拜什塔木铜矿爆破开采软岩巷道围岩损伤规律研究.pdf

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拜什塔木铜矿爆破开采软岩巷道围岩损伤规律研究 ① 张爱卿1,2, 王贻明2, 王少勇2, 周发陆3 (1.北华航天工业学院 建筑工程学院,河北 廊坊 065000; 2.北京科技大学 膏体充填采矿技术研究中心,北京 100083; 3.新疆铜辉矿业有限责任公司, 新疆 伽师 844000) 摘 要 为了揭示中深孔爆破对软岩巷道围岩产生的损伤规律,以拜什塔木铜矿项目为依托,采用井下监测开采巷道围岩位移和 巷道收敛变形的方法,对软岩巷道围岩在中深孔爆破作用下累计损伤规律进行了研究。 结果表明,随着爆破不断向深部扩展,岩石 蠕变速率不断增大,且靠近空区部分测点表现为向围岩深部移动的特征,软岩巷道围岩最大位移量为 4 cm,表明现有支护形式可以 抑制软岩巷道围岩变形的继续发展。 10 中段 2#测点的收敛速率介于 0.02~0.5 mm/ d 之间,属于欠稳定巷道;1#测点巷道收敛速率 均大于 0.5 mm/ d,属于不稳定巷道,虽有减缓趋势,但变形量不断增加,且水平方向变形大于垂直方向变形,不利于软岩巷道围岩的 稳定,应采取措施加固软岩巷道。 关键词 中深孔爆破; 软岩巷道; 损伤; 位移; 收敛速率; 支护; 变形 中图分类号 TD853文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.06.004 文章编号 0253-6099(2020)06-0013-04 Damage Rule for Surrounding Rock of Soft-Rock Roadway in Blasting Excavation of Baishitamu Copper Mine ZHANG Ai-qing1,2, WANG Yi-ming2, WANG Shao-yong2, ZHOU Fa-lu3 (1.College of Architecture and Engineering, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, Hebei, China; 2.Research Center of Paste Backfill and Mining, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3.Xinjiang Tonghui Mining Co Ltd, Jiashi 844000, Xinjiang, China) Abstract The Baishitamu copper mine project was taken in the research for revealing the damage rule for the surrounding rock of soft-rock roadway caused by medium-depth hole blasting. The cumulative damage of surrounding rock in soft-rock roadway under the action of medium-depth hole blasting was studied by using downhole observation of the surrounding rock displacement and convergence deformation of roadway. Results show that as the blasting proceeds towards the deep part, the creep rate of rock continues to increase, and some measurement points close to the mind-out area show the characteristics of movement towards the deep part of the surrounding rock. The maximum displacement of