徐世達，陳治洋，雷 剛

(東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點試驗室，遼寧 沈陽 110819)

松動圈理論最早由采礦專家提出，20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展完善，并在最近十幾年得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。井下巷道的開挖不可避免地打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)集中應(yīng)力大于巖體強度時，巖體發(fā)生破壞，應(yīng)力集中向巖體深處轉(zhuǎn)移，直至達到應(yīng)力平衡狀態(tài)，巷道周圍形成的破裂帶即為松動圈。松動圈是礦山巷道支護設(shè)計的重要依據(jù)。因此，準(zhǔn)確確定巷道圍巖松動圈對于降低支護成本、保障礦山安全具有重要意義。

目前，常用的巷道圍巖松動圈測試方法主要有聲波法、多點位移計法、電阻率法、地質(zhì)雷達法、鉆孔攝像法等，但聲波法、多點位移計法、鉆孔攝像法等需要鉆孔，在局部區(qū)域測量圍巖松動圈時得到了廣泛應(yīng)用，尤其是聲波法，但很難大面積推廣[2]。地質(zhì)雷達法是近二十年發(fā)展起來的新方法，具有分辨率高、快速、經(jīng)濟、靈活方便的優(yōu)點，在隧道工程和礦山工程中得到了廣泛應(yīng)用。

楊永杰等[3]采用地質(zhì)雷達探測了華豐礦巷道圍巖松動圈，并優(yōu)化了巷道圍巖錨桿設(shè)計；姜德義等[2]采用地質(zhì)雷達研究了地質(zhì)偏壓隧道圍巖松動圈分布變化規(guī)律，揭示了隧道圍巖破壞模式和初襯開裂原因，并提出了治理措施；蔣邦友等[4]依據(jù)探地雷達松動圈探測機理，確定了圍巖松動圈范圍，據(jù)此對巷道支護方案進行了優(yōu)化；伍永平等[5]基于巷道圍巖松動圈雷達探測結(jié)果，改進了巷道斷面形狀，實現(xiàn)了巷道圍巖穩(wěn)定性控制；齊彪等[6]基于地質(zhì)雷達探測和圍巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果，制定了巷道圍巖穩(wěn)定綜合分類表與巷道支護方案選擇標(biāo)準(zhǔn)；舒忠磊等[7]采用地質(zhì)雷達對荊西隧道圍巖松動圈進行了探測，揭示了突水突泥災(zāi)害對圍巖松動圈的影響；曹樹剛等[8]基于巷道松動圈雷達測試和圍巖破壞3DEC模擬，優(yōu)化了巷道支護方案；宋宏偉等[9]基于地質(zhì)雷達揭示了巷道斷面不同部位松動圈厚度的差異；陳秋南等[10]通過隧道圍巖松動圈雷達探測頻譜分析，確定了隧道松動圈范圍；郭亮等[11]采用地質(zhì)雷達研究了偏壓隧道圍巖松動圈分布特征，為隧道的支護、施工提供了技術(shù)支持。

本文采用SSP地質(zhì)雷達測試與聲波測試相結(jié)合的方法探測阿舍勒銅礦深部采區(qū)巷道圍巖松動圈厚度，驗證地質(zhì)雷達探測巷道圍巖松動圈的可行性，并基于地質(zhì)雷達大面積探測礦山巷道松動圈分布，供礦山巷道支護參考借鑒。

1 阿舍勒銅礦概況

阿舍勒銅礦位于新疆阿勒泰地區(qū)，是我國第二大銅礦，銅工業(yè)儲量近92萬t。阿舍勒銅礦Ⅰ號礦體銅金屬量占礦床總儲量的97.43%，礦體走向長度853 m，目前開采深度約為900 m，礦體東翼平均厚度為45 m，西翼平均厚度為20 m，傾角為55°～85°，具有走向長度短、埋藏深、儲量大和水平厚度大等特點。礦體賦存于阿舍勒組第二巖性中亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r上部。礦體形態(tài)嚴(yán)格受地層及向斜構(gòu)造控制，橫斷面呈“魚鉤”狀，水平斷面呈“鐮刀”狀。礦體總體呈南北向分布，阿舍勒銅礦礦石品位2.43%，主要礦物為黃銅礦，鋅和硫共生。礦體頂板主要為下亞段的玄武熔巖層，底板為上亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r。

