基于聲波探測(cè)的銅坑礦破碎盤區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析

覃慶韓 ,高峰 ,歐恩國(guó),李進(jìn)霖,李聰,何銀東,李成成

(1.廣西華錫礦業(yè)有限公司公司銅坑礦業(yè)分公司,廣西 河池市 547205;2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

廣西華錫集團(tuán)銅坑礦規(guī)模化開采已有近20 a的歷史,主采的92號(hào)礦體為厚大緩傾斜礦體,且與上部91號(hào)礦體部分重疊。該礦體前期采用“崩落法”或嗣后處理采空區(qū)的“空?qǐng)龇ā遍_采,經(jīng)多年開采形成了非常復(fù)雜的多層采空區(qū)結(jié)構(gòu)。受資源約束,最大限度地回采現(xiàn)有可采殘礦、盤區(qū)礦柱礦體是礦山目前面臨的主要任務(wù)。近年來,受開采范圍擴(kuò)大等因素影響,大部分礦柱受壓發(fā)生破碎,形態(tài)復(fù)雜,且部分采場(chǎng)位于塌陷區(qū)周邊,應(yīng)力集中和地壓顯現(xiàn)明顯[1-5],回采難度大[6-8]。

對(duì)井下巖體應(yīng)力時(shí)空分布特征與卸荷開采下地應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律進(jìn)行研究,進(jìn)行有效的地壓管理與監(jiān)測(cè)是解決深部資源和殘礦資源安全高效開采的重要基礎(chǔ)工作[9-11],對(duì)礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[12-13]。鑒于此,本文在礦山巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,利用聲波測(cè)井儀對(duì)505,494,472,455,434,386 m 等6個(gè)水平進(jìn)行聲波測(cè)試,獲取了巖體聲波特征,并基于聲波探測(cè)結(jié)果進(jìn)行礦柱危險(xiǎn)度分區(qū),在綜合分析的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的巖體支護(hù)和控制措施,為礦山安全生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 測(cè)試原理與流程

1.1 測(cè)試設(shè)備及原理

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用RSM-RCT(B)聲波測(cè)井儀。該聲波測(cè)井儀可應(yīng)用于隧(巷)道巖體松動(dòng)圈檢測(cè)、巖層松動(dòng)圈檢測(cè)、地質(zhì)勘察巖體縱波波速測(cè)試等,是地質(zhì)(巖石)鉆孔專業(yè)檢測(cè)設(shè)備,其配置的精密光電編碼器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)。該設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試部分主要由主機(jī)、探頭和數(shù)據(jù)傳感線構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 RSM-RCT(B)聲波測(cè)井儀

聲波測(cè)井的基本原理是當(dāng)超聲波在圍巖介質(zhì)中傳播時(shí),會(huì)發(fā)生幾何衰減和物理衰減,穿過巖石的不同結(jié)構(gòu)面時(shí),會(huì)發(fā)生散射、折射和熱損耗等物理現(xiàn)象,使得超聲波不斷衰減造成波速降低。因此,利用波速隨著圍巖體裂隙發(fā)育而降低,隨著應(yīng)力增大而加快的特性,測(cè)試超聲波在巷道圍巖一定深度范圍內(nèi)的傳播速度,根據(jù)波速的變化,即可判斷圍巖松動(dòng)圈范圍(塑性區(qū))分布。

根據(jù)彈性理論,可得出超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系:

式中,Vp為縱波速度;Vs為橫波速度;E為彈性模量;μ為泊松比;ρ為密度。

從式(2)可以看出,超聲波在巖體中的傳播速度與巖體的彈性模量、泊松比及密度有關(guān),而巖體的彈性模量、泊松比及密度與巖體自身的抗壓強(qiáng)度、密實(shí)程度直接相關(guān),因此,巖體的波速可以間接反映巖體抗壓強(qiáng)度以及內(nèi)部破壞程度。