the surrounding rock in the soft-rock roadway is 4 cm, indicating that the existing support can restrain the continuous development of the surrounding rock deformation in the soft-rock roadway. The convergence rate of measurement point 2#in the sublevel 10 is between 0.02~0.5 mm/ d, indicating that the roadway is less stable. The convergence rate of measurement point 1#is higher than 0.5 mm/ d, indicating that the roadway is unstable. Although it is on the downward trend, the deformation continues to increase, being higher in the horizontal direction than in the vertical direction, which is not conducive to the stability of the surrounding rock of the soft-rock roadway, thus measures should be taken to reinforce the soft-rock roadway. Key words medium-depth hole blasting; soft-rock roadway; damage; displacement; convergence rate; support; deformation 拜什塔木铜矿原采用无底柱连续开采分段崩落留 矿采矿法,虽然具有采矿回收率高、采矿成本低等优 势,但随着不断向深部开采,地压的影响逐渐显现出 来,出现了采矿生产能力小、回采作业不安全、作业环 境不佳等问题,回采效率、作业安全性远远不能满足生 产要求。 针对拜什塔木铜矿原采矿方法存在的问题, ①收稿日期 2020-06-23 基金项目 国家自然科学基金(51674012) 作者简介 张爱卿(1983-),男,黑龙江黑河人,博士,主要从事岩石力学及采矿工程方面的理论和实践研究工作。 第 40 卷第 6 期 2020 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №6 December 2020 拟采用中深孔爆破替代原采矿方法。 区域巷道的稳定 是判断中深孔爆破效果好坏的判别依据之一[1-6]。 国 内很多学者在中深孔爆破法的设计及数值模拟方面展 开了研究[7-10],但对中深孔爆破开采软岩巷道累计变 形监测的研究相对较少。 中深孔爆破对软岩巷道变形 及对周边环境的影响一般很难通过解析的方法求解。 现场监测的方法为解决这类问题提供了有力工具。 本 文以拜什塔木铜矿为背景,通过工程地质调查制定中 深孔爆破和监测方案,对开采软岩巷道围岩位移和软 岩巷道收敛变形进行现场监测,分析软岩巷道在爆破 作用下的累计变形规律,以期对其他类似矿山采用中 深孔爆破开采时软岩巷道的支护提供借鉴。 1 工程地质调查 拜什塔木铜矿为单斜构造,矿区内未发现大的断 层,矿体平均厚度6.24 m,属厚度稳定型矿体。 矿体产 状较稳定,600 m 水平以上倾角为 80,岩层裂隙不发 育,节理罕见,但层理发育。 矿岩硬度系数 3~5,硬度 较小。 现场进行岩体 RQD 调查,结果见表 1。 从现场 测试结果来看,矿体下盘围岩较上盘围岩和矿体相比 破碎,且部分交叉,切割破碎相对较为严重,测量部分 裂隙较多,软硬不一。 表 1 岩体 RQD 分析结果 岩体 类型 RQD 值/ % Farmer 密度 估计法 体积节理统计 估算法 精测线 估算法 综合 取值 矿体上盘围岩50~7574.0176.5275.0 矿体50~7589.6188.7989.0 矿体下盘围岩25~5052.6359.1855.0 2 中深孔爆破与监测方案设计 2.1 中深孔爆破方案 试验采场选择在矿区 10 中段。 