龙首矿西二采区回采巷道围岩松动圈现场测试分析研究

2019-10-25李宏业苏华友范永亮雷国荣尹幸乐

有色金属（矿山部分） 2019年5期

李宏业,苏华友,范永亮，雷国荣，尹幸乐

(1.金川集团有限公司龙首矿，甘肃金昌 737100；2.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010)

金川集团有限公司龙首矿西二采区矿体埋藏较浅，地表100 m以下见矿，主矿体走向长463 m，走向N27°W，延深600 m左右，最大厚度150 m，最小厚度28 m，矿体倾角50°～80°。顶板围岩主要由混合岩及大理岩等组成，矿体主要由氧化带矿石及原生带矿石组成，底板围岩主要由大理岩和绿泥石片岩等组成。矿山采用下向分层六角形进路机械化胶结充填法进行回采。由于近年来前镍矿价格大幅下降，矿山采用充填法回采矿石时高成本的缺点日益凸显。因此，矿山决定采用生产成本相对较低的无底柱分段崩落法进行采矿，并已经在1 595 m水平完成了无底柱分段崩落法试验采场的部分采准工程。

对于无底柱分段崩落法而言，凿岩、爆破、铲运等一系列作业工序均是在回采进路中完成，因此回采进路的稳定性将直接影响到该方法的采矿效果。对回采进路开展围岩松动圈分布规律的研究及其范围的测试，将有助于回采进路支护参数的选取及优化[1-2]。本文采用不连续变形(DDA)方法对西二采区1 595 m水平崩落法试验采场回采进路围岩松动圈分布规律进行了数值模拟研究，并通过在现场开展单孔声波测试，获得了进路围岩松动圈的实际范围，为矿山巷道支护参数的选取及优化提供了参考依据。

1 松动圈分布规律的数值模拟研究

1.1 模型的建立

西二采区无底柱分段崩落法试验采场首采分段布置于1 595 m水平，距地表130 m左右，1 610 m以上有30 m左右的胶结充填体。无底柱分段崩落法的首采分段布置于1 595 m水平，利用1 595 m水平的回采诱导上部充填胶结体及覆岩垮塌形成覆盖层。本次数值模拟研究采用的是DDA方法，以西二采区1 595 m水平地质条件及实际工况为基础进行数值模型的建立。图1给出了模型几何尺寸示意图。模型宽×高=30 m×27 m(不包含模型边框)，进路宽×高=4.6 m×4.3 m，模型中包含了两种材料，一种为矿体，一种为胶结充填体。其中矿体设定了三组节理，节理倾向及倾角参照实际情况，模型共包含了3 789个块体。

表1给出了模拟中所用到的主要的矿岩物理力学参数以及数值控制参数。

金川西二采区地应力值可根据以下经验公式进行计算[3]：

σv=γgh

σH=3+0.0425h

(1)

图1 模型几何尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of geometric dimensions of the model

表1 岩体力学参数及数值控制参数Table 1 Rock mass mechanical parameters and numerical control parameters

图2 模型中块体受力示意图Fig.2 Diagram of block stress in the model

式中：σv为垂直应力，MPa；σH为水平应力，MPa；γ为覆岩体重，kg/m3；g为重力加速度；h为埋深，m。取1 595 m水平的上覆岩层密度为2 700 kg/m3，埋深为130 m，重力加速度g为9.8 m/s2，则可求得σv=3.3 MPa，σH=8.53 MPa。按照计算出的应力值对模型施加应力条件，模型中块体受力情况见图2所示。

1.2 求解初始应力平衡及开挖时间设定

在对模型进行开挖前应先使模型达到初始应力平衡，图3给出了模型在求解初始应力平衡过程中水平方向、垂直方向以及切向的应力演化曲线。

图3 模型中测点应力演化曲线Fig.3 Stress evolution curve of measured points in the model

由图3可知，模型在物理时间t=1 s时各项应力趋于稳定，可认为模型此时达到了初始应力平衡，可以对模型进行开挖，此时共运算了20 000时步，因此设定在20 000时步时开挖回采进路。

1.3 数值模拟结果

图4展示了模型中回采进路开挖后周边围岩破坏的演化过程。由图4可以看出回采进路开挖后，模型立即做出反应，进路周边围岩开始逐渐发生开裂，并且裂纹不断延伸扩张，其中进路两帮主要以剪切破坏为主，顶板主要以拉伸破坏为主，底板在两帮集中应力传递作用下发生轻微底鼓破坏。由于本次数值模拟所采用的DDA版本不支持巷道支护模拟，因而在进路开挖后并未进行支护模拟，这会在一定程度上影响模型中岩体的破坏范围，但并不会在本质上影响到进路围岩的破坏模式以及破坏范围的分布规律。通过数值模拟计算过程可以明显看到，进路顶板处的围岩破坏速度及扩展速度均要大于两帮围岩，最终使得顶板处的围岩破坏范围大于两帮围岩破坏范围，数值模拟结果表明回采进路在支护时应该重点加强进路顶部的支护。

