陳贊成，楊 鵬，呂文生，于跟波，門瑞營

（1.北京礦冶研究總院，北京100070；2.北京科技大學(xué)金屬礦床高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

地下空間的開挖將會(huì)擾動(dòng)原巖應(yīng)力狀態(tài)，造成巖體應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生巖石應(yīng)力轉(zhuǎn)移、集中和巖石強(qiáng)度的降低，使周圍巖體發(fā)生變形甚至破壞。研究表明：高應(yīng)力地下工程圍巖的狀態(tài)分區(qū)依次是：破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。開挖空間周圍所形成的破裂區(qū)，一般是圍繞開挖空間形成環(huán)狀，其應(yīng)力作用產(chǎn)生的環(huán)狀破裂帶稱為松動(dòng)圈［1－3］。松動(dòng)圈是地下工程中普遍存在的實(shí)際物理力學(xué)狀態(tài)，在礦山開采過程中，無論是巷道的支護(hù)還是空?qǐng)霾傻V法的頂板管理，松動(dòng)圈探測(cè)準(zhǔn)確程度對(duì)礦山企業(yè)安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用［4－5］。圍巖松動(dòng)圈厚度是圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度的復(fù)雜函數(shù)，其大小反映了圍巖支護(hù)的難易程度［6］。因此測(cè)試松動(dòng)圈的大小具有較強(qiáng)的理論和實(shí)際價(jià)值。圍巖松動(dòng)圈大小是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。確定圍巖松動(dòng)圈的方法有聲波法、地震波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、滲透法、地質(zhì)雷達(dá)法，但最常用的仍是聲波測(cè)試法［7］。

20世紀(jì)70年代末，長春煤炭研究所開發(fā)的“超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀”，使聲波法得到廣泛的使用，成為一種簡(jiǎn)便實(shí)用的圍巖松動(dòng)圈的測(cè)試方法［8］。聲波探測(cè)技術(shù)是研究人工激發(fā)的聲波或超聲波，在某介質(zhì)中的傳播速度和振幅衰減規(guī)律來判斷該介質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。井下則以測(cè)定超聲波縱波的波速、波幅、頻率等特征參數(shù)及其變化規(guī)律，從而判斷巖性、密度、裂隙、軟弱夾層等狀態(tài)［9－10］。聲波測(cè)試方法的單孔測(cè)試法測(cè)試技術(shù)成熟可靠、過程簡(jiǎn)單，易于操作，可減少鉆孔工作量，在巖石地下工程松動(dòng)圈測(cè)試中被廣泛應(yīng)用［11－13］。文獻(xiàn)［14］中以新驛煤礦西大巷為工程背景，通過合理的鉆孔布置，采用單孔超聲波測(cè)試方法對(duì)圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明單孔超聲波測(cè)試方法能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)試巷道圍巖松動(dòng)范圍，具有較好的實(shí)用性和優(yōu)越性。文獻(xiàn)［15］中基于顯德汪礦跨上山開采項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，對(duì)破碎圍巖中進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，得出了破碎巷道合理的松動(dòng)圈范圍，并且為類似巷道的松動(dòng)圈測(cè)試提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

平里店礦區(qū)礦床是石英脈型礦床，主要由1、2號(hào)含金石英脈帶組成。1號(hào)礦脈賦存在破碎帶中，由斷續(xù)延伸的石英脈組成，整個(gè)破碎帶寬1.8～18m，石英脈寬0.3～4m，已揭露的平均厚度僅為0.5m。礦體為緩傾斜薄礦體，走向?yàn)橹胁勘北睎|向，兩端為北東向，傾向南東，傾角15°～42°，平均傾角為15°，屬于緩傾斜層狀石英脈礦床。

