弓长岭井下矿巷道围岩爆破损伤控制研究

2022-09-13胡世超宫国慧李宗武傅利民韩雪娇

中国矿山工程 2022年4期

胡世超, 宫国慧, 马东, 李宗武, 傅利民, 韩雪娇, 李冬

(鞍钢集团矿业弓长岭有限公司, 辽宁辽阳 111008)

1 前言

在地下矿山施工中,巷道爆破掘进作业过程势必会引起围岩的损伤,对岩体的稳定性产生影响。前人的大量研究成果和工程试验表明,爆破还会导致围岩的累计损伤,从而降低围岩承载能力,进而影响巷道施工安全[1]。

声波测试法是一种无损测试的方法,被广泛应用于岩体工程测试勘察中,应用效果良好,也解决了很多实际问题,不仅操作步骤简单,而且可以快速得到测试结果,且测试结果精度易于控制和提高,具有广阔的应用和发展前景,对工程岩体的勘测设计和施工,具有十分重要的意义。有专家学者[2]对不同爆破条件下爆破前后声波测试速度进行了对比分析。 Yongfeng 等[3-4]利用超声波检测对竖井岩体爆破损伤区域进行了测试,并将其纳入收敛约束法(CCM)和三维数值分析中。单仁亮等[5]研究了喷射混凝土累积损伤与工作面距离的非线性关系。

随着先进的现场测试方法和测试系统的出现,尤其是声波测试系统的出现,以及实际工程中研究需求的增多,学者们越来越多地通过现场测试的手段来研究爆破动载作用下岩土材料的损伤效应。颜峰、姜福兴等[6]利用声波测试技术,通过现场爆破实验,研究了爆破荷载作用下露天矿围岩的损伤效应;费鸿禄等[7]结合声波测试和数值模拟的手段,对回采巷道围岩在爆破掘进过程中的累积损伤效应进行了研究;孟凡兵等[8]在理论计算的基础上,结合现场声波测试的结果,研究了巷道中夹岩在爆破荷载作用下的累积损伤效应。

钻爆法仍然是地下矿山掘进的主要方法,不仅广泛适用于各种工况,而且施工成本较低,具有很多优点。然而,施工过程中,爆破载荷作用下会对地下矿山围岩产生损伤效应。特别是周边孔,与巷道围岩直接接触,将直接影响到巷道围岩的损伤情况[9-12]。

由于在矿石开采过程中,中深孔爆破时由于单次爆破炸药量大,尤其针对过破碎带矿体,爆破对回采巷道帮、顶板造成一定损伤,易出现顶板冒落、片帮等现象,影响采场安全稳定开采。本文采用声波测试法,通过对普通药包及切缝药包爆破震动进行超声波测试,测试不同药包结构爆破震动对围岩的损伤效应,进而寻找巷道掘进爆破中减振措施,降低爆破震动产生的不利影响。

2 试验方法和试验原理

鞍钢集团弓长岭井下金属矿试验段,巷道掘进每个循环进尺2.0 ～2.2 m,为获得爆破对围岩的损伤情况,在巷道内掘进面附近围岩侧壁钻孔,测试孔平行于巷道横断面,用于平行声波测试,编号孔1、孔2、孔3。根据现场实际工程地址条件、施工条件及声波测试需求,设置声波测试钻孔间距为50 ～60 cm。孔1 直径为42 mm,与掘进面的水平距离约50 cm,与水平方向的夹角约为10° ～20°。孔1 与孔2 之间的剖面编号1 ～2,孔2 与孔3 之间的剖面编号2 ～3,测试点及测孔布置,测孔示意图如图1所示。

图1 测试孔平面示意图

进行声波测试前,首先将仪器按顺序连接,同时,更改探头提升方式为手动提升。准备好测试仪器后,开始向测试孔注水,然后将声波发射探头和声波接收探头缓慢插入到测试孔中,到达孔底位置,由孔底开始进行声波测试并对声波速度进行采集。采集结果中,需要始终保持探头相互平行,提升步距约为7 cm,过程中需要及时补充注水,测试结束后将仪器收好,清理装箱。

1)测试原理

所谓声波测试就是依据声波在不同围岩中不同的传播特性来计算介质的声波速度。也就是说,声波测试仪向介质中发射出高频率弹性脉冲波,脉冲波经水介质后到达围岩中,由声波测试仪最初形成的球面声波开始,在声波发生到接受位置之间,形成一个复杂的声波场,当声波经水介质到达围岩后,在围岩的波阻抗界面,声波将发生透射、反射,透射波经岩石介质后被接收探头接收后能量明显降低,根据波的频率变化情况、波形畸变程度、到达时间及能量衰减特性等变化特征,就可以获得测区内围岩声速等参数,图2 所示为测试原理示意图。

图2 测试原理

通过声波的传播方向和质点振动方向的关系,声波可分为纵波、横波、表面波等,由于空气介质、水介质均不能承受剪应力,所以空气介质、水介质中只能传播纵波,上述一发一收跨孔平行测量法测量的是纵波分量Cp。

声波传播过程受多种因素的影响,如岩体应力状态、岩体结构面、岩性以及风化程度。一般情况下,声波在坚硬致密岩体中传播较快,声速也越大;在较软多裂隙岩体中传播较慢,声速也越小。在相同岩性的情况下,结构面对波速的影响较大,且相同围岩下,含水率越高声速也越大,因此,可采用声波测试法分析围岩稳定性。