2 松动圈范围现场测试

数值模拟结果展示出的规律是，在西二采区地质条件下进路顶板的围岩破坏范围大于两帮围岩破坏范围。但由于当前数值研究手段的仿真度有限，尚不能完全依靠数值手段去解决实际的工程问题，因而还需要在数值模拟的基础上开展现场测试，从而获得更可靠的数据信息。目前测量巷道围岩松动圈的方法主要有声波法[4]、电阻率法[5]、地震法[6]、钻孔成像法[7]，以及多种技术相结合的方法[8]等。其中声波法因具备测试设备简单、操作方便等优点而得到了较为普遍的推广应用。

2.1 测试仪器及原理

现场测试设备选用的是武汉中科智创生产的RSM-SY5型超声仪和一发双收探头，声波测试原理如图5所示。

利用该仪器进行测试时，计算声波速度v所使用的计算公式为：

(2)

图4 进路开挖后周边围岩破坏过程Fig.4 Failure process of surrounding rock after excavation of approach road

图5 单孔声波测试原理[4]Fig.5 Principle of single hole acoustic testing

式中：t1为声波从发射探头传到接受探头1的所需时间；t2为声波从发射探头传到接受探头2的所需时间；L1为发射探头与接收探头1之间的距离；L2为发射探头与接收探头2之间的距离。利用超声仪测定巷道围岩松动圈时，围岩越破碎，波阻抗就越大，测出的波速值就越小；围岩越不破碎，波阻抗就越小，实测的波速值就越大[9-10]。

2.2 测试地点及方案

测试地点选择在1 595 m水平无底柱分段崩落法试验采场的5#进路，见图6a所示。在5#进路中选取了2个断面进行测试，分别命名为A-A’断面及B-B’断面，两个测试断面分别标定在距离进路入口处10 m及20 m的位置，其位置见图6b所示。每个断面上布置3个测孔，其中左、右两帮各一个水平测孔，巷道顶板中央位置布置一个直立测孔，测孔直径为40 mm，测孔深度在2.5 m左右，钻孔布置形式及参数见图6c所示。

图6 测试断面位置及测孔布置参数和形式Fig.6 Location of test section and layout parameters and forms of test holes

2.3 测试流程

1)利用高压水管对测孔内部进行清理，确保一发双收探头能够顺利放入孔底。

2)将一发双收探头置入钻孔底部，封堵好孔口后进行注水，直至孔内注满水。

3)利用声波仪开始探测，观测波形变化，波形稳定后即可以进行采样、保存。

4)完成第一个测点的探测后，将探头向外拉20 cm，进行第二个测点的探测，并采样、保存，以此循环，直至孔口测试完毕。

2.4 测试结果分析

本次现场测试共施工了6个测孔，其中A-A’断面顶部测孔因为进路表面喷砼破碎堵塞了孔口，导致探头无法放入，B-B’断面左侧测孔内部大约1.5 m处由于孔壁坍塌导致探头无法进入，因此这两个钻孔未测到数据。对其余四个钻孔测试的数据进行分析后，做出波速-孔深曲线图，如图7所示。

由图7可知，在A-A’断面上进路左帮松动圈厚度大约为1.5 m，进路右帮松动圈厚度大约为1.3 m。在B-B’断面上进路右帮松动圈厚度大约为1.6 m，进路顶部松动圈厚度大约为1.8 m。现场测试结果表明5#进路松动圈范围大约在1.3～1.8 m，且进路顶部的松动圈范围要大于进路两帮松动圈范围，这一实测规律与数值模拟所得到的结论相一致。矿山当前采用的支护方式为单层喷锚网支护，网片规格为1.25 m×2.25 m，喷砼厚度100 mm，锚杆长度为2.25 m，间距1 m×1 m。可见矿山当前所采用的锚杆长度大于巷道松动圈范围，能够保证锚杆打入稳定岩层之中，从而对松动圈范围内的岩体起到有效的稳固作用。需要说明的是，矿山1 595 m水平无底柱分段崩落法试验采场目前尚未开始采矿，待开始采矿后，在中深孔爆破振动及采动压力的作用下，进路围岩松动圈的分布规律及范围可能会发生变化，届时其变化规律及变化范围还有待进一步的研究和测试，同时现行的支护参数是否还能够保证进路的稳定性也有待于观测和研究。