采场高度 40 m, 长度 30 m,采场宽度6 m(即矿体平均厚度)。 采场回采 前,进行该采场底部 3 m 的高强度膏体充填,将其作为 人工假顶;矿柱、矿房分别进行拉底,采用浅孔落矿,回 采方式采用中深孔爆破落矿。 进路开采及底部出矿结 构均采用 42 mm 浅孔爆破,采场采用 110 mm 孔径、由 下至上多分层多排微差爆破崩矿法联合爆破工艺。 主要工艺流程为进路充填养护期结束后,在采场 底部靠近下盘处采用 7655 凿岩机浅孔爆破,拉底层高 度 2.5 m;爆破采用多排多分层微差爆破,每个炮孔共 进行 5 次爆破,爆破高度分别为 1.2 m,3.6 m,6.0 m, 8.4 m,16.8 m,每次爆破完毕出矿 40%,原则上补偿空 间应不小于崩矿体积的 30%,直至采场顶板。 为了保 证爆破有足够的补偿空间,根据矿山平均每天的出矿 能力,爆破至出矿结束设计为 7 天。 中深孔爆破方案 示意图见图 1,炮孔平面布置见图 2 中凿岩硐室内的 6 排炮孔。 1 假底 2 爆堆 3 矿体 4 凿岩嗣室 5 出矿穿脉 6 炮孔 7 脉外巷 8 充填挡墙 9 底部结构 10 天井 11 联络道 12 加穿 HH-H Ⅰ-Ⅰ H Ⅰ Ⅰ 1 4 3 80 20 10 11 6 7 9 10 5 2 8 12 620 10 337 2010 图 1 爆破方案示意(单位m) 图 2 监测点布置图 2.2 监测方案 为了监测中深孔爆破对软岩巷道变形的影响,本 次中深孔爆破过程将进行以下现场监测① 软岩巷道 收敛变形规律的现场监测;② 软岩巷道周边围岩移动 规律的位移现场监测。 主要的监测仪器有多点位移计 和收敛计。 监测点布置在试验采场上中段的软岩巷道,共选 取 3 个有代表性的位置,监测点布置见图 2。 图中矩 形虚线范围内为软岩巷道收敛变形监测,椭圆形虚线 范围内为软岩巷道围岩位移监测[10-12]。 监测内容包 41矿 冶 工 程第 40 卷 括软岩巷道围岩位移监测(1 个断面 1 个水平测点, 每个多点位移计由 5 个测点组成,分别测定距离软岩 巷道表面 0.8 m、1.6 m、2.4 m、3.2 m 和 4.0 m 的岩体移 动状况,其中测点 1 为长度 4 m 处的点,测点 2 为长度 3.2 m 处的点,以此类推,测点 5 为长度 0.6 m 的点)、 软岩巷道收敛变形监测(2 个断面,每个断面的顶、帮、 拱共 3 个测点)。 软岩巷道收敛变形监测点测线布置 如图 3 所示。 顶板 左帮右帮 测线1 测线2测线3 图 3 收敛计测线布置图 3 监测数据分析 3.1 巷道围岩位移分析 10 中段软岩巷道围岩位移变化曲线见图 4。 由图 4 可以看出,10 中段巷道围岩在中深孔爆破作用下,16 d 之后测点曲线出现了较大的波动,尤其是测点 1~3,在 爆破结束 7 d 之内一直产生向采空区移动的现象,测 点 4 和 5 在爆破结束初期也出现向采空区移动的现 象,后期逐渐产生了向巷道内部移动的现象。 出现该 现象的原因是由于监测点布置在矿体下盘围岩中,测 点 1~3 离矿体较近,爆破后随着矿体的崩落,下盘围 岩向采空区产生了较大位移,最大位移量为 4 cm。 后 期由于围岩产生拱效应,爆破后经过 7 d 的时间,巷道 围岩的变形区域逐渐趋于稳定;测点 4 和 5 距离巷道 较近,前期受到爆破影响,围岩向采空区移动,后期由 于地应力的作用,出现向巷道内部移动的现象。 时间/d 3.0 1.5 0.0 -1.5 -3.0 -4.50 153045 位移/cm 测点1 测点2 测点3 测点4 测点5   爆破 图 4 10 中段软岩巷道围岩位移变化曲线 围岩松动圈理论和大量工程量测结果表明,由于 应力重分布及复杂的围岩动态,围岩位移最大值一般 出现在靠近巷道壁位置,从巷道壁向围岩深部,围岩位 移逐渐减小,最后在原岩区基本无位移显现,即出现松 动(弛)区、塑性区、过渡带和原岩区。 现场监测表明, 采用中深孔爆破后,监测巷道的围岩变形特征并不完 全符合上述基本规律,许多测点围岩位移分布特征甚 至出现相反的情况。 如图 4 所示,围岩位移最大值都 出现在最深部测点处。 