趙爾丞

( 蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州730000)

礦山開(kāi)采會(huì)遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，其中的地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量的膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱層。當(dāng)巷道穿越此類(lèi)軟巖時(shí)，不但會(huì)增加巷道維護(hù)費(fèi)用而且降低巷道穩(wěn)定性。為了弄清巷道變形規(guī)律以及圍巖應(yīng)力變化特征，就必須建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟巖區(qū)域巷道的適時(shí)監(jiān)控。巷道監(jiān)測(cè)在礦山中應(yīng)用較為普遍，通過(guò)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而為支護(hù)方案優(yōu)化提供保障。劉泉聲等［1］對(duì)淮南朱集礦軌道巷兩幫進(jìn)行了收斂、拱頂沉降、底臌和錨索拉力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了該處巷道圍巖變形和錨索拉力的變化趨勢(shì)。路世豹等［2］通過(guò)對(duì)二礦區(qū)地下巷道的長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)，提出二次支護(hù)與巷道破壞后的重新支護(hù)宜強(qiáng)不宜弱的論點(diǎn)與地壓控制措施。劉鋒珍等［3］針對(duì)一些新建礦井施工后，巷道變形嚴(yán)重，在變形數(shù)值模擬及施工巷道變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的支護(hù)預(yù)案。王黎明等［4］探討了將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于山東金嶺鐵礦巷道快速變形監(jiān)測(cè)中，并提出了初步方案。肖海平等［5］將灰色系統(tǒng)理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果與礦山變形監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，很好地預(yù)測(cè)出了礦山的變形趨勢(shì)。高井祥等［6］研究了用全站儀進(jìn)行礦區(qū)三維變形監(jiān)測(cè)。曹野［7］建立了長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的金屬礦山巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警體系。唐禮忠等［8］針對(duì)冬瓜山銅礦深部開(kāi)采巖爆問(wèn)題，建立了連續(xù)監(jiān)測(cè)巖爆的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。劉建坡等［9］結(jié)合紅透山銅礦深部地壓的特征，也建立了相應(yīng)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于礦山深部開(kāi)采安全預(yù)測(cè)。劉培正等［10］采用FLAC3D研究殘留礦柱回采，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置。

本研究設(shè)計(jì)了軟巖區(qū)域巷道變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)的方案，某礦山頁(yè)巖區(qū)域巷道的監(jiān)測(cè)實(shí)踐驗(yàn)證了方案的可行性，為頁(yè)巖區(qū)域巷道支護(hù)工作提供了寶貴的資料。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立

1.1 監(jiān)測(cè)必要性及作用

考慮到圍巖地質(zhì)條件的復(fù)雜性，巷道開(kāi)挖過(guò)程中采用的施工方法、施工順序、支護(hù)措施、支護(hù)時(shí)機(jī)以及圍巖自身性質(zhì)等諸多因素，巷道的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)對(duì)于巷道穩(wěn)定性研究非常重要。當(dāng)前，礦山巷道的施工普遍采用新奧法，新奧法通過(guò)工程類(lèi)比對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)測(cè)工作對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和完善，確保巷道施工的安全與可靠，監(jiān)測(cè)工作對(duì)巷道施工的質(zhì)量也起到了檢驗(yàn)作用。結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以對(duì)穩(wěn)定性較差區(qū)域及時(shí)采取加固措施，確保巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此，巷道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)是確保軟巖區(qū)域資源開(kāi)發(fā)的保障。

1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及元器件

設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案、分析巷道穩(wěn)定性時(shí)，要結(jié)合巷道所處地層原巖應(yīng)力情況，確定合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方式，以便巷道開(kāi)挖支護(hù)后能充分發(fā)揮支護(hù)效果，在規(guī)定的周期內(nèi)能保證巷道的穩(wěn)定性。同時(shí)，分析巷道穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)充分了解巷道不同深度圍巖應(yīng)力情況，及時(shí)了解巖石應(yīng)力變化。在巷道斷面處布置監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)安設(shè)鉆孔安裝壓力計(jì)對(duì)巷道圍巖不同深度巖石應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在應(yīng)力變化大時(shí)能及時(shí)做出預(yù)警。

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)、以及變形監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)結(jié)合軟巖變形破壞特征、施工方法和常用礦山地壓手段，兼顧可靠、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的原則，其中軟巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以采用鉆孔應(yīng)力計(jì)，巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)采用多點(diǎn)位移計(jì)。監(jiān)測(cè)方案也需要考慮對(duì)巷道施工及運(yùn)輸?shù)挠绊?，選取典型的軟巖區(qū)域布置監(jiān)測(cè)斷面，以距離最短為原則選擇監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置。根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域軟巖地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)合適的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，實(shí)時(shí)收集監(jiān)測(cè)單元采集到的數(shù)據(jù)，用于巷道的穩(wěn)定性分析。

