深部采场开采扰动下巷道围岩松动圈演化规律研究_徐世达.pdf

收稿日期2019-09-22 基金项目 “十三” 五国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801605） ， 国家自然科学基金青年基金项目 （编号 51704056） ， 中央高校基本科研业 务费专项 （编号 N160103006） ， 中国博士后基金项目 （编号 2017M621152） 。 作者简介徐世达 （1987） ， 男， 讲师， 博士。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 深部采场开采扰动下巷道围岩松动圈 演化规律研究 徐世达 1， 2 皇甫风成 3 雷刚 1， 2 李元辉 1， 21 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 深部金属矿山安全开采教育部重点试验室， 辽宁 沈阳 110819； 3. 新疆阿舍勒铜业股份有限公司， 新疆 阿勒泰 836500） 摘要深部开采过程中， 经常会遇到采场周边巷道围岩支护失效、 巷道破坏等问题。为改善支护效果， 采用声 波测试技术研究阿舍勒铜矿深部采场开采过程中的巷道围岩损伤规律， 着重分析与采场不同距离处巷道围岩损伤程 度的差异。结果表明 深部采场开采扰动对周边巷道围岩松动圈厚度有明显影响， 随着开采扰动次数增加， 各测孔处 的巷道围岩损伤均出现了不同程度增长； 采场开采过程中， 随着与采场距离的增大， 开采扰动对岩体的损伤逐渐减小。 阿舍勒铜矿深部采场开采下盘应力集中区距下盘采场边界距离为20～25 m； 距离采场下盘最终边界25 m处的测孔开 采扰动累积损伤增量小于开采前损伤量的20。采场开采扰动前， 巷道围岩松动圈与巷道位置无关， 阿舍勒铜矿 50 m中段巷道围岩松动圈厚度为1.4～1.7 m； 开采扰动后， 采场附近巷道围岩松动圈厚度为1.6～2.0 m。研究成果对 于改善矿井支护效果、 降低支护成本有一定的参考价值。 关键词深部开采松动圈厚度巷道围岩声波速度岩体损伤 中图分类号TD853， TD31文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-014-06 DOI10.19614/ki.jsks.201911003 Study on the Loosen Zone Evolution of Roadway Surrounding Rock under Mining Disturbance Xu Shida1， 2Huangfu Fengcheng3Lei Gang1， 2Li Yuanhui1， 22 （1. Shool of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines， Shenyang 110819， China； 3. Xinjiang Ashele Copper Co.， Ltd.， Altay 836500， China） AbstractThe failure of support and roadway surrounding rock near the stope are usually observed in the deep mining. In order to improve the supporting quality， this paper adopts ultrasonic detection to study the damage law of the roadway sur- rounding rock in the deep stope mining of Ashele Copper Mine.And the influence of the distance between the stope and the damaged rock of the mine is