这也在一定程度上反映了研究 区域围岩破碎的特征,表明在围岩应力和爆破的共同 作用下,围岩深部测点随着岩体一起朝着采空区方向 移动,而巷道浅部测点产生向巷道内部移动的规律。 3.2 巷道收敛变形分析 10 中段软岩巷道围岩收敛位移监测结果见图 5。 从图 5 可以看出,由于矿体及围岩自身的强度较低,监 测巷道的周边受到其他采场开采的影响,在爆破之前, 就已经产生了波动,但其波动较小。 10 中段 2 个测点 的收敛值在第 5 次爆破后才出现迅速增大,表明巷道 在爆破作用下产生了较大的变形,且变形量均为正值, 说明巷道变形表现为全断面收敛,且以两帮相对收敛 为主,其中 10 中段 1#测点的水平测线累计收敛值最 大,达 30.1 mm,这与多点位移计的监测规律相吻合。 时间/d 32 24 16 8 0 02010304050 累计变形量/mm 测线1 测线2 测线3  爆破 时间/d 24 18 12 6 0 02010304050 累计变形量/mm 测线1 测线2 测线3  爆破 a b 图 5 10 中段软岩巷道围岩收敛位移监测结果 (a) 1#测点; (b) 2#测点 出现上述现象的原因是,巷道收敛变形既与岩体 51第 6 期张爱卿等 拜什塔木铜矿爆破开采软岩巷道围岩损伤规律研究 自身条件和地应力有关,又与支护设计和爆破密切相 关。 在地应力条件下,水平方向初始地应力大于垂直 方向,加上爆破对周边围岩压力主要也是发生在水平 方向,导致巷道两侧围岩位移较大,支护呈尖顶形状破 坏、巷道两侧围岩收敛鼓帮、开裂和剥落等。 由软岩巷道收敛曲线可知,虽然各行线各时段的 收敛速率有一定差异,但整体变化规律基本一致,即巷 道收敛量呈现逐渐增加趋势,爆破后变形速率有减缓 的趋势,这也反映出了矿区岩体的流变特性,同时也说 明了当前的支护方式对于改善围岩应力状态进而控制 围岩变形起到了一定的效果。 从巷道收敛变形监测结果可以看出,水平巷道流变 特性明显,且以水平收敛为主,水平方向收敛大于垂直 方向收敛,主要表现为两帮侧压内挤变形;巷道累计收 敛变形 15.8~30.1 mm,平均收敛速率 0.37~0.71 mm/ d, 最大变形量发生在10 中段1#位置;巷道变形尚处于减 速变形阶段,变形速率有减缓趋势,部分地段趋于稳定 阶段,但累计收敛量仍然呈现缓慢上升趋势。 巷道变形速率可以反映出巷道的稳定性,一般而 言,收敛速率小于 0.02 mm/ d 时,属稳定巷道,收敛速 率 0.02~0.5 mm/ d 时,属欠稳定巷道,收敛速率大于 0.5 mm/ d 时,属不稳定巷道。 试验段巷道中 10 中段 2#测点的收敛速率介于 0.02~0.5 mm/ d 之间,属于欠 稳定巷道,1#测点巷道收敛速率大于 0.5 mm/ d,属于 不稳定巷道,必须在原有支护结构的基础上及时增加 新的支护结构,才能防止安全事故的发生。 4 结 论 1) 软岩巷道围岩位移监测结果表明,中深孔爆破 后监测曲线出现了较大的变化,最大软岩巷道围岩位 移出现在 10 中段,最大位移量为 4 cm。 监测结果显 示出软岩巷道松动圈的圈层结构,在中深孔爆破作用 下,由于围岩自身破碎,围岩位移随深度增加并非都是 逐渐减小的变化规律,部分位置围岩最大位移甚至出 现在围岩最深部测点处,且研究区域部分测点表现为 向围岩深部移动的特征。 2) 从软岩巷道收敛变形监测结果可以看出,水平 软岩巷道流变特性明显,且以水平收敛为主,水平方向 收敛大于垂直方向收敛,主要表现为两帮侧压内挤变 形;最大变形量发生在 10 中段 1#测点位置;软岩巷道 变形尚处于减速变形阶段,变形速率有减缓趋势,部分 地段趋于稳定阶段,但累计收敛量仍然呈现缓慢上升 趋势,软岩巷道稳定状态良好。 试验段巷道中 10 中段 2#测点的收敛速率介于 0.02~0.5 mm/ d 之间,属于欠 稳定巷道;1#测点巷道收敛速率大于 0.5 mm/ d,属于 不稳定巷道,必须在原有支护结构的基础上及时增加 新的支护结构,才能防止安全事故的发生。 参考文献 [1] 张志镇,高 峰,林 斌,等. 岩石冲击倾向与其波速变化的相关 性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012,31(S2)3527-3532. 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