考慮到軟巖的特征，采用振弦式壓力計(jì)，在土石壩、土堤、邊坡、路基等工程中應(yīng)用較為廣泛，可以有效監(jiān)測(cè)地質(zhì)軟巖內(nèi)部的壓應(yīng)力變化，振弦式土壓力計(jì)具有智能識(shí)別功能及監(jiān)測(cè)功能?？紤]到地質(zhì)軟巖裂隙發(fā)育，因此，容易受積水影響，因此，監(jiān)測(cè)設(shè)備的防水型性能必須要好。JTM －V2000B 型壓力計(jì)引出的電纜經(jīng)過(guò)二次密封，因此，防水能力強(qiáng)，具有穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)效果，能夠滿(mǎn)足軟巖區(qū)域復(fù)雜地質(zhì)條件需要，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 JTM－V2000B 壓力計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The main technical specifications of manometer

當(dāng)被測(cè)圍巖應(yīng)力變化時(shí)，壓力計(jì)的感應(yīng)板將產(chǎn)生變形，并傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物的壓應(yīng)力值。在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出儀器的頻率、溫度后，根據(jù)記錄的儀器編號(hào)等相關(guān)參數(shù)，可按下式計(jì)算土壓力值:

其中，P 為被測(cè)土壓力值，MPa; K 為儀器標(biāo)定系數(shù)，MPa/Hz2; fi為土壓力計(jì)實(shí)時(shí)頻率，Hz; f0為土壓力計(jì)初始( 安裝前) 頻率，Hz; b 為土壓力計(jì)的溫度修正系數(shù)，MPa/℃; Ti為土壓力計(jì)的實(shí)時(shí)溫度，℃; T0為土壓力計(jì)的初始溫度，℃。

位移監(jiān)測(cè)可采用多點(diǎn)位移計(jì)，它是一種監(jiān)測(cè)深部巖體位移的有效手段，在巖體中鉆孔后，在孔內(nèi)不同深度埋設(shè)測(cè)點(diǎn)固定錨頭。與錨頭連接的測(cè)桿外用護(hù)管與灌漿水泥沙漿隔開(kāi)，上部設(shè)位移讀數(shù)裝置來(lái)量測(cè)沿鉆孔軸線上不同深度的測(cè)點(diǎn)位移變化。

巷道開(kāi)挖后，圍巖內(nèi)部會(huì)發(fā)生彈塑性變形，通過(guò)埋設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)可以監(jiān)測(cè)到不同深度的位移變化趨勢(shì)。如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近掌子面，還可以獲取測(cè)點(diǎn)位移隨開(kāi)挖面推移的變化情況，多點(diǎn)位移計(jì)徑向各點(diǎn)累計(jì)變形隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化幅度存在差異，因此可以把圍巖內(nèi)部的變形分成若干區(qū)域，根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)點(diǎn)徑向距確定松動(dòng)圈范圍，判斷圍巖的穩(wěn)定性。

同樣考慮到軟巖的特殊性，可選取VWM 型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)。它適用于監(jiān)測(cè)水工結(jié)構(gòu)物或土壩、土堤、邊坡、隧道等，獲取圍巖深層多部位的位移、沉降、應(yīng)變、滑移等值，還可同步測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度。多點(diǎn)位移計(jì)的傳感器為VWD 型振弦式位移計(jì)，由位移計(jì)加裝配套附件而組成。其中的敏感測(cè)量元件與固定機(jī)架的材料線膨脹系數(shù)接近，經(jīng)試驗(yàn)溫度修正系數(shù)甚小，使用中不需要溫度修正。

表2 部分多點(diǎn)位移計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical specifications of part of multi-point displacement meters

當(dāng)圍巖變形時(shí)，通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)的錨頭帶動(dòng)測(cè)桿，測(cè)桿再拉動(dòng)拉桿產(chǎn)生位移變形，位移變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物的變形量。一般的計(jì)算公式為

其中，Lm為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的位移量，mm; K 為多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)量靈敏度，mm/F; ΔF 為多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，F(xiàn); h 為測(cè)桿長(zhǎng)度，mm; α為測(cè)桿的線膨脹系數(shù)，10－6/℃。ΔT 為溫度實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，℃; F 為多點(diǎn)位移計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量值，F(xiàn);F0為多點(diǎn)位移計(jì)的基準(zhǔn)值，F(xiàn)。T 為溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值，℃;

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了巷道斷面典型區(qū)域內(nèi)圍巖的應(yīng)力及變形規(guī)律。巖體應(yīng)力、位移開(kāi)挖過(guò)程中就開(kāi)始顯現(xiàn)，巷道表面應(yīng)力釋放，由初始三維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)。支護(hù)和圍巖的共同作用對(duì)圍巖的應(yīng)力、位移等具有控制作用。在地應(yīng)力影響下，圍巖流變的時(shí)效性，巷道圍巖應(yīng)力、變形等也一直持續(xù)。

