拜什塔木銅礦爆破開采軟巖巷道圍巖損傷規律研究①

張愛卿， 王貽明， 王少勇， 周發陸

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

拜什塔木銅礦原采用無底柱連續開采分段崩落留礦采礦法,雖然具有采礦回收率高、采礦成本低等優勢,但隨著不斷向深部開采,地壓的影響逐漸顯現出來,出現了采礦生產能力小、回采作業不安全、作業環境不佳等問題,回采效率、作業安全性遠遠不能滿足生產要求。 針對拜什塔木銅礦原采礦方法存在的問題,擬采用中深孔爆破替代原采礦方法。 區域巷道的穩定是判斷中深孔爆破效果好壞的判別依據之一［1-6］。 國內很多學者在中深孔爆破法的設計及數值模擬方面展開了研究［7-10］,但對中深孔爆破開采軟巖巷道累計變形監測的研究相對較少。 中深孔爆破對軟巖巷道變形及對周邊環境的影響一般很難通過解析的方法求解。現場監測的方法為解決這類問題提供了有力工具。 本文以拜什塔木銅礦為背景,通過工程地質調查制定中深孔爆破和監測方案,對開采軟巖巷道圍巖位移和軟巖巷道收斂變形進行現場監測,分析軟巖巷道在爆破作用下的累計變形規律,以期對其他類似礦山采用中深孔爆破開采時軟巖巷道的支護提供借鑒。

1 工程地質調查

拜什塔木銅礦為單斜構造,礦區內未發現大的斷層,礦體平均厚度6.24 m,屬厚度穩定型礦體。 礦體產狀較穩定,600 m 水平以上傾角為80°,巖層裂隙不發育,節理罕見,但層理發育。 礦巖硬度系數3 ～5,硬度較小。 現場進行巖體RQD 調查,結果見表1。 從現場測試結果來看,礦體下盤圍巖較上盤圍巖和礦體相比破碎,且部分交叉,切割破碎相對較為嚴重,測量部分裂隙較多,軟硬不一。

表1 巖體RQD 分析結果

2 中深孔爆破與監測方案設計

2.1 中深孔爆破方案

試驗采場選擇在礦區10 中段。 采場高度40 m,長度30 m,采場寬度6 m(即礦體平均厚度)。 采場回采前,進行該采場底部3 m 的高強度膏體充填,將其作為人工假頂；礦柱、礦房分別進行拉底,采用淺孔落礦,回采方式采用中深孔爆破落礦。 進路開采及底部出礦結構均采用42 mm 淺孔爆破,采場采用110 mm 孔徑、由下至上多分層多排微差爆破崩礦法聯合爆破工藝。

主要工藝流程為:進路充填養護期結束后,在采場底部靠近下盤處采用7655 鑿巖機淺孔爆破,拉底層高度2.5 m；爆破采用多排多分層微差爆破,每個炮孔共進行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%,原則上補償空間應不小于崩礦體積的30%,直至采場頂板。 為了保證爆破有足夠的補償空間,根據礦山平均每天的出礦能力,爆破至出礦結束設計為7 天。 中深孔爆破方案示意圖見圖1,炮孔平面布置見圖2 中鑿巖硐室內的6排炮孔。

圖1 爆破方案示意（單位：m）

圖2 監測點布置圖

2.2 監測方案

為了監測中深孔爆破對軟巖巷道變形的影響,本次中深孔爆破過程將進行以下現場監測:①軟巖巷道收斂變形規律的現場監測；②軟巖巷道周邊圍巖移動規律的位移現場監測。 主要的監測儀器有多點位移計和收斂計。

監測點布置在試驗采場上中段的軟巖巷道,共選取3 個有代表性的位置,監測點布置見圖2。 圖中矩形虛線范圍內為軟巖巷道收斂變形監測,橢圓形虛線范圍內為軟巖巷道圍巖位移監測［10-12］。 監測內容包括:軟巖巷道圍巖位移監測(1 個斷面1 個水平測點,每個多點位移計由5 個測點組成,分別測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 的巖體移動狀況,其中測點1 為長度4 m 處的點,測點2 為長度3.2 m 處的點,以此類推,測點5 為長度0.6 m 的點)、軟巖巷道收斂變形監測(2 個斷面,每個斷面的頂、幫、拱共3 個測點)。 軟巖巷道收斂變形監測點測線布置如圖3 所示。

圖3 收斂計測線布置圖

3 監測數據分析

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之后測點曲線出現了較大的波動,尤其是測點1～3,在爆破結束7 d 之內一直產生向采空區移動的現象,測點4 和5 在爆破結束初期也出現向采空區移動的現象,后期逐漸產生了向巷道內部移動的現象。 出現該現象的原因是由于監測點布置在礦體下盤圍巖中,測點1～3 離礦體較近,爆破后隨著礦體的崩落,下盤圍巖向采空區產生了較大位移,最大位移量為4 cm。 后期由于圍巖產生拱效應,爆破后經過7 d 的時間,巷道圍巖的變形區域逐漸趨于穩定；測點4 和5 距離巷道較近,前期受到爆破影響,圍巖向采空區移動,后期由于地應力的作用,出現向巷道內部移動的現象。