analyzed emphatically.The results show that the mining of deep stope has an apparent impact on the thickness of loosen zone.With the increase of mining disturbance， the damage of roadway surrounding rock at different test holes have different degrees of growth.The damage caused by mining disturbance is closed to the distance between the rock lo- cation and the stope.The longer distance， the lower damage to the roadway surrounding rock.The distance between the stress concentrated area to the stope boundary ranges from 20 m to 25 m.Damage induced during mining process is less than 20 when the distance exceeds 25 m.There is no apparent relation of the location of the roadway， with 1.4～1.7 m of the thickness of loosen zone.The thickness of loosen zone of the roadway surrounding rock increases to 1.6～2.0 m after the mining of the nearby stope.The above study results are of great significance to improve supporting effects and reduce supporting costs. KeywordsUnderground mining， Thickness of loosen zone， Roadway surrounding rock， Acoustic velocity， Rock mass damage Series No. 521 November2019 地下矿床开采时， 不可避免地需要开挖大量巷道， 势必会打破岩体原有的应力平衡， 引起围岩应力 14 ChaoXing 重分布 ［1］。当应力大于围岩岩体强度时， 围岩会发生 破裂， 进而在巷道周围形成破碎带， 称为松动圈 ［2］。 松动圈是巷道稳定性判别和支护设计的重要依 据 ［3-5］。准确确定巷道围岩松动圈的厚度， 对于保障 巷道施工安全具有重要意义。 声波测试方法是巷道围岩松动圈测试最常用的 方法之一 ［6-7］。赵国彦等［8］选取岩石单轴抗压强度、 围岩节理系数、 围岩重度、 巷道埋深、 最大水平主应 力、 巷道跨度等物理量， 基于量纲分析建立了巷道围 岩松动圈预测模型； 肖建清等 ［9］基于松动圈的现场测 试结果， 研究了声波波速沿孔深的变化规律以及爆 破施工对于松动圈的影响， 为软岩隧洞的围岩支护 提供了依据； 陈建功等 ［10］将巷道围岩松动区分为破 碎区和塑性软化区， 依据破碎区围岩应力分布及残 余强度理论， 提出了围岩松动区半径计算方法， 并采 用现场实测数据对该方法进行了验证； 黄锋等 ［11］考 虑了埋深、 围岩等级的影响， 对比分析了采用弹塑性 理论和损伤理论计算松动圈厚度的可靠性， 并采用 现场声波测试对其进行了验证； 靖洪文等 ［12］基于声 波测试技术对几个矿山不同深度、 不同岩性的松动 圈厚度进行了测试， 揭示了松动圈厚度与开采深度、 围岩强度、 采动次数、 临界开采深度、 