李宏業(yè),蘇華友,范永亮，雷國(guó)榮，尹幸樂(lè)

(1.金川集團(tuán)有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100；2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

金川集團(tuán)有限公司龍首礦西二采區(qū)礦體埋藏較淺，地表100 m以下見(jiàn)礦，主礦體走向長(zhǎng)463 m，走向N27°W，延深600 m左右，最大厚度150 m，最小厚度28 m，礦體傾角50°～80°。頂板圍巖主要由混合巖及大理巖等組成，礦體主要由氧化帶礦石及原生帶礦石組成，底板圍巖主要由大理巖和綠泥石片巖等組成。礦山采用下向分層六角形進(jìn)路機(jī)械化膠結(jié)充填法進(jìn)行回采。由于近年來(lái)前鎳礦價(jià)格大幅下降，礦山采用充填法回采礦石時(shí)高成本的缺點(diǎn)日益凸顯。因此，礦山?jīng)Q定采用生產(chǎn)成本相對(duì)較低的無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行采礦，并已經(jīng)在1 595 m水平完成了無(wú)底柱分段崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)的部分采準(zhǔn)工程。

對(duì)于無(wú)底柱分段崩落法而言，鑿巖、爆破、鏟運(yùn)等一系列作業(yè)工序均是在回采進(jìn)路中完成，因此回采進(jìn)路的穩(wěn)定性將直接影響到該方法的采礦效果。對(duì)回采進(jìn)路開(kāi)展圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律的研究及其范圍的測(cè)試，將有助于回采進(jìn)路支護(hù)參數(shù)的選取及優(yōu)化[1-2]。本文采用不連續(xù)變形(DDA)方法對(duì)西二采區(qū)1 595 m水平崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)回采進(jìn)路圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展單孔聲波測(cè)試，獲得了進(jìn)路圍巖松動(dòng)圈的實(shí)際范圍，為礦山巷道支護(hù)參數(shù)的選取及優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 松動(dòng)圈分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究

1.1 模型的建立

西二采區(qū)無(wú)底柱分段崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)首采分段布置于1 595 m水平，距地表130 m左右，1 610 m以上有30 m左右的膠結(jié)充填體。無(wú)底柱分段崩落法的首采分段布置于1 595 m水平，利用1 595 m水平的回采誘導(dǎo)上部充填膠結(jié)體及覆巖垮塌形成覆蓋層。本次數(shù)值模擬研究采用的是DDA方法，以西二采區(qū)1 595 m水平地質(zhì)條件及實(shí)際工況為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模型的建立。圖1給出了模型幾何尺寸示意圖。模型寬×高=30 m×27 m(不包含模型邊框)，進(jìn)路寬×高=4.6 m×4.3 m，模型中包含了兩種材料，一種為礦體，一種為膠結(jié)充填體。其中礦體設(shè)定了三組節(jié)理，節(jié)理傾向及傾角參照實(shí)際情況，模型共包含了3 789個(gè)塊體。

表1給出了模擬中所用到的主要的礦巖物理力學(xué)參數(shù)以及數(shù)值控制參數(shù)。

金川西二采區(qū)地應(yīng)力值可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[3]：

σv=γgh

σH=3+0.0425h

(1)

圖1 模型幾何尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometric dimensions of the model

表1 巖體力學(xué)參數(shù)及數(shù)值控制參數(shù)Table 1 Rock mass mechanical parameters and numerical control parameters

圖2 模型中塊體受力示意圖Fig.2 Diagram of block stress in the model

式中：σv為垂直應(yīng)力，MPa；σH為水平應(yīng)力，MPa；γ為覆巖體重，kg/m3；g為重力加速度；h為埋深，m。取1 595 m水平的上覆巖層密度為2 700 kg/m3，埋深為130 m，重力加速度g為9.8 m/s2，則可求得σv=3.3 MPa，σH=8.53 MPa。按照計(jì)算出的應(yīng)力值對(duì)模型施加應(yīng)力條件，模型中塊體受力情況見(jiàn)圖2所示。

1.2 求解初始應(yīng)力平衡及開(kāi)挖時(shí)間設(shè)定

在對(duì)模型進(jìn)行開(kāi)挖前應(yīng)先使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡，圖3給出了模型在求解初始應(yīng)力平衡過(guò)程中水平方向、垂直方向以及切向的應(yīng)力演化曲線。

圖3 模型中測(cè)點(diǎn)應(yīng)力演化曲線Fig.3 Stress evolution curve of measured points in the model

由圖3可知，模型在物理時(shí)間t=1 s時(shí)各項(xiàng)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，可認(rèn)為模型此時(shí)達(dá)到了初始應(yīng)力平衡，可以對(duì)模型進(jìn)行開(kāi)挖，此時(shí)共運(yùn)算了20 000時(shí)步，因此設(shè)定在20 000時(shí)步時(shí)開(kāi)挖回采進(jìn)路。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果