圖4 10 中段軟巖巷道圍巖位移變化曲線

圍巖松動圈理論和大量工程量測結果表明,由于應力重分布及復雜的圍巖動態,圍巖位移最大值一般出現在靠近巷道壁位置,從巷道壁向圍巖深部,圍巖位移逐漸減小,最后在原巖區基本無位移顯現,即出現松動(弛)區、塑性區、過渡帶和原巖區。 現場監測表明,采用中深孔爆破后,監測巷道的圍巖變形特征并不完全符合上述基本規律,許多測點圍巖位移分布特征甚至出現相反的情況。 如圖4 所示,圍巖位移最大值都出現在最深部測點處。 這也在一定程度上反映了研究區域圍巖破碎的特征,表明在圍巖應力和爆破的共同作用下,圍巖深部測點隨著巖體一起朝著采空區方向移動,而巷道淺部測點產生向巷道內部移動的規律。

3.2 巷道收斂變形分析

10 中段軟巖巷道圍巖收斂位移監測結果見圖5。從圖5 可以看出,由于礦體及圍巖自身的強度較低,監測巷道的周邊受到其他采場開采的影響,在爆破之前,就已經產生了波動,但其波動較小。 10 中段2 個測點的收斂值在第5 次爆破后才出現迅速增大,表明巷道在爆破作用下產生了較大的變形,且變形量均為正值,說明巷道變形表現為全斷面收斂,且以兩幫相對收斂為主,其中10 中段1＃測點的水平測線累計收斂值最大,達30.1 mm,這與多點位移計的監測規律相吻合。

圖5 10 中段軟巖巷道圍巖收斂位移監測結果

出現上述現象的原因是,巷道收斂變形既與巖體自身條件和地應力有關,又與支護設計和爆破密切相關。 在地應力條件下,水平方向初始地應力大于垂直方向,加上爆破對周邊圍巖壓力主要也是發生在水平方向,導致巷道兩側圍巖位移較大,支護呈尖頂形狀破壞、巷道兩側圍巖收斂鼓幫、開裂和剝落等。

由軟巖巷道收斂曲線可知,雖然各行線各時段的收斂速率有一定差異,但整體變化規律基本一致,即巷道收斂量呈現逐漸增加趨勢,爆破后變形速率有減緩的趨勢,這也反映出了礦區巖體的流變特性,同時也說明了當前的支護方式對于改善圍巖應力狀態進而控制圍巖變形起到了一定的效果。

從巷道收斂變形監測結果可以看出,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,主要表現為兩幫側壓內擠變形；巷道累計收斂變形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,部分地段趨于穩定階段,但累計收斂量仍然呈現緩慢上升趨勢。

巷道變形速率可以反映出巷道的穩定性,一般而言,收斂速率小于0.02 mm/d 時,屬穩定巷道,收斂速率0.02～0.5 mm/d 時,屬欠穩定巷道,收斂速率大于0.5 mm/d 時,屬不穩定巷道。 試驗段巷道中10 中段2＃測點的收斂速率介于0.02 ～0.5 mm/d 之間,屬于欠穩定巷道,1＃測點巷道收斂速率大于0.5 mm/d,屬于不穩定巷道,必須在原有支護結構的基礎上及時增加新的支護結構,才能防止安全事故的發生。

4 結 論

1) 軟巖巷道圍巖位移監測結果表明,中深孔爆破后監測曲線出現了較大的變化,最大軟巖巷道圍巖位移出現在10 中段,最大位移量為4 cm。 監測結果顯示出軟巖巷道松動圈的圈層結構,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律,部分位置圍巖最大位移甚至出現在圍巖最深部測點處,且研究區域部分測點表現為向圍巖深部移動的特征。

2) 從軟巖巷道收斂變形監測結果可以看出,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,主要表現為兩幫側壓內擠變形；最大變形量發生在10 中段1＃測點位置；軟巖巷道變形尚處于減速變形階段,變形速率有減緩趨勢,部分地段趨于穩定階段,但累計收斂量仍然呈現緩慢上升趨勢,軟巖巷道穩定狀態良好。 試驗段巷道中10 中段2＃測點的收斂速率介于0.02 ～0.5 mm/d 之間,屬于欠穩定巷道；1＃測點巷道收斂速率大于0.5 mm/d,屬于不穩定巷道,必須在原有支護結構的基礎上及時增加新的支護結構,才能防止安全事故的發生。