2 深部巷道圍巖松動圈深度探測

2.1 地質(zhì)雷達探測原理

地質(zhì)雷達是探測地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。雷達向巖石介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)巖體深處巖層或目標(biāo)體反射后由雷達接收。巖體中的節(jié)理、裂隙等會引起電性差異，地質(zhì)雷達通過記錄電磁反射波信號的信息，便可獲得不同形式的剖面圖，判斷出異常體的位置、幾何形態(tài)等。地質(zhì)雷達工作原理圖見圖1[9]，反射界面深度z可用式(1)求得。

z=(t2v2-x2)1/2/2

(1)

式中：t為電磁波走時；v為電磁波傳播速度，數(shù)值上等于電磁波在真空中的傳播速度與介質(zhì)相對介電常數(shù)二次方根的比值；x為雷達發(fā)射天線與探頭間的距離。

圖1 電磁波測試原理Fig.1 Measuring principle of electromagnetic wave

井下巷道圍巖松動圈內(nèi)有許多裂隙，巖體呈松弛狀，地質(zhì)雷達發(fā)出的電磁波在其內(nèi)部傳播，當(dāng)電磁波經(jīng)過松動圈與完整巖體的交界面時，由于電性差異，將產(chǎn)生較強的電磁波反射。因此，可以根據(jù)雷達接收到的電磁波反射圖像來確定巷道圍巖松動圈的范圍，即松動圈厚度。

2.2 地質(zhì)雷達設(shè)備

本次測試?yán)走_采用南非Reutch Mining公司生產(chǎn)的Sub Surface Profiler(SSP)便攜式地質(zhì)雷達。SSP便攜式地質(zhì)雷達可以快速準(zhǔn)確地辨別距表面6 m范圍內(nèi)的巖體構(gòu)造，一般可探測深度達8 m，重量小于4.5 kg，采用可充電電池供電，便于攜帶，現(xiàn)場成像。SSP便攜式地質(zhì)雷達主要由探頭、平板電腦和手柄三部分組成。其中，探頭包含圓滾輪和支架，圓滾內(nèi)置有雷達發(fā)射器和接收傳感器。SSP雷達獲取的數(shù)據(jù)通過無線通訊輸入便攜平板電腦，現(xiàn)場操作人員可即時獲取巖體構(gòu)造特征。

2.3 深部巷道圍巖松動圈厚度探測

采用SSP便攜式地質(zhì)雷達探測-200 m、50 m中段巷道圍巖松動圈厚度，測試位置為巷道兩幫距地面1 m高處，測試時手持SSP雷達手柄，將手柄與巷道幫壁盡量保持垂直，勻速沿巷道方向行走。雷達增益設(shè)置為40 dB。同時，在50 m中段分別選取穿脈巷道、沿脈巷道兩處測點，利用RSM-SY5(T)型數(shù)字超聲波儀探測圍巖松動圈范圍。聲波測孔直徑50 mm，下傾5°。

3 探測結(jié)果分析

3.1 地質(zhì)雷達探測可靠性分析

圖2是阿舍勒銅礦50 m中段選取的兩處SSP便攜式地質(zhì)雷達探測與聲波測試對照測試結(jié)果。依據(jù)聲波測試松動圈判定標(biāo)準(zhǔn)，未經(jīng)擾動的穿脈巷道波速在孔深1.4 m處達到最小，相鄰采場已開采的沿脈巷道波速在孔深1.9 m處達到最大，判定穿脈巷道、沿脈巷道測點松動圈厚度分別為1.4 m和1.9 m。圖2(a)顯示巷道表面向巖體深處的1.1 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育程度較高。在巷道表面至巖體深處1.4 m時，仍然有明顯的裂隙；當(dāng)超過1.4 m時，巖體無明顯連貫性較好的裂隙，因此依據(jù)SSP雷達探測圖可以判定該處巷道圍巖松動圈約為1.4 m。圖2(b)顯示巷道幫壁1.9 m深度存在與巷道方向相同的連貫裂隙，因此判定該處巷道圍巖松動圈厚度為1.9 m?；赟SP便攜式地質(zhì)雷達探測的巷道圍巖松動圈與基于聲波測試的巷道圍巖松動圈厚度基本一致，因此，采用SSP便攜式地質(zhì)雷達，能夠快速、準(zhǔn)確地測試出巷道圍巖的松動圈厚度。