此外,該測(cè)試儀為一發(fā)雙收裝置的測(cè)井換能器,如圖2所示。發(fā)射換能器T發(fā)射的聲波,通過圖中虛線路徑到達(dá)接收換能器R1和R2,此時(shí)聲波的折射波首波被聲波儀記錄。因此ΔL段的巖體波速可按下式計(jì)算:

圖2 一發(fā)雙收工作原理

式中,ΔL為兩種換能器間的距離;t1、t2為兩個(gè)接收換能器接收到聲波的時(shí)間。

1.2 測(cè)試流程

測(cè)試方式如圖3所示,即采用一發(fā)雙收井下?lián)Q能器,發(fā)射點(diǎn)至接收一的間距為20 cm,接收一至接收二的間距為20 cm。在鉆孔內(nèi)沿孔壁發(fā)射、接收聲波信息,測(cè)孔時(shí)將換能器送至孔底,按測(cè)井點(diǎn)距由孔底至孔口進(jìn)行測(cè)試,計(jì)算機(jī)完成波列數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存后,室內(nèi)通過回放和資料處理拾取縱波,在儀器采集的波形中根據(jù)波形起跳點(diǎn)確定縱波初值,計(jì)算縱波波速。測(cè)試的基本流程如下。

圖3 單孔測(cè)試操作

(1)將換能器1個(gè)發(fā)射接頭與2個(gè)接收接頭分別對(duì)應(yīng)聲波測(cè)井儀的“發(fā)射”“接收一”“接收二”接好,確保其工作正常。

(2)鉆孔內(nèi)無水或水位不能抬起,則需要注清水至套管以上,封堵好孔口后進(jìn)行注水,直至孔內(nèi)注滿水。將探頭勻速置入鉆孔底部,記錄放置深度,一般情況下探頭位置的深度略小于孔深。

(3)設(shè)置采集參數(shù),開始采樣,從孔底至孔口采集數(shù)據(jù),觀測(cè)波形變化,波形穩(wěn)定后即可進(jìn)行采樣保存。

(4)以每次5 cm 的測(cè)點(diǎn)距離勻速往外拉測(cè)試探頭,連續(xù)采樣保存,直至孔口。

2 探測(cè)方案

2.1 探測(cè)孔施工方案

在前期工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)井下破碎盤區(qū)礦柱在長(zhǎng)期暴露下風(fēng)化嚴(yán)重,本身節(jié)理裂隙發(fā)育,加上多重?cái)_動(dòng)使得巖體質(zhì)量較差。結(jié)合實(shí)際情況,基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,設(shè)計(jì)在386,434,455,472,494及505 m 水平施工21個(gè)地質(zhì)探測(cè)孔,其中16個(gè)孔用于超聲波探測(cè),表2為超聲波探測(cè)的設(shè)計(jì)方案,圖4為鉆孔布置示意圖。鉆孔設(shè)備的鉆頭直徑為75 mm,在施工時(shí)需按一定角度傾斜向下,鉆孔角度控制在3°～5°,便于孔內(nèi)注水進(jìn)行超聲波探測(cè)。鉆孔孔口離巷道底板高度可以根據(jù)鉆機(jī)的高度進(jìn)行調(diào)整,但需要進(jìn)行超聲波探測(cè)的鉆孔孔口位置不超過1.5 m,以便進(jìn)行后續(xù)的聲波探測(cè)操作。

表2 超聲波探測(cè)孔施工方案與位置信息

圖4 鉆孔布置

2.2 鉆孔超聲波探測(cè)與數(shù)據(jù)采集

探測(cè)孔施工完成后,及時(shí)開展聲波測(cè)試。此次試驗(yàn)測(cè)孔共記錄16組數(shù)據(jù),RCT 孔波速曲線如圖5所示(以505T5C1 為例)。其中,由于部分測(cè)孔(386TC2、472TC4)因孔底破碎或貫穿廢石充填體,存在儲(chǔ)水效果差乃至無注水條件的情況,以至于雙收換能器出現(xiàn)不能與孔壁巖體間以清水耦合甚至暴露在空氣中的情況,導(dǎo)致部分測(cè)量的波速數(shù)據(jù)比實(shí)際偏小。

