚杆锚入松动圈以外岩体的长度， m （一般取0.5 m） ； h2为锚杆的外露长度， m （一般取0.1 m） 。焦家金 矿围岩松动圈范围为1.0～1.3 m， 对应其设计锚杆长 度为1.6～1.9 m， 因此采用长度为1.8 m的锚杆满足设 计要求。 为方便计算， 初选时假设锚杆的间距与排距相 等。则其锚杆间距值a满足以下关系 a C P ，（5） 式中， C为所采用支护手段的设计支护能力， kN； P为 待支护围岩的支护载荷要求， kPa。 依据 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规 范 可知， 管缝式锚杆的设计支护能力为80 kN， 采用 式 （5） 可计算出锚杆支护参数， 如表1所示。 由于焦家金矿岩体节理裂隙较为发育， 因此在 采用锚杆支护加固的基础上， 还需增加围岩表面的 支护， 改变围岩表面的受力状态， 阻止锚杆间岩块的 掉落以及大范围的围岩冒落。采用喷射混凝土支护 与金属网支护相结合的方式能够有效支撑破坏围 岩， 阻止围岩的进一步破坏。同时焦家金矿岩体含 水为古海水， 对金属网和锚杆的腐蚀性强， 采用喷射 混凝土的方式可有效隔绝金属网、 锚杆与井下水的 接触， 延缓古海水对其的腐蚀作用。参考 岩土锚杆 与喷射混凝土支护工程技术规范 ， 选取焦家金矿巷 道喷射混凝土厚度为50 mm。 根据以上分析计算结果， 当围岩较破碎时 （III类 岩体） ， 焦家金矿巷道围岩支护应采用管缝锚杆金 属网喷射混凝土的联合支护方式。管缝锚杆长1.8 m， 设计锚杆间距为1.0～1.2 m （顶板锚杆间距1.0 m， 两帮锚杆间距1.2 m） ， 设计锚杆排距1.2 m， 标准设计 如图8所示。 4巷道支护效果评价 4. 1现场工业试验地点 根据确定的焦家金矿巷道围岩支护方案， 进行 现场工业试验， 验证所提出支护方案的合理性。试 验地点位于焦家金矿-439 m 分段 100勘探线联络 巷， 该巷道施工长度为60 m， 自矿体下盘穿过矿体一 致延伸到上盘F1断层， 涵盖焦家金矿典型矿岩类型。 2019年第12期张忠辉等 焦家金矿巷道围岩松动圈测试与破碎岩体支护技术 59 ChaoXing ［1］ ［2］ 巷道施工后， 分别在靠近矿体上盘、 矿体内以及矿体 下盘安装3处巷道围岩收敛变形连续监测系统， 如图 9所示， 用于监测支护前后巷道围岩的收敛变形值， 评 价支护效果。该巷道施工完毕3个月后， 开始进行支 护方案的现场工业试验， 巷道收敛变形监测周期为 2017年9月8日2018年6月8日， 共计9个月。 4. 2现场工业试验结果 图10显示了巷道围岩收敛变形监测断面SL-1、 SL-2和SL-3的监测结果， 从图中曲线可以看出， 自 巷道施工后， 3 处监测点的围岩收敛变形均持续增 加， 且顶板围岩的变形量远大于两帮围岩的变形量。 SL-1监测断面的顶板围岩最大变形量为25 mm， 两 帮围岩最大变形量为6 mm。SL-2监测断面的顶板 围岩最大变形量为17 mm， 两帮围岩最大变形量为8 mm。SL-3 监测断面的顶板围岩最大变形量为 6 mm， 两帮围岩最大变形量为2 mm。对比3个监测断 面的数据可以看出， 下盘围岩的收敛变形量显著小 于矿体及上盘围岩。自2017年12月20日2017年 12月30日， 该巷道进行管缝锚杆金属网喷射混凝 土支护后， 以上 3个监测断面的围岩变形均趋于稳 定， 且在6个月的监测期内， 围岩累计变形量不在增 加。由此可以认为， 该支护方式以及支护参数能够 有效保证焦家金矿巷道围岩在服务周期内的稳定 性。 5结论 （1） 联合应用超声波探测与数字全景钻孔摄像 手段， 获得了焦家金矿破碎岩体条件下的巷道围岩 松动圈范围为1.0～1.3 m。为巷道支护中锚杆长度的 设计提供数据支撑。 （2） 基于焦家金矿岩体质量分级结果， 得到焦家 金矿岩体质量 Q指标为 0.67～2.23， 围岩所需支护载 荷值为51.08～76.17 kPa。 （3） 基于焦家金矿围岩松动圈测试结果以及围 岩支护载荷计算结果， 确定巷道围岩采用管缝锚杆 金属网喷射混凝土的支护方式。管缝锚杆长1.8 m， 设计锚杆间距为1.0～1.2 m （顶板锚杆间距1.0 m， 两帮 锚杆间距1.2 m） ， 设计锚杆排距1.2 m， 喷射混凝土厚 度为50 mm。 （4） 开展支护方案的现场工业试验， 由围岩收敛 变形监测结果可以看出， 受围岩碎裂和蚀变作用影 响， 焦家金矿巷道掘进后围岩变形量持续增加， 且矿 体和上盘围岩变形量明显大于下盘围岩。当采用管 缝锚杆金属网喷射混凝土的支护方式进行支护 后， 可有效控制巷道围岩变形， 保持巷道围岩稳定。 参 考 文 献 宋明春， 伊丕厚， 徐军祥， 等. 胶西北金矿阶梯式成矿模式 ［J］ . 中国科学 地球科学， 2012， 42 （7） 992-1000. 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