張愛(ài)卿， 王貽明， 王少勇， 周發(fā)陸

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院,河北廊坊065000；2.北京科技大學(xué)膏體充填采礦技術(shù)研究中心,北京100083；3.新疆銅輝礦業(yè)有限責(zé)任公司,新疆伽師844000)

拜什塔木銅礦原采用無(wú)底柱連續(xù)開(kāi)采分段崩落留礦采礦法,雖然具有采礦回收率高、采礦成本低等優(yōu)勢(shì),但隨著不斷向深部開(kāi)采,地壓的影響逐漸顯現(xiàn)出來(lái),出現(xiàn)了采礦生產(chǎn)能力小、回采作業(yè)不安全、作業(yè)環(huán)境不佳等問(wèn)題,回采效率、作業(yè)安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求。 針對(duì)拜什塔木銅礦原采礦方法存在的問(wèn)題,擬采用中深孔爆破替代原采礦方法。 區(qū)域巷道的穩(wěn)定是判斷中深孔爆破效果好壞的判別依據(jù)之一［1-6］。 國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在中深孔爆破法的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬方面展開(kāi)了研究［7-10］,但對(duì)中深孔爆破開(kāi)采軟巖巷道累計(jì)變形監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)較少。 中深孔爆破對(duì)軟巖巷道變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響一般很難通過(guò)解析的方法求解?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法為解決這類(lèi)問(wèn)題提供了有力工具。 本文以拜什塔木銅礦為背景,通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查制定中深孔爆破和監(jiān)測(cè)方案,對(duì)開(kāi)采軟巖巷道圍巖位移和軟巖巷道收斂變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),分析軟巖巷道在爆破作用下的累計(jì)變形規(guī)律,以期對(duì)其他類(lèi)似礦山采用中深孔爆破開(kāi)采時(shí)軟巖巷道的支護(hù)提供借鑒。

1 工程地質(zhì)調(diào)查

拜什塔木銅礦為單斜構(gòu)造,礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷層,礦體平均厚度6.24 m,屬厚度穩(wěn)定型礦體。 礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定,600 m 水平以上傾角為80°,巖層裂隙不發(fā)育,節(jié)理罕見(jiàn),但層理發(fā)育。 礦巖硬度系數(shù)3 ～5,硬度較小。 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖體RQD 調(diào)查,結(jié)果見(jiàn)表1。 從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看,礦體下盤(pán)圍巖較上盤(pán)圍巖和礦體相比破碎,且部分交叉,切割破碎相對(duì)較為嚴(yán)重,測(cè)量部分裂隙較多,軟硬不一。

表1 巖體RQD 分析結(jié)果

2 中深孔爆破與監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 中深孔爆破方案

試驗(yàn)采場(chǎng)選擇在礦區(qū)10 中段。 采場(chǎng)高度40 m,長(zhǎng)度30 m,采場(chǎng)寬度6 m(即礦體平均厚度)。 采場(chǎng)回采前,進(jìn)行該采場(chǎng)底部3 m 的高強(qiáng)度膏體充填,將其作為人工假頂；礦柱、礦房分別進(jìn)行拉底,采用淺孔落礦,回采方式采用中深孔爆破落礦。 進(jìn)路開(kāi)采及底部出礦結(jié)構(gòu)均采用42 mm 淺孔爆破,采場(chǎng)采用110 mm 孔徑、由下至上多分層多排微差爆破崩礦法聯(lián)合爆破工藝。

主要工藝流程為:進(jìn)路充填養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后,在采場(chǎng)底部靠近下盤(pán)處采用7655 鑿巖機(jī)淺孔爆破,拉底層高度2.5 m；爆破采用多排多分層微差爆破,每個(gè)炮孔共進(jìn)行5 次爆破,爆破高度分別為1.2 m,3.6 m,6.0 m,8.4 m,16.8 m,每次爆破完畢出礦40%,原則上補(bǔ)償空間應(yīng)不小于崩礦體積的30%,直至采場(chǎng)頂板。 為了保證爆破有足夠的補(bǔ)償空間,根據(jù)礦山平均每天的出礦能力,爆破至出礦結(jié)束設(shè)計(jì)為7 天。 中深孔爆破方案示意圖見(jiàn)圖1,炮孔平面布置見(jiàn)圖2 中鑿巖硐室內(nèi)的6排炮孔。