圖5 RCT孔波速曲線(以505TC1為例)

3 測(cè)試結(jié)果

將測(cè)得的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理,結(jié)果分析如下。

(1)各巷道松動(dòng)(破碎)區(qū)域直觀圖如圖6 所示,圖中綠色代表圍巖完整性好,穩(wěn)定性高;黃色代表過渡,完整性一般,穩(wěn)定性一般;紅色代表形成松動(dòng)區(qū)域,巖體破碎,穩(wěn)定性差(顏色區(qū)分見電子版)。

圖6 各鉆孔區(qū)域穩(wěn)定性分級(jí)直觀圖

初步判斷505 m 水平1號(hào)孔區(qū)域巖體與494 m水平3號(hào)孔巖體較穩(wěn)定,屬于整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體。472 m 水平2號(hào)孔區(qū)域巖體未見明顯松動(dòng)區(qū)。455 m 水平2號(hào)孔區(qū)域孔口至4.6 m 處巖體與386 m水平1號(hào)、4號(hào)孔巖體為層狀,結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

(2)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況分析,忽略個(gè)別跳躍點(diǎn),部分測(cè)孔區(qū)域的圍巖裂隙發(fā)育,穩(wěn)定性較差。505 m水平2號(hào)及4號(hào)孔區(qū)域圍巖與455 m 水平2號(hào)孔區(qū)域孔深4.6 m 處更深處巖體均存在破碎松動(dòng)區(qū),廢石充填不夠充分,穩(wěn)定性不足,宜加強(qiáng)支護(hù)。434 m水平2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)孔均存在不同程度的松動(dòng)區(qū),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況來看,該處充填體膠結(jié)程度較差,呈泥狀,可考慮進(jìn)行二次充填;386 m 水平3號(hào)孔未見穩(wěn)定圍巖,開采時(shí)需加強(qiáng)支護(hù)。

(3)對(duì)505,494,472,455,434,386 m 水平巖體波速值進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)松動(dòng)區(qū)(塑性區(qū))大多位于孔口或孔底處。說明巖體風(fēng)化對(duì)孔口處松動(dòng)區(qū)的形成有較大的影響,而孔底形成松動(dòng)區(qū)多是因?yàn)樯畈繋r體節(jié)理裂隙發(fā)育或者充填體強(qiáng)度不足,或是廢石充填體導(dǎo)致的破碎區(qū)域。巖體波速值大致為近孔底波速高、近孔口波速低,說明巖體風(fēng)化程度具有隨孔深增加而減弱的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)505 m 水平1號(hào)孔區(qū)域巖體、494 m 水平3號(hào)孔巖體、472 m 水平2號(hào)孔區(qū)域巖體、455 m 水平2號(hào)孔區(qū)域孔口至4.6 m 處巖體、434 m 水平1號(hào)孔區(qū)域圍巖與386 m 水平1號(hào)、4號(hào)孔區(qū)域巖體的質(zhì)量較好。

(2)505 m 水平2號(hào)及4號(hào)孔區(qū)域圍巖、455 m水平2號(hào)孔區(qū)域孔深4.6 m 處更深處的巖體、386 m 水平3號(hào)區(qū)域附近的圍巖,需要加強(qiáng)支護(hù);434 m水平2,3,4號(hào)的松動(dòng)區(qū)充填體膠結(jié)程度較差,可考慮進(jìn)行二次充填。

(3)松動(dòng)區(qū)大多位于孔口或孔底處,巖體風(fēng)化對(duì)孔口處松動(dòng)區(qū)的形成有較大的影響,而孔底形成松動(dòng)區(qū)多是因?yàn)樯畈繋r體節(jié)理裂隙發(fā)育或者充填體強(qiáng)度不足,或是廢石充填的散體破碎的區(qū)域。