支护难度等因 素之间的关系； 于凤海等 ［13］总结了大松动圈巷道周 围应力分布特征， 分析了大松动圈围岩锚杆锚固支 护机制； 姜永恒等 ［14］采用声波测试技术对镇沅金矿 松软破碎巷道围岩松动圈进行了测试， 并对比分析 了不同岩性条件下波速及松动圈厚度的差异； 万串 串等 ［15］对马路坪矿640 m运输大巷新开挖的20 m巷 道进行了围岩松动圈测试， 并采用数值模拟方法对 测试结果进行了验证； 张海磊等 ［16］基于松动圈理论， 采用声波测试技术对某铜矿隔离矿柱的巷道围岩松 动圈进行了测试， 并据此分析了隔离矿柱的稳定性； 时磊等 ［17］采用声波测试技术对破碎巷道围岩松动圈 厚度进行了测试， 其数值与理论计算值吻合较好； 杨 胜利等 ［18］从力学角度分析了松动圈的形成过程， 采 用声波测试仪对金川Ⅲ矿运输巷道围岩松动圈厚度 进行了测试分析； 钱振宇等 ［19］采用声波测试技术测 试了三山岛金矿深部-600 m中段巷道围岩松动圈， 将其与模拟的塑性区范围进行了对比分析。现阶 段， 多数理论计算及现场声波探测主要关注静态巷 道围岩松动圈范围， 较少研究巷道围岩松动圈的动 态发展演化规律， 尤其是处于采场开采扰动范围内 的巷道围岩松动圈。据此开展的支护参数优化忽略 了松动圈厚度的差异， 易造成局部区域支护强度不 足或局部区域支护过度。 本研究以新疆阿舍勒铜矿为例， 采用声波测试 技术测试该矿深部采场开采过程中巷道围岩松动圈 厚度， 总结采场不同位置的松动圈厚度分布特征， 揭 示开采扰动下松动圈厚度演化规律， 提出巷道支护 参数优化建议， 供类似矿山借鉴。 1矿山概况 阿舍勒铜矿位于新疆阿勒泰地区， Ⅰ矿体铜金 属量占矿床总储量的97.43， 矿体走向长度853 m， 矿体厚度2 045 m， 西翼平均厚度20 m， 倾角55～85。 矿体赋存于阿舍勒组第二岩性中亚段的英安质沉凝 灰岩、 含砾沉凝灰岩上部。矿体形态严格受地层及 向斜构造控制， 横断面呈 “鱼钩” 状， 水平断面呈 “镰 刀” 状。矿体总体呈SN向分布， 阿舍勒铜矿铜矿石品 位为2.43， 主要矿物为黄铜矿， Zn、 S共生。矿体顶 板主要为下亚段的玄武熔岩层， 底板为上亚段的英 安质沉凝灰岩、 含砾沉凝灰岩。 阿舍勒铜矿采用大直径深孔嗣后充填法开采， 采场高度 50 m， 宽度 12 m， 长度视矿体厚度定。顶 部采用双巷道凿岩硐室布置形式， 堑沟出矿， 大孔 VCR法拉切割槽。切割槽形成后大孔侧向崩矿， 每 次崩 5～7 m。矿体回采完后进行胶结充填。本研究 测试选定阿舍勒铜矿深部0 m中段1采场， 采场结构 见图1。 2声波探测 2. 1声波探测原理 声波测试是基于弹性波在固体中的传播特性， 利用人工发射弹性波， 在不同位置接收声波， 根据接 收声波的时间差及距离差来进行综合判断 （图 2） 。 本研究采用单孔声波测试方法， 利用声波仪测量探 头F发射的声波脉冲到达两个接收器 （S1、S2） 的时间 差及其行程计算波速。岩体的纵波速度为 VPL3- L1T， （1） 式中，L3为发射探头与最远接收探头之间的距离；L1 为发射探头与最近接收探头之间的距离；T为两探头 2019年第11期徐世达等 深部采场开采扰动下巷道围岩松动圈演化规律研究 15 ChaoXing 接收到波形之间的时间差。 测试设备采用中国科学院武汉岩土力学研究所 智能仪器室研发的RSM-SY5 （T） 型数字式超声波仪， 该型设备具有使用方便、 做工精细、 检测效率高等优 点。仪器触发阈值设置为20 mV。采样长度设置为 0.5 k档， 采样精度设置为0.1 us。 2. 2深部采场开采过程声波探测 0 m中段1采场声波测孔布置见图1。下盘穿脉 巷道布置5个测孔， 测孔间隔5～7 m。下盘、 上盘沿 脉巷道各布置2个测孔， 分别分布在巷道两帮。声波 测孔孔口距离巷道底板1.5 m， 测孔垂直于巷道帮壁， 水平向下倾斜5， 钻孔深度设计为3.5 m， 钻孔直径为 50 mm。测试时， 测孔内注满水， 探头由孔底逐步往 孔口移动， 每次移动距离为0.1 m。 