3.2 開采擾動對巷道圍巖松動圈厚度的影響

50 m中段巷道圍巖松動圈雷達探測結(jié)果表明，開采擾動前，穿脈、沿脈巷道圍巖松動圈厚度無明顯差異，為1.4～1.7 m。但采場開采擾動對該采場的穿脈巷道、上下盤沿脈巷道圍巖松動圈厚度有明顯影響。圖2(a)是50 m中段未開采采場穿脈巷道松動圈雷達探測圖像，圖3是開采采場穿脈巷道圍巖松動圈雷達探測圖像。受開采擾動的巷道圍巖松動圈范圍明顯增大，在距離巷道幫壁1.9 m深度，形成了明顯的裂隙，表明開采擾動后的巷道圍巖松動圈厚度為1.9 m。

圖2 SSP地質(zhì)雷達探測與聲波探測結(jié)果對照圖Fig.2 Results comparison of SSP geological radar detection and sound wave test

在不同位置的沿脈巷道中也觀察到了同樣的現(xiàn)象。圖4是50 m中段沿脈巷道松動圈探測圖像。采場開采擾動后，沿脈巷道圍巖松動圈厚度增大至2.0 m，明顯大于開采擾動前的1.4～1.7 m；開采擾動后的巷道圍巖松動圈厚度為1.6～2.0 m。

圖3 開采擾動后50 m中段穿脈巷道雷達探測圖像Fig.3 Radar graph of branch drift after mining disturbance at the 50 m level

圖4 開采擾動后50 m中段沿脈巷道雷達探測圖像Fig.4 Radar graph of main drift after mining disturbance at the 50 m level

3.3 -200m中段巷道圍巖松動圈

阿舍勒銅礦-200 m中段目前正施工采準(zhǔn)工程，無采場分布。圖5是-200 m中段巷道圍巖松動圈雷達探測圖像。盡管未經(jīng)開采擾動，但該處巷道松動圈已接近1.9 m。綜合-200 m中段巷道圍巖松動探測結(jié)果，該中段松動圈厚度為1.6～1.9 m，明顯大于50 m中段開采擾動前的巷道圍巖松動圈厚度。

圖5 -200 m中段巷道圍巖松動圈雷達探測圖像Fig.5 Radar graph of drift at the -200 m level

目前國內(nèi)大多數(shù)礦山支護采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或者簡單依據(jù)區(qū)域、巷道類型劃分支護標(biāo)準(zhǔn)，未能依據(jù)礦山開采過程中巷道圍巖松動圈的發(fā)展演化規(guī)律制定針對性的支護方案，浪費支護材料，無法達到理想的支護效果。隨著便攜式雷達探測技術(shù)的發(fā)展，礦山能夠更快捷、經(jīng)濟、有效地識別松動圈范圍，進一步優(yōu)化支護參數(shù)，改善支護效果。

4 結(jié) 論

1) 基于SSP便攜式地質(zhì)雷達探測的巷道圍巖松動圈與基于聲波測試的巷道圍巖松動圈厚度基本一致，采用SSP便攜式地質(zhì)雷達，能夠快速、準(zhǔn)確地探測巷道圍巖的松動圈厚度。

2) -200 m中段巷道圍巖松動圈厚度為1.6～1.9 m，明顯大于50 m中段開采擾動前的巷道圍巖松動圈厚度。

3) 開采擾動明顯加深了采場臨近巷道圍巖松動圈厚度。阿舍勒銅礦50 m中段開采擾動前，巷道圍巖松動圈厚度為1.4～1.7 m，開采擾動后為1.6～2.0 m。