圖4展示了模型中回采進(jìn)路開(kāi)挖后周邊圍巖破壞的演化過(guò)程。由圖4可以看出回采進(jìn)路開(kāi)挖后，模型立即做出反應(yīng)，進(jìn)路周邊圍巖開(kāi)始逐漸發(fā)生開(kāi)裂，并且裂紋不斷延伸擴(kuò)張，其中進(jìn)路兩幫主要以剪切破壞為主，頂板主要以拉伸破壞為主，底板在兩幫集中應(yīng)力傳遞作用下發(fā)生輕微底鼓破壞。由于本次數(shù)值模擬所采用的DDA版本不支持巷道支護(hù)模擬，因而在進(jìn)路開(kāi)挖后并未進(jìn)行支護(hù)模擬，這會(huì)在一定程度上影響模型中巖體的破壞范圍，但并不會(huì)在本質(zhì)上影響到進(jìn)路圍巖的破壞模式以及破壞范圍的分布規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程可以明顯看到，進(jìn)路頂板處的圍巖破壞速度及擴(kuò)展速度均要大于兩幫圍巖，最終使得頂板處的圍巖破壞范圍大于兩幫圍巖破壞范圍，數(shù)值模擬結(jié)果表明回采進(jìn)路在支護(hù)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)進(jìn)路頂部的支護(hù)。

2 松動(dòng)圈范圍現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

數(shù)值模擬結(jié)果展示出的規(guī)律是，在西二采區(qū)地質(zhì)條件下進(jìn)路頂板的圍巖破壞范圍大于兩幫圍巖破壞范圍。但由于當(dāng)前數(shù)值研究手段的仿真度有限，尚不能完全依靠數(shù)值手段去解決實(shí)際的工程問(wèn)題，因而還需要在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，從而獲得更可靠的數(shù)據(jù)信息。目前測(cè)量巷道圍巖松動(dòng)圈的方法主要有聲波法[4]、電阻率法[5]、地震法[6]、鉆孔成像法[7]，以及多種技術(shù)相結(jié)合的方法[8]等。其中聲波法因具備測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而得到了較為普遍的推廣應(yīng)用。

2.1 測(cè)試儀器及原理

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備選用的是武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM-SY5型超聲儀和一發(fā)雙收探頭，聲波測(cè)試原理如圖5所示。

利用該儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，計(jì)算聲波速度v所使用的計(jì)算公式為：

(2)

圖4 進(jìn)路開(kāi)挖后周邊圍巖破壞過(guò)程Fig.4 Failure process of surrounding rock after excavation of approach road

圖5 單孔聲波測(cè)試原理[4]Fig.5 Principle of single hole acoustic testing

式中：t1為聲波從發(fā)射探頭傳到接受探頭1的所需時(shí)間；t2為聲波從發(fā)射探頭傳到接受探頭2的所需時(shí)間；L1為發(fā)射探頭與接收探頭1之間的距離；L2為發(fā)射探頭與接收探頭2之間的距離。利用超聲儀測(cè)定巷道圍巖松動(dòng)圈時(shí)，圍巖越破碎，波阻抗就越大，測(cè)出的波速值就越??；圍巖越不破碎，波阻抗就越小，實(shí)測(cè)的波速值就越大[9-10]。

2.2 測(cè)試地點(diǎn)及方案

測(cè)試地點(diǎn)選擇在1 595 m水平無(wú)底柱分段崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)的5#進(jìn)路，見(jiàn)圖6a所示。在5#進(jìn)路中選取了2個(gè)斷面進(jìn)行測(cè)試，分別命名為A-A’斷面及B-B’斷面，兩個(gè)測(cè)試斷面分別標(biāo)定在距離進(jìn)路入口處10 m及20 m的位置，其位置見(jiàn)圖6b所示。每個(gè)斷面上布置3個(gè)測(cè)孔，其中左、右兩幫各一個(gè)水平測(cè)孔，巷道頂板中央位置布置一個(gè)直立測(cè)孔，測(cè)孔直徑為40 mm，測(cè)孔深度在2.5 m左右，鉆孔布置形式及參數(shù)見(jiàn)圖6c所示。

圖6 測(cè)試斷面位置及測(cè)孔布置參數(shù)和形式Fig.6 Location of test section and layout parameters and forms of test holes