2. 3岩体损伤度 基于声波法的岩体损伤度D的计算公式为 ［20］ D 1 - v v0 2 ，（2） 式中，v为扰动后的岩体波速；v0为完整岩块的波速。 据测试， 凝灰岩岩块中波速为3 540 m/s， 黄铁矿岩块 中波速为5 054 m/s。因此， 本研究计算的岩体损伤 为爆破后相对于岩块的损伤。 3开采扰动下巷道围岩松动圈演化规律 3. 1初始松动圈厚度 图 3为 0 m中段 1采场开采前C1测点随孔深增 加的波速曲线。由图 3可知 孔深 0.6 m 时， 波速为 1 994 m/s； 孔深增大至0.8 m时， 波速下降至1 748 m/s； 孔深增大至0.9 m时， 波速增大至2 282 m/s； 当孔深增 大至1.1 m时， 波速为2 099 m/s。由此看出 当孔深小 于1.1 m时， 波速处于波动起伏的缓慢上升阶段。此 后， 随着孔深增加， 波速急剧增大； 当孔深达到1.6 m 时，C1测点波速达到最大， 数值为3 214 m/s； 孔深超过 1.6 m后， 波速呈一定程度的下降， 最终维持在2 600～ 3 030 m/s范围内波动。依据C1测点不同孔深的波速 分布情况， 可判定1采场开采扰动前C1测孔处巷道 围岩松动圈厚度为1.6 m。C1测孔在孔深1.1 m前后 波速变化特征差异明显， 容易辨认。但部分测点在 波速达到最大值过程中， 总体呈波动特征的增大， 使 得波速急剧上升阶段和波速缓慢上升阶段不易区 分， 因此， 本研究以最大波速对应的孔深作为松动圈 边界。 图 4 为 1采场附近不同测点处的松动圈厚度。 C1～C5测孔分布在穿脉巷道中，C6、C7测孔处于下盘 沿脉巷道，C8、C9测孔位于上盘沿脉巷道。9个声波测 孔中，C2、C3、C4测孔处松动圈厚度分别为1.4、 1.5、 1.7 m， 其余6个测孔处的松动圈厚度均为1.6 m。仅从1 采场声波测试数据可以得出， 采场开采扰动前测点 松动圈厚度与其所在的巷道位置无明显关系。 3. 2深部采场开采扰动松动圈演化规律 1采场开采过程中，C1、C3、C6和C84个测孔处的 松动圈厚度变化曲线如图5所示。由图5可知 处于 下盘穿脉巷道距离采空区最近的C1测孔处的初始松 动圈厚度为1.6 m， 前两次开采未对C1测孔处的松动 圈厚度产生影响， 直至第3次开采时， 松动圈厚度增 加至1.8 m。紧接着第4、 5次开采时松动圈厚度未发 生明显变化。第6次开采C1测孔处的松动圈厚度增 加至1.9 m。同样处于下盘穿脉巷道的C3测孔处的巷 道围岩松动圈变化呈现出与C1测孔不同的规律， 前3 次开采松动圈厚度未增长， 第4、 5次开采分别增长至 1.6 m和1.8 m， 第6次开采时松动圈厚度无变化。位 于下盘沿脉巷道靠近矿体侧的C6测孔， 仅第2、 6次开 采使其松动圈厚度各增加了0.1 m。位于上盘沿脉巷 道靠近矿体侧的C8测孔， 第2、 3、 6次开采分别使其松 动圈厚度增加了0.1、 0.2、 0.1m。由此可见， 并非每次 开采活动都会引起各测点处的松动圈厚度增大。 金属矿山2019年第11期总第521期 16 ChaoXing 图6为1采场开采结束后各声波测孔处松动圈 厚度。与图4相比， 除了C7测孔外， 其他各测点处的 巷道围岩松动圈厚度均有不同程度的增长。C1、C3测 孔处松动圈厚度增加了 0.3 m，C2、C8测孔处增加了 0.4 m，C4～C6、C9测孔处增加了0.2 m，C7测孔无变化。 由9个测孔处的松动圈厚度增长量可以看出， 在矿体 下盘， 松动圈厚度增长量与距开采区域的距离近似 成反比。在上盘， 近矿体侧的C8测点处松动圈厚度 增长量也大于C9测孔处。1采场开采结束时， 各测点 处的最终松动圈厚度也具有相同的规律。在下盘， 距离开采区域最近的C1测孔处的松动圈厚度最大， 达到1.9 m， 随着与开采区域距离的增加， 松动圈厚度 减小至1.8 m， 到达沿脉巷道远离矿体侧的C7测孔时， 松动圈厚度降为1.6 m。