截至目前，近地表已采礦山形成的采空區(qū)輪廓周圍或多或少賦存著殘留礦產(chǎn)資源，平里店礦區(qū)也不例外，在礦山開采過程中形成的殘留礦產(chǎn)資源給該礦區(qū)長遠(yuǎn)發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。根據(jù)平里店礦區(qū)礦體的賦存特征及其開采技術(shù)條件，礦床采用房柱法采礦方法進(jìn)行回采，在回采過程中殘留了大量的礦產(chǎn)資源。由于采用房柱法進(jìn)行回采，為確保礦山生產(chǎn)的安全性，采場(chǎng)內(nèi)殘留大量高品位點(diǎn)柱；由于薄礦脈采用脈內(nèi)開拓的方式，回采時(shí)為確保沿脈運(yùn)輸巷道的安全，預(yù)留了大量的頂柱和底柱。礦柱隨著暴露時(shí)間的效應(yīng)而變形破壞，從而造成采空區(qū)冒落，并且局部擴(kuò)展延伸導(dǎo)致地表局部塌陷，以致給礦區(qū)居民生活帶來了巨大的安全隱患，為了進(jìn)行礦柱回收和采空區(qū)處理方法的試驗(yàn)研究，綜合考慮平里店礦區(qū)地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀、工業(yè)試驗(yàn)的合理性，選定1058試驗(yàn)采場(chǎng)為工業(yè)試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈的聲波速度測(cè)試。1058試驗(yàn)采場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈聲波測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2 聲波測(cè)試巖體松動(dòng)圈的原理及層狀巖體力學(xué)特性

2.1 聲波測(cè)試巖體松動(dòng)圈的原理

圖1 聲波法松動(dòng)圈測(cè)點(diǎn)布置圖

聲波的波速隨介質(zhì)裂隙發(fā)育、密度降低、聲阻抗增大而降低，隨應(yīng)力增大、密度增大而增加。因此，測(cè)得的聲波波速高則說明圍巖的完整性好，波速低則說明圍巖存在裂隙，圍巖有破壞發(fā)生［14］。

目前，采用聲波測(cè)試圍巖松動(dòng)圈較成功的方法主要有兩種，一種是單孔測(cè)試法，另一種是雙孔測(cè)試法。采用單孔法進(jìn)行測(cè)試可減少鉆孔工作量，且測(cè)試操作過程簡(jiǎn)單，易于把握。而雙孔測(cè)試法，鉆孔工作量較大而且其兩個(gè)探頭的平行度（同步）不容易掌握，造成測(cè)試誤差較大。故本次采用單孔聲波法進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈的測(cè)試。

在測(cè)試過程中，首先在采場(chǎng)內(nèi)確定測(cè)試點(diǎn)，在測(cè)試點(diǎn)處鉆孔，然后將圓管狀聲波探頭置人鉆孔，孔內(nèi)注水以使探頭與孔壁有良好的聲耦合，然后逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，直至各點(diǎn)測(cè)試完畢。實(shí)測(cè)中常常采用一發(fā)雙收的裝置，一發(fā)雙收聲測(cè)法測(cè)試原理如圖2。

2.2 聲波測(cè)試層狀巖體的力學(xué)性質(zhì)

由于平里店礦區(qū)礦巖界線分明，礦巖層狀分布規(guī)律明顯，巖層之間近似于層狀各向同性材料。因此巖體松動(dòng)圈測(cè)試時(shí)依據(jù)層狀巖體力學(xué)特性［16－17］，并且假設(shè)巖體為彈性體，則可由單元體的運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)出縱波計(jì)算公式：

式中：νp為縱波波速；E為巖體彈性模量；ν為泊松比；ρ為巖體密度。

由式（1）可以看出，聲波波速與介質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)，這也是聲波探測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