圖1 為典型布置方式，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，可以結(jié)合巷道圍巖的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化布置，從而監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性最差的特殊區(qū)域。例如緩傾斜薄層狀巖體中，考慮到巷道頂?shù)装逯g變形和沿軟弱夾層剪切滑動(dòng)變形。頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)布置方式可以不變，但兩幫可采用與巖層方向基本平行的布置方式，這樣就可以充分了解沿軟弱夾層的剪切滑移量。

3 現(xiàn)場(chǎng)巷道監(jiān)測(cè)

圖1 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置Fig.1 Typical arrangement of monitoring points

某鋁土礦位于河床之下，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)內(nèi)的主要圍巖為泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖等，其中泥質(zhì)灰?guī)r較為穩(wěn)定，但是礦區(qū)泥質(zhì)頁(yè)巖、鐵質(zhì)頁(yè)巖為典型的軟巖，其節(jié)理、裂隙發(fā)育，黏土物質(zhì)硬化形成的微小顆粒易裂碎，很容易分裂成為明顯的巖層，成分復(fù)雜，除黏土礦物外，還含有許多碎屑礦物和自生礦物，因此，選取典型頁(yè)巖區(qū)域進(jìn)行礦區(qū)巷道的監(jiān)測(cè)。

采用監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并且進(jìn)入相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣具備人工觀測(cè)條件，觀測(cè)人員可攜帶讀數(shù)儀或筆記本電腦到各監(jiān)測(cè)站讀取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程終端采集單元MCU 管理中心數(shù)據(jù)處理部分。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與控制單元MCU －32 型、測(cè)量模塊、無(wú)線通信模塊GPRS、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件、后方控制計(jì)算機(jī)組成。自動(dòng)測(cè)量單元型號(hào)為MCU －32，包含振弦測(cè)量模塊GDA1102、智能測(cè)量模塊GDA1105、串口服務(wù)器網(wǎng)橋、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件V1.6、傳感器等。

圖2 典型巷道應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線Fig.2 Typical stress monitoring curve in roadway

圖2 為某監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化的典型曲線，可知該處圍巖的應(yīng)力較小。由于巷道距離離地表約150 m，本身的地應(yīng)力不高，因此，巷道支護(hù)受地應(yīng)力影響較小，同時(shí)由于軟巖開(kāi)挖后的塑性變形相對(duì)較大，因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力會(huì)隨著圍巖變形而減小，地應(yīng)力向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移。表層的軟巖由于變形較大，也會(huì)逐漸失穩(wěn)，導(dǎo)致巷道穩(wěn)定性變差。通過(guò)軟巖應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，獲取了相應(yīng)的應(yīng)力值，可以用于指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)及巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算。

圖3 典型巷道位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Typical displacement monitoring curve in roadway

圖3 為某監(jiān)測(cè)巷道兩幫軟巖位移的典型曲線，在開(kāi)挖后60 d 內(nèi)，軟巖的位移變化較快，尤其是最初的30 d，曲線斜率更陡，隨后逐漸放緩，60 d 以后巷道兩幫的位移逐漸趨于穩(wěn)定。該處巷道地下水不發(fā)育，但是雨季時(shí)，由于礦區(qū)位于低洼的河床之下，且斷層、裂隙發(fā)育，因此，巷道開(kāi)挖后應(yīng)控制好二次支護(hù)的時(shí)機(jī)，充分發(fā)揮圍巖和支護(hù)體的相互作用，確保巷道穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 考慮到軟巖地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在分析支護(hù)體與圍巖相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟巖自身物理力學(xué)特征、施工方法等因素，針對(duì)軟巖開(kāi)挖后的應(yīng)力變化和軟巖變形問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于JTM －V2000B 型壓力計(jì)和VWM 型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)方案。

(2) 分析了JTM －V2000B 型壓力計(jì)和VWM 型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)功能和特點(diǎn)，以及應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)值的確定原則。設(shè)計(jì)了常規(guī)巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式，同時(shí)提出需要結(jié)合巷道圍巖的實(shí)際情況重點(diǎn)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性最差的特殊區(qū)域。

(3) 某鋁土礦的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)展現(xiàn)了軟巖巷道開(kāi)挖后的應(yīng)力和位移變化趨勢(shì)。軟巖開(kāi)挖后的較大塑性變形使表層巖體的應(yīng)力減小，地應(yīng)力逐漸向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，圍巖也向巷道內(nèi)變形，導(dǎo)致巷道斷面縮小，巷道穩(wěn)定性變差。應(yīng)力和位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果可用于指導(dǎo)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和支護(hù)時(shí)機(jī)確定。

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