圖1 爆破方案示意（單位：m）

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)方案

為了監(jiān)測(cè)中深孔爆破對(duì)軟巖巷道變形的影響,本次中深孔爆破過(guò)程將進(jìn)行以下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè):①軟巖巷道收斂變形規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；②軟巖巷道周邊圍巖移動(dòng)規(guī)律的位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。 主要的監(jiān)測(cè)儀器有多點(diǎn)位移計(jì)和收斂計(jì)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在試驗(yàn)采場(chǎng)上中段的軟巖巷道,共選取3 個(gè)有代表性的位置,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。 圖中矩形虛線范圍內(nèi)為軟巖巷道收斂變形監(jiān)測(cè),橢圓形虛線范圍內(nèi)為軟巖巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)［10-12］。 監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:軟巖巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)(1 個(gè)斷面1 個(gè)水平測(cè)點(diǎn),每個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)由5 個(gè)測(cè)點(diǎn)組成,分別測(cè)定距離軟巖巷道表面0.8 m、1.6 m、2.4 m、3.2 m 和4.0 m 的巖體移動(dòng)狀況,其中測(cè)點(diǎn)1 為長(zhǎng)度4 m 處的點(diǎn),測(cè)點(diǎn)2 為長(zhǎng)度3.2 m 處的點(diǎn),以此類(lèi)推,測(cè)點(diǎn)5 為長(zhǎng)度0.6 m 的點(diǎn))、軟巖巷道收斂變形監(jiān)測(cè)(2 個(gè)斷面,每個(gè)斷面的頂、幫、拱共3 個(gè)測(cè)點(diǎn))。 軟巖巷道收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)線布置如圖3 所示。

圖3 收斂計(jì)測(cè)線布置圖

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 巷道圍巖位移分析

10 中段軟巖巷道圍巖位移變化曲線見(jiàn)圖4。 由圖4可以看出,10 中段巷道圍巖在中深孔爆破作用下,16 d之后測(cè)點(diǎn)曲線出現(xiàn)了較大的波動(dòng),尤其是測(cè)點(diǎn)1～3,在爆破結(jié)束7 d 之內(nèi)一直產(chǎn)生向采空區(qū)移動(dòng)的現(xiàn)象,測(cè)點(diǎn)4 和5 在爆破結(jié)束初期也出現(xiàn)向采空區(qū)移動(dòng)的現(xiàn)象,后期逐漸產(chǎn)生了向巷道內(nèi)部移動(dòng)的現(xiàn)象。 出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在礦體下盤(pán)圍巖中,測(cè)點(diǎn)1～3 離礦體較近,爆破后隨著礦體的崩落,下盤(pán)圍巖向采空區(qū)產(chǎn)生了較大位移,最大位移量為4 cm。 后期由于圍巖產(chǎn)生拱效應(yīng),爆破后經(jīng)過(guò)7 d 的時(shí)間,巷道圍巖的變形區(qū)域逐漸趨于穩(wěn)定；測(cè)點(diǎn)4 和5 距離巷道較近,前期受到爆破影響,圍巖向采空區(qū)移動(dòng),后期由于地應(yīng)力的作用,出現(xiàn)向巷道內(nèi)部移動(dòng)的現(xiàn)象。

圖4 10 中段軟巖巷道圍巖位移變化曲線

圍巖松動(dòng)圈理論和大量工程量測(cè)結(jié)果表明,由于應(yīng)力重分布及復(fù)雜的圍巖動(dòng)態(tài),圍巖位移最大值一般出現(xiàn)在靠近巷道壁位置,從巷道壁向圍巖深部,圍巖位移逐漸減小,最后在原巖區(qū)基本無(wú)位移顯現(xiàn),即出現(xiàn)松動(dòng)(弛)區(qū)、塑性區(qū)、過(guò)渡帶和原巖區(qū)。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明,采用中深孔爆破后,監(jiān)測(cè)巷道的圍巖變形特征并不完全符合上述基本規(guī)律,許多測(cè)點(diǎn)圍巖位移分布特征甚至出現(xiàn)相反的情況。 如圖4 所示,圍巖位移最大值都出現(xiàn)在最深部測(cè)點(diǎn)處。 這也在一定程度上反映了研究區(qū)域圍巖破碎的特征,表明在圍巖應(yīng)力和爆破的共同作用下,圍巖深部測(cè)點(diǎn)隨著巖體一起朝著采空區(qū)方向移動(dòng),而巷道淺部測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生向巷道內(nèi)部移動(dòng)的規(guī)律。