層狀巖體屬于橫觀各項(xiàng)同性介質(zhì)，根據(jù)Lekhnilski橫觀各向同性介質(zhì)的理論可知，其彈性模量滿足下列方程：

式中：Eθ為巖層方向成角度θ的彈性模量；Eh為平行層面方向的彈性模量；Eν為垂直層面方向的彈性模量；Gν為垂直層面方向的剪切模量；νh為平行層面方向的泊松比。

由式（2）可知，巖體的彈性模量在平行于層理面方向最大，在垂直于層理面方向最小，且隨著層理面傾角增大而減小。

3 緩傾斜層狀巖體松動(dòng)圈測(cè)試實(shí)踐與結(jié)果分析

根據(jù)聲波松動(dòng)圈測(cè)試的原理及力學(xué)特性，結(jié)合平里店礦區(qū)礦柱回采的現(xiàn)狀，采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RSM－SY5超聲波非金屬聲波測(cè)試儀，用單孔一發(fā)雙收測(cè)試法，實(shí)測(cè)孔深為3.5～4.0m，孔徑為48mm，測(cè)試時(shí)，將探頭一次送到孔底，由里往外逐點(diǎn)（每次往外抽出200mm測(cè)一點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)量，并不斷往孔內(nèi)注水，確保傳感器與孔壁巖體良好耦合，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的科學(xué)性、合理性。

鑒于測(cè)試數(shù)據(jù)及圖表太多，限于篇幅在此不做羅列，圖3為4號(hào)孔3.9m處測(cè)試所得波形。為提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試過程中每個(gè)測(cè)點(diǎn)保存了三組數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)束以后，采用人工判讀的方式獲得各個(gè)測(cè)點(diǎn)的縱波速度，見表1。對(duì)所得到的鉆孔測(cè)點(diǎn)波速數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的判讀和分析，最終得到各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的Vp－L曲線，見圖4。

根據(jù)圖4可以可知：聲波探測(cè)1號(hào)孔在孔深0.7m、1.32m處波速較低，說明該處巖層已經(jīng)破碎或存在裂隙，其他剩余測(cè)點(diǎn)所測(cè)波速在較小范圍內(nèi)上下波動(dòng)，說明巖層較為完整，因此，可推斷1號(hào)探測(cè)孔層狀巖體松動(dòng)范圍距離孔口大約1.3m；2號(hào)鉆孔在孔深1.12m處波速明顯低于其它測(cè)點(diǎn)，說明此處存在裂隙或者巖層較為破碎，因此，2號(hào)探測(cè)孔層狀巖體松動(dòng)圈范圍距離孔口大約1.12m；3號(hào)鉆孔在2.12m處波速出現(xiàn)異常，明顯低于其它測(cè)點(diǎn)，由此可以推斷探測(cè)孔層狀巖體松動(dòng)范圍距離孔口2.1m左右；4號(hào)鉆孔在2.32m處測(cè)點(diǎn)波速明顯低于其余各點(diǎn)，說明此處巖層破碎或存在裂隙，因此，4號(hào)探測(cè)孔層狀巖體松動(dòng)范圍距離孔口2.3m左右；5號(hào)鉆孔在1.92m測(cè)點(diǎn)處波速出現(xiàn)異常，而其余各點(diǎn)均在較小的范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)，由此可以推斷5號(hào)探測(cè)孔層狀巖體松動(dòng)范圍距離孔口大約1.3m。

圖3 4號(hào)孔3.9m處聲波波形圖

表1 松動(dòng)圈聲波探測(cè)數(shù)據(jù)表（縱波速度Vp：m／s）

圖4 1058采場(chǎng)聲波測(cè)試測(cè)點(diǎn)波速示意圖

4 結(jié)論

本文應(yīng)用巖體松動(dòng)圈聲波測(cè)試技術(shù)測(cè)試緩傾斜殘礦巖體松動(dòng)圈范圍時(shí)，結(jié)合平里店礦區(qū)工程地質(zhì)條件、開采現(xiàn)狀及其層狀巖體力學(xué)特性，合理的布置聲波探測(cè)鉆孔位置，最終在探測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)、嚴(yán)密分析的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地確定了平里店礦區(qū)緩傾斜殘礦層狀巖體各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的巖體松動(dòng)圈范圍。這一研究結(jié)果，不僅為平里店礦區(qū)殘礦回采的安全性提供了保障，同時(shí)也為礦區(qū)殘礦回采方案的論證奠定了理論依據(jù)。

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