焦家金礦破碎巖體變形破壞規(guī)律研究

摘要：焦家金礦-570～630 m中段礦（巖）體節(jié)理裂隙發(fā)育，易出現(xiàn)楔形不穩(wěn)定結構，進而發(fā)生巖體冒落。對巖體進行了地質(zhì)鉆孔、結構面條件調(diào)查等得出，焦家金礦巖體較為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分布范圍廣。對開采擾動下巷道收斂變形規(guī)律進行研究與總結，并通過雷達測試分析焦家金礦巷道破壞深度，損傷深度基本保持在2 m，存在較多的結構弱面，需及時采取加固措施。此研究對該處礦體的支護等做出合理規(guī)劃，進一步指導采場結構參數(shù)的合理選取，以確保該礦段的安全生產(chǎn)。對類似礦山破碎礦體的治理條件有一定的借鑒意義。

關鍵詞：巖體變形破壞分析；巖體性質(zhì)；開采擾動；破碎礦體；結構面；雷達測試；采場結構參數(shù)

中圖分類號：TD32 文章編號：1001-1277（2024）07-0022-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240705

引 言

巖體結構，包括結構面和結構體2個要素的組合特征。顯然，在礦山開采過程中，巖體結構影響著礦山采礦方法的選擇和礦山開拓采準工程的設計。礦體開采過程中爆破擾動往往會誘發(fā)巷道圍巖及采場充填體嚴重破壞的問題［1-5］，采用現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬和理論分析相結合的方法，基于收斂變形監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測和探地雷達技術［6-8］，可以獲得爆破擾動引起的巷道變形規(guī)律。

受上盤斷裂蝕變帶的影響，山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。本文對焦家金礦重點巷道區(qū)域進行節(jié)理裂隙調(diào)查，通過統(tǒng)計節(jié)理產(chǎn)狀分布規(guī)律和節(jié)理面間距信息，獲得焦家金礦上、下盤圍巖和礦體的節(jié)理信息；并在此基礎上，根據(jù)現(xiàn)場實地踏勘，選擇代表性區(qū)域，采用巷道圍巖收斂變形監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測、探地雷達，構建焦家金礦爆破擾動下巷道圍巖變形破壞的多源測試系統(tǒng)［9-14］，為現(xiàn)場巷道防護工作提供參考。

1 焦家金礦破碎巖體結構特征

焦家金礦巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在開采實踐中，極易出現(xiàn)楔形不穩(wěn)定結構，進而發(fā)生巖體冒落，特別是礦體上盤為焦家主斷裂，且傾角較緩，一經(jīng)揭露極易發(fā)生垮落。因此，開展巖體結構特性調(diào)查，對于全面、準確地掌握巖體性質(zhì)意義重大，可進一步指導采場結構參數(shù)的合理選取。

1.1 地質(zhì)鉆孔RQD分析

為獲得焦家金礦破碎巖體的RQD指標，分別在礦體內(nèi)部、上盤巖體及下盤巖體施工30 m左右的地質(zhì)鉆孔。對每個地質(zhì)鉆孔的RQD值進行統(tǒng)計，所得結果如表1所示。根據(jù)每個地質(zhì)鉆孔所處區(qū)域的不同，采用統(tǒng)計學方法得到下盤巖體的平均RQD值為31.67 %，礦體的平均RQD值為21.94 %，上盤巖體的平均RQD值為29.77 %，因6#鉆孔有一部分在礦體內(nèi)，所以上盤巖體的實際RQD值應該小于29.77 %。

1.2 破碎巖體結構面調(diào)查

針對焦家金礦試驗采場的圍巖地質(zhì)條件及開采技術方法，開展破碎巖體結構特征的現(xiàn)場調(diào)查工作。

采用CAE Mining公司研發(fā)的Sirovision非接觸節(jié)理信息采集儀對-390 m中段和-450 m中段圍巖暴露區(qū)域的節(jié)理信息進行掃描，對從2D圖像獲取的圖像進行3D合成，繪制巖體結構面，統(tǒng)計巖體結構信息，然后進行巖體穩(wěn)定性分析。在進行采場暴露面節(jié)理裂隙調(diào)查時，應對主節(jié)理和隨機節(jié)理進行區(qū)分，避免統(tǒng)計結果中隨機節(jié)理數(shù)量過多，影響最終優(yōu)勢節(jié)理面的確定。