2.3 測(cè)試流程

1)利用高壓水管對(duì)測(cè)孔內(nèi)部進(jìn)行清理，確保一發(fā)雙收探頭能夠順利放入孔底。

2)將一發(fā)雙收探頭置入鉆孔底部，封堵好孔口后進(jìn)行注水，直至孔內(nèi)注滿水。

3)利用聲波儀開(kāi)始探測(cè)，觀測(cè)波形變化，波形穩(wěn)定后即可以進(jìn)行采樣、保存。

4)完成第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的探測(cè)后，將探頭向外拉20 cm，進(jìn)行第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的探測(cè)，并采樣、保存，以此循環(huán)，直至孔口測(cè)試完畢。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共施工了6個(gè)測(cè)孔，其中A-A’斷面頂部測(cè)孔因?yàn)檫M(jìn)路表面噴砼破碎堵塞了孔口，導(dǎo)致探頭無(wú)法放入，B-B’斷面左側(cè)測(cè)孔內(nèi)部大約1.5 m處由于孔壁坍塌導(dǎo)致探頭無(wú)法進(jìn)入，因此這兩個(gè)鉆孔未測(cè)到數(shù)據(jù)。對(duì)其余四個(gè)鉆孔測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，做出波速-孔深曲線圖，如圖7所示。

由圖7可知，在A-A’斷面上進(jìn)路左幫松動(dòng)圈厚度大約為1.5 m，進(jìn)路右?guī)退蓜?dòng)圈厚度大約為1.3 m。在B-B’斷面上進(jìn)路右?guī)退蓜?dòng)圈厚度大約為1.6 m，進(jìn)路頂部松動(dòng)圈厚度大約為1.8 m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明5#進(jìn)路松動(dòng)圈范圍大約在1.3～1.8 m，且進(jìn)路頂部的松動(dòng)圈范圍要大于進(jìn)路兩幫松動(dòng)圈范圍，這一實(shí)測(cè)規(guī)律與數(shù)值模擬所得到的結(jié)論相一致。礦山當(dāng)前采用的支護(hù)方式為單層噴錨網(wǎng)支護(hù)，網(wǎng)片規(guī)格為1.25 m×2.25 m，噴砼厚度100 mm，錨桿長(zhǎng)度為2.25 m，間距1 m×1 m?？梢?jiàn)礦山當(dāng)前所采用的錨桿長(zhǎng)度大于巷道松動(dòng)圈范圍，能夠保證錨桿打入穩(wěn)定巖層之中，從而對(duì)松動(dòng)圈范圍內(nèi)的巖體起到有效的穩(wěn)固作用。需要說(shuō)明的是，礦山1 595 m水平無(wú)底柱分段崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)目前尚未開(kāi)始采礦，待開(kāi)始采礦后，在中深孔爆破振動(dòng)及采動(dòng)壓力的作用下，進(jìn)路圍巖松動(dòng)圈的分布規(guī)律及范圍可能會(huì)發(fā)生變化，屆時(shí)其變化規(guī)律及變化范圍還有待進(jìn)一步的研究和測(cè)試，同時(shí)現(xiàn)行的支護(hù)參數(shù)是否還能夠保證進(jìn)路的穩(wěn)定性也有待于觀測(cè)和研究。

圖7 各測(cè)孔波速—孔深曲線圖Fig.7 Curve of wave velocity and hole depth of each hole measured

3 結(jié)論

本文利用DDA方法對(duì)龍首礦西二采區(qū)1 595 m水平崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)回采進(jìn)路的松動(dòng)圈分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并利用聲波測(cè)試方法在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了回采進(jìn)路圍巖松動(dòng)圈范圍的實(shí)際測(cè)定工作，最終得出如下結(jié)論：

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在西二采區(qū)1 595 m水平地質(zhì)條件下，回采進(jìn)路開(kāi)挖后頂部圍巖的開(kāi)裂速度和延伸速度均大于兩幫圍巖，最終造成進(jìn)路頂部圍巖破壞范圍大于進(jìn)路兩幫圍巖的破壞范圍。

2)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出西二采區(qū)1 595 m水平回采進(jìn)路的松動(dòng)圈范圍大約在1.3～1.8 m，且頂部的松動(dòng)圈范圍要大于兩幫的松動(dòng)圈范圍，這一規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)論相一致。礦山采用的錨桿長(zhǎng)度為2.25 m，大于當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的松動(dòng)圈范圍，錨桿可以深入到穩(wěn)定巖層中有效地維持巷道穩(wěn)定。

3)礦山無(wú)底柱分段崩落法試驗(yàn)采場(chǎng)開(kāi)始采礦后，中深孔的爆破振動(dòng)及采動(dòng)壓力將會(huì)對(duì)進(jìn)路圍巖松動(dòng)圈范圍產(chǎn)生影響，屆時(shí)是否需要優(yōu)化進(jìn)路支護(hù)參數(shù)及支護(hù)方式還有待進(jìn)一步的研究和測(cè)試。