在矿体上盘， 与开采区域距 离较近的C8测孔处松动圈厚度为2.0 m， 相对较远的 C9测孔处松动圈厚度为1.9 m。综上分析， 开采扰动 后的巷道围岩松动圈厚度呈现出距离开采区域越 远、 巷道围岩松动圈厚度越小的规律。 4开采扰动下巷道围岩体损伤规律 依据图5松动圈厚度增长曲线， 选取C1测孔爆破 前、 第3次、 第6次爆破分析沿孔岩体损伤分布规律， 结果见图7。依据本研究采用的波速最大点对应位 置为松动圈边界， 一般测孔中岩体损伤最小值对应 的孔深为松动圈边界。在C1测孔孔深小于1.6 m时， 爆破前、 第3次爆破和第6次爆破后的岩体损伤无明 显规律， 是由于在松动圈范围内， 岩体已经产生了较 严重的损伤， 后续的开采扰动对该区域影响不大。 当孔深为1.6～2.0 m时， 爆破前岩体损伤度D最小为 0.176， 此时对应的孔深为1.6 m。第3次爆破后D最 小为0.233， 对应的孔深为1.8 m。第6次爆破后D最 小为 0.258， 对应的孔深为 2.0 m。当孔深大于 2.0 m 后， 第6次开采扰动后的岩体损伤最大， 其次是第3 次开采扰动后的岩体损伤， 第1次开采扰动前的岩体 扰动损伤最小， 说明随着开采进行， 处于下盘围岩处 的岩体损伤逐渐增大。 依据式 （2） 计算的不同深度处声波测孔随爆破 次数增加的岩体损伤变化曲线见图8。分析该图可 知 随着爆破次数增加， 各测孔处的岩体损伤均出现 了不同程度增长。C1测孔在第3次采场爆破开采时 D值增长幅度较大， C2、 C3、 C5测孔分别在第4、 5、 6次 采场爆破开采时D值增长幅度较大。由C1至C5， 采 场整个开采过程导致的岩体损伤增量越来越小。至 C5测孔时， 每次开采扰动导致的损伤增量较小， 增长 幅度最大的第6次爆破，ΔD为0.012， 接近开采前损 伤的5， 整个开采过程中测孔不同深度的岩体累积 损伤增量平均小于20。 综上分析可知 随着与采场距离的增大， 开采扰 动对岩体的损伤逐渐减小。采场周边巷道围岩松动 圈的变化是开采扰动下岩体损伤的发展演化所致。 开采扰动对岩体的损伤是采场开采导致的应力调整 和爆破扰动共同作用的结果。爆破扰动导致的岩体 损伤随着爆破振动波传播距离的增加迅速减弱。深 部采场开采将引起应力重分布， 在与采场不同距离 处依次形成应力卸载区、 应力集中区和原岩应力区， 结合图8中D值的变化规律可判断出， 第3次开采爆 2019年第11期徐世达等 深部采场开采扰动下巷道围岩松动圈演化规律研究 17 ChaoXing 破时的C1测孔、 第4次开采爆破时的C2测孔、 第5次 开采爆破时的C3测孔以及第6次开采爆破时的C5测 孔均处于应力集中区内， 据此判断阿舍勒铜矿深部 采场开采下盘应力集中区与下盘采空区边界的距离 为20～25 m。 5结论 （1） 深部采场开采对周边巷道围岩松动圈厚度 有明显影响， 随着开采扰动次数增加， 各测孔处的巷 道围岩损伤均出现了不同程度增长。 （2） 采场开采扰动前， 巷道围岩松动圈厚度分布 与巷道位置无明显关系， 巷道围岩松动圈厚度为1.4～ 1.7 m； 开采扰动后， 巷道围岩松动圈厚度与巷道和采 场的相对位置密切相关， 巷道围岩松动圈厚度范围 为1.6～2.0 m。 （3） 随着与采场距离的增大， 开采扰动对岩体的 损伤逐渐减小。阿舍勒铜矿深部采场开采下盘应力 集中区与下盘采空区边界的距离为20～25 m。该矿 深部开采距离采场边界25 m处的测孔开采扰动累积 损伤增量小于开采前损伤量的20。 参 考 文 献 Li Y H， Xu S D， Liu J P.A new convergence monitoring system for tunnel or drift based on draw-wire displacement sensors ［J］ .Tunnel- ling and Underground Space Technology， 2015， 4992-97. 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