1.3 破碎巖體結構信息獲取

通過現(xiàn)場調(diào)查共獲得巖面圖像1 200幅，涵蓋上盤巖體、礦體、下盤巖體的不同區(qū)域。根據(jù)掃描結果建立掃描區(qū)域巖體表面的三維模型。基于所建立的三維巖體表面模型，進行巖體結構信息的繪制，統(tǒng)計所繪制節(jié)理的傾向、傾角和跡線長度等參數(shù)，共獲得節(jié)理數(shù)據(jù)331條。

經(jīng)過分析，整體上焦家金礦巖體較為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分布范圍廣。從傾角上看，焦家金礦大部分巖體節(jié)理的傾角大于45°，屬于傾斜和急傾斜結構面；從傾向上看，焦家金礦大部分巖體節(jié)理的傾向大于245°。在此基礎上，采用赤平投影的方法分別分析焦家金礦上盤巖體、礦體和下盤巖體節(jié)理的產(chǎn)狀關系，結果如圖1～3所示。

根據(jù)國內(nèi)外對于結構面分組統(tǒng)計樣本數(shù)量的研究結果，只有結構面樣本達到一定數(shù)量，才能保證統(tǒng)計結果的精度，如果樣本數(shù)量較少，則難以有效反映其統(tǒng)計規(guī)律，建立的概率模型可能與實際差別較大。ISRM建議統(tǒng)計樣本數(shù)量應為80～300，一般情況下可取150。此次針對焦家金礦破碎巖體結構特征調(diào)查共獲得節(jié)理數(shù)據(jù)331條，滿足統(tǒng)計精度要求，因此基于此樣本進行的統(tǒng)計分析準確可靠。

2 開采擾動下巷道收斂變形規(guī)律

針對焦家金礦破碎巖體條件及開采技術條件，根據(jù)現(xiàn)場實地踏勘，選擇代表性區(qū)域采用巷道圍巖收斂變形監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測、探地雷達捕捉巖體在開采擾動下的圍巖變形、振動和破壞信息，為支護和爆破參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 收斂變形連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)與設置

圍巖變形測量常用設備有水準儀、頂板離層儀、多點位移計、測斜儀等。采場頂板離層監(jiān)測通過頂板上向鉆孔安裝離層儀，設置深基點和淺基點，觀測頂板不同層位和高度的深部巖層變形量，依據(jù)測試數(shù)據(jù)分析頂板離層數(shù)值，進而判定頂板穩(wěn)定性。

巷道收斂變形連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)巷道收斂變形監(jiān)測技術，利用拉線式位移傳感器和角度傳感器，在初始相鄰監(jiān)測點距離已知的情況下，測量各點相對位移研制而成。巷道收斂變形連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)傳輸、存儲部分組成。具體線路連接如圖4所示。

目前，巷道收斂變形監(jiān)測技術分為自動跟蹤全站儀觀測技術、自動化近景攝影技術和點式直接測量技術3類。這類設備的代表為收斂尺、巴賽特收斂系統(tǒng)等，其中，收斂尺是目前巷道收斂變形監(jiān)測使用最廣泛的監(jiān)測方法。利用收斂尺測量巷道變形時，需在監(jiān)測斷面測點處安裝固定座，常用的測點布置方式有3點式和5點式，每次測量時，需保持收斂尺張力恒定，并測量溫度進行誤差補償，將測量數(shù)據(jù)按照公式進行計算，獲得各測點相對位移。此外，通過圍巖松動圈的測量也能間接反映出圍巖的變形情況。圍巖松動圈的測量常常采用聲波測試手段。聲波測試技術是利用聲波在巖體內(nèi)傳播性能進行的一種量測方法，也稱聲測法，或稱彈性波法，這種方法對于預測山體壓力的顯現(xiàn)、判斷地下空間巖體的完整性和破壞程度、進行安全檢查是一種切實可行的方法。