2)声速的计算

采用跨孔一发一收平行法进行声波测试时,声波速度Cp可按式(1)进行计算:

式中:L—声波穿透围岩的实际距离,m;

t—声波透过岩体的时间,s。

3)损伤的计算

可以根据声波速度和损伤的关系计算中损伤变量D。

根据《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》中关于爆破破坏和岩体质量的描述:同部位的爆破后波速(Cp2)小于爆破前波速(Cp1),其变化率η为

式中,声波变化率η<10%,影响或影响甚微;η>10%时,判断为爆破破坏或岩体质量差。

3 普通药包和切缝药包声波测试

地下矿山开采中,巷道围岩爆破掘进会造成围岩的损伤,尤其是循环爆破载荷会对围岩造成累计损伤,导致围岩声速明显降低。本文基于超声波测试方法,对爆破作用下围岩的累计损伤展开了研究,对切缝药包爆破及普通药包爆破下围岩爆破损伤情况进行了详细的对比分析,并提出了降低围岩损伤效应的解决措施。图3 所示为现场监测示意图。

图3 现场监测孔图

本次声波测试采用新型R-SY5 智能声波仪进行测试,仪器精度处于国内领先水平。新型R-SY5智能声波仪能够满足不同形式的调平及出发需求,采用双通道的模式,采样间隔为0.1 μs,12 位A/D转换,12 位定点或浮点增益范围1 ～10 000,频率为60 kHz。

测试过程中,可以适当放大增益或调节扫描宽度,从而更好的判别纵波,得到波形清晰、起跳干净、方便辨认;当纵波起跳点有高频成分干扰时,可压缩扫描宽度,然后以高频包络线的中线与基准线的交点作为初至时刻;在波形起跳不够明显时,可尝试移动探头位置、添加注水、或改变耦合条件的办法。

巷道围岩声波测试时,测试探头步长为0.2 m,若出现波速较大的情况,可以适当增大测试距离,并保证钻孔内部供水充足,以免造成测试波形异常,部分测试孔可能存在节理裂隙发育,导致注水流失,数据失效。

根据现场监测方案得到了普通药包封堵段、装药段,切缝药包的封堵段、装药段不同深度的声波速度测试值见表1、2、3、4。

表1 普通药包封堵段声波测试值

表2 普通药包装药段声波测试值

表3 切缝药包封堵段声波测试值

从表中可以得到,根据普通药包封堵段声波测试结果可知,本组实验中声波测试最高波速在第一次爆前,孔深2 m 的位置,最大峰值声速为4 238 m/s。声波测试最低声速在第一次爆后,孔深0.2 m 处,最小峰值声速为3 842 m/s。根据普通药包装药段声波测试结果可知,本组实验中声波测试最高波速在第一次爆前,孔深2 m 的位置,最大峰值声速为4 238 m/s。声波测试最低声速在第二次爆后,孔深0.2 m 处得到最小峰值声速为3 861 m/s。

根据切缝药包封堵段声波测试结果可知,本组实验中声波测试最高波速在第一次爆前,孔深2 m的位置,最大峰值声速为4 295 m/s。声波测试最低声速在第二次爆后,孔深0.2 m 处得到最小峰值声速为3 882 m/s。根据切缝药包装药段声波测试结果可知,本组实验中声波测试最高波速在第一次爆前,孔深2 m 的位置,最大峰值声速为4 299 m/s。声波测试最低声速在第二次爆后,孔深0.2 m 处得到最小峰值声速为3 876 m/s。

根据4 次测试结果可知,声波测试速度随孔深深度增加总体上呈上升的趋势,距离孔口越近的位置声波测试速度越小。通过声波测试的原理可以判定在孔深越深的位置围岩的质量越好,距离孔口越近,岩石较破碎且波速的离散型较大。

围岩的声波测试速度与其破碎程度存在相关性,破碎程度越大也即围岩的松动情况越大,声波测试速度波速越小,围岩质量越差。声波测试得到的结果是围岩松动区范围的一个近似值,可更好的了解爆破工程中扰动区范围,进而可以根据得到的结果调整爆破装药结构及装药量,并且有利于在爆后及时支护围岩破碎区,为实际工程提供参考依据。

通过对普通药包封堵段、普通药包装药段,切缝药包封堵段、切缝药包装药段围岩进行了声波测试,基于表1 至表4,得到不同孔深度的声波变化规律曲线。

表4 切缝药包装药段声波测试值

从图4 至图7 可以直观的看出,普通药包堵塞段、装药段,切缝药包堵塞段、装药段都随着孔深增加声速整体增加的趋势,只有普通药包第二次爆破后声速出现较小的波动,总体趋势大致相同。普通药包堵塞段小于装药段的声波变化值,切缝药包堵塞段小于装药段的声波变化值,堵塞段的岩体损伤总体小于装药段。

图4 普通药包封堵段声波速度变化规律

图8 至图11 所示为爆破损伤值线性拟合图,通过线性拟合分析,可以非常直观的对爆破损伤情况进行定量化分析。由图8、图9 可知,切缝药包爆破在封堵段和装药段的损伤明显小于普通药包爆破产生的损伤,且爆破损伤值与孔深深度成负相关关系。由图10、图11 可知,药包爆破在装药段产生的损伤明显大于在封堵段产生的损伤,且爆破损伤值与孔深深度成负相关关系。