3.2 巷道收斂變形分析

10 中段軟巖巷道圍巖收斂位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5 可以看出,由于礦體及圍巖自身的強(qiáng)度較低,監(jiān)測(cè)巷道的周邊受到其他采場(chǎng)開(kāi)采的影響,在爆破之前,就已經(jīng)產(chǎn)生了波動(dòng),但其波動(dòng)較小。 10 中段2 個(gè)測(cè)點(diǎn)的收斂值在第5 次爆破后才出現(xiàn)迅速增大,表明巷道在爆破作用下產(chǎn)生了較大的變形,且變形量均為正值,說(shuō)明巷道變形表現(xiàn)為全斷面收斂,且以?xún)蓭拖鄬?duì)收斂為主,其中10 中段1＃測(cè)點(diǎn)的水平測(cè)線累計(jì)收斂值最大,達(dá)30.1 mm,這與多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)規(guī)律相吻合。

圖5 10 中段軟巖巷道圍巖收斂位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是,巷道收斂變形既與巖體自身?xiàng)l件和地應(yīng)力有關(guān),又與支護(hù)設(shè)計(jì)和爆破密切相關(guān)。 在地應(yīng)力條件下,水平方向初始地應(yīng)力大于垂直方向,加上爆破對(duì)周邊圍巖壓力主要也是發(fā)生在水平方向,導(dǎo)致巷道兩側(cè)圍巖位移較大,支護(hù)呈尖頂形狀破壞、巷道兩側(cè)圍巖收斂鼓幫、開(kāi)裂和剝落等。

由軟巖巷道收斂曲線可知,雖然各行線各時(shí)段的收斂速率有一定差異,但整體變化規(guī)律基本一致,即巷道收斂量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),爆破后變形速率有減緩的趨勢(shì),這也反映出了礦區(qū)巖體的流變特性,同時(shí)也說(shuō)明了當(dāng)前的支護(hù)方式對(duì)于改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)而控制圍巖變形起到了一定的效果。

從巷道收斂變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,水平巷道流變特性明顯,且以水平收斂為主,水平方向收斂大于垂直方向收斂,主要表現(xiàn)為兩幫側(cè)壓內(nèi)擠變形；巷道累計(jì)收斂變形15.8～30.1 mm,平均收斂速率0.37～0.71 mm/d,最大變形量發(fā)生在10 中段1＃位置；巷道變形尚處于減速變形階段,變形速率有減緩趨勢(shì),部分地段趨于穩(wěn)定階段,但累計(jì)收斂量仍然呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。

巷道變形速率可以反映出巷道的穩(wěn)定性,一般而言,收斂速率小于0.02 mm/d 時(shí),屬穩(wěn)定巷道,收斂速率0.02～0.5 mm/d 時(shí),屬欠穩(wěn)定巷道,收斂速率大于0.5 mm/d 時(shí),屬不穩(wěn)定巷道。 試驗(yàn)段巷道中10 中段2＃測(cè)點(diǎn)的收斂速率介于0.02 ～0.5 mm/d 之間,屬于欠穩(wěn)定巷道,1＃測(cè)點(diǎn)巷道收斂速率大于0.5 mm/d,屬于不穩(wěn)定巷道,必須在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上及時(shí)增加新的支護(hù)結(jié)構(gòu),才能防止安全事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1) 軟巖巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,中深孔爆破后監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)了較大的變化,最大軟巖巷道圍巖位移出現(xiàn)在10 中段,最大位移量為4 cm。 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示出軟巖巷道松動(dòng)圈的圈層結(jié)構(gòu),在中深孔爆破作用下,由于圍巖自身破碎,圍巖位移隨深度增加并非都是逐漸減小的變化規(guī)律,部分位置圍巖最大位移甚至出現(xiàn)在圍巖最深部測(cè)點(diǎn)處,且研究區(qū)域部分測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為向圍巖深部移動(dòng)的特征。

2) 從軟巖巷道收斂變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,水平軟巖巷道流變特性明顯,且以水平收斂為主,水平方向收斂大于垂直方向收斂,主要表現(xiàn)為兩幫側(cè)壓內(nèi)擠變形；最大變形量發(fā)生在10 中段1＃測(cè)點(diǎn)位置；軟巖巷道變形尚處于減速變形階段,變形速率有減緩趨勢(shì),部分地段趨于穩(wěn)定階段,但累計(jì)收斂量仍然呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),軟巖巷道穩(wěn)定狀態(tài)良好。 試驗(yàn)段巷道中10 中段2＃測(cè)點(diǎn)的收斂速率介于0.02 ～0.5 mm/d 之間,屬于欠穩(wěn)定巷道；1＃測(cè)點(diǎn)巷道收斂速率大于0.5 mm/d,屬于不穩(wěn)定巷道,必須在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上及時(shí)增加新的支護(hù)結(jié)構(gòu),才能防止安全事故的發(fā)生。