2.2 巷道收斂變形分析

在采場回采過程中，各個收斂監(jiān)測斷面的圍巖位移呈臺階式增長，且巷道兩幫的收縮量遠大于兩角的收縮量，大于頂板的下沉量。根據(jù)圍巖位移的變形監(jiān)測曲線可以將采場回采周期內(nèi)巷道圍巖變形分為開挖后圍巖的調(diào)整期、受到回采爆破振動影響的爆破影響期及最后的穩(wěn)定期3個時期（如圖5所示）。

爆破是引起巷道圍巖變形的主導因素，且爆破的影響呈衰減趨勢，即首次爆破對巷道圍巖變形的影響最大，其次為第二次爆破，剩余4次爆破對巷道圍巖變形的影響較小，巷道圍巖基本保持穩(wěn)定。

3 巷道破壞深度分析

為研究焦家金礦巷道開挖圍巖損傷情況，分別對-630 m中段一分巷分段運輸巷道和6條穿脈巷道進行了探測。-630 m中段一分巷雷達測試布置情況如圖6所示。

依據(jù)巷道開挖對巷道圍巖造成擾動損傷程度的不同，可將巷道圍巖分為損傷區(qū)、過渡區(qū)和無擾動區(qū)3個區(qū)域，得到雷達測試結果如圖7～9所示。這些結果綜合考慮了巷道巖體巖性、地質(zhì)構造、巖體埋藏深度、爆破擾動及其他工程因素。

由圖7可知：焦家金礦-630 m中段一分巷損傷深度明顯增大，為1.4～2.0 m。部分區(qū)域分布有較多的節(jié)理裂隙，深度最大可達6 m。同樣的現(xiàn)象在-630 m中段一分巷116勘探線連巷雷達測試數(shù)據(jù)中也可以觀察到（如圖8所示）。-630 m中段一分巷116勘探線連巷圍巖中節(jié)理裂隙面的分布，使得該處巷道損傷深度驟增，因此，應對此區(qū)域加強觀測或支護，防止邊幫片落或塌方。-630 m中段一分巷100聯(lián)絡巷雖有少量節(jié)理裂隙面分布，但巷道圍巖損傷深度相對較穩(wěn)定，基本保持在2 m。

4 結 論

綜合-630 m中段一分巷雷達探測結果可以得出以下結論：

1）整體上看，巖體較為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分布范圍廣。從傾角上看，焦家金礦大部分巖體節(jié)理的傾角大于45°，屬于傾斜和急傾斜結構面。

2）-630 m中段一分巷巷道圍巖損傷深度較大，并且存在較多的結構弱面，在后續(xù)的中深孔開采時，應密切關注劇烈的中深孔爆破擾動對結構弱面處巷道變形的影響，必要時及時采取加固措施。

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Study on the deformation and failure patterns of fractured rock mass in Jiaojia Gold Mine

Liu Junxiao

Abstract：The ore （rock） bodies between the -570 m and -630 m levels in Jiaojia Gold Mine are characterized by well-developed joints and fissures，prone to forming wedge-shaped unstable structures，leading to rock mass collapse.Geological drilling and structural surface condition surveys indicate that the rock mass in Jiaojia Gold Mine is relatively fractured，with well-developed joints and a wide range of joint occurrence distributions.This study investigates and summarizes the convergence deformation patterns of roadways under mining disturbances.Radar testing and analysis reveal that the damage depth of the roadways in Jiaojia Gold Mine generally remains at about 2 m，with many weak structural surfaces present，necessitating timely reinforcement measures.This research provides a rational plan for the support" of the ore body and guides the reasonable selection of stope structural parameters to ensure safe production in this mining section.It offers valuable insights for managing fractured rock mass in similar mines.

Keywords：rock mass deformation and failure analysis;rock mass properties;mining disturbance;fractured ore body;structural plane;radar" testing;stope structure parameter

收稿日期：2024-01-12； 修回日期：2024-03-15

基金項目：國家自然科學基金面上項目（51974043）

作者簡介：劉軍曉（1979—），男，工程師，從事采礦工程技術研究工作；E-mail：liujunxiao@sd-gold.com