金川礦山深部巷道圍巖松動圈厚度測試與分析

曹平 ，陳沖 ，張科 ，蒲成志 ，劉濤影

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學(xué) 湖南省研究生創(chuàng)新基地，湖南 長沙，410083)

隨著對礦產(chǎn)資源的不斷開采，地層淺部資源逐漸減少，開采深度逐漸向深部發(fā)展，深部開采面臨著高地壓、高井深[1]等問題。隨著采礦深度的不斷增加，地質(zhì)條件惡化，破碎巖體增多，巖體節(jié)理裂隙更加發(fā)育、地應(yīng)力增大、大變形、強(qiáng)流變導(dǎo)致深部巷道的穩(wěn)定性問題愈加突出。深部軟巖巷道的支護(hù)雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了許多研究成果，但沒有得到根本的解決。國外的巷道開挖支護(hù)理論主要以新奧法理論、能量支護(hù)理論以及應(yīng)變控制理論為代表；國內(nèi)的則有系統(tǒng)開挖理論、軸變理論、聯(lián)合支護(hù)理論、關(guān)鍵部位耦合組合支護(hù)理論以及松動圈理論[2-7]。運用松動圈理論，準(zhǔn)確測量巷道松動圈厚度可以掌握巷道開挖對圍巖松動圈的影響并對支護(hù)系統(tǒng)提出修正。松動圈理論自20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來，許多學(xué)者對松動圈理論進(jìn)行了研究并得出了一系列的研究成果，但是很多理論都是建立在假設(shè)之上，與實際工程有很大差別，應(yīng)用范圍較窄[8]，而且大多數(shù)理論對松動圈的研究并沒有考慮時間因素，而實際工程中，巷道開挖支護(hù)后，其松動圈厚度會隨時間有所變化。鑒于此，有必要開展關(guān)于圍巖松動圈的工程應(yīng)用測試。在深部地層中采挖的巷道，高地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及斷層等因素對其穩(wěn)定性造成很大影響，即使噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的前提下，巷道變形破壞嚴(yán)重，易底臌，維修周期短。由于巷道掘進(jìn)爆破時裝藥量、圍巖類型以及圍巖賦存環(huán)境的差異，不同地段不同部位巷道圍巖破碎程度和范圍不一樣，而且剛掘進(jìn)和已返修的巷道的圍巖破碎程度和范圍也有差異?；诖?，應(yīng)該精確測量巷道圍巖松動圈的厚度并分析巷道失穩(wěn)原因。國內(nèi)外測量圍巖松動圈的方法很多，主要包括地震測法、電阻率法、超聲波測法、孔內(nèi)攝像法等[9]。超聲波測發(fā)利用超聲波在巖體中的傳播速度與巖體圍巖裂隙相關(guān)的原理，使用“一發(fā)雙收”探頭測定測孔周圍的巖石破碎程度，繪制“深度-聲波速度”曲線，從而判斷圍巖松動圈厚度。整個測試設(shè)備簡單，操作方便，在使用水作為糅合劑時，可以由探測到的聲波強(qiáng)度和現(xiàn)場孔壁漏水情況，分析圍巖的破碎程度并得出松動圈的厚度。結(jié)合松動圈理論，可以有效測試圍巖松動圈的厚度并判斷圍巖的破碎程度，能合理分析巷道壁面破壞以及底臌的原因。甘肅金川礦區(qū)是我國最大鎳礦資源生產(chǎn)基地，二礦區(qū)地下基建已經(jīng)到達(dá)850 m，距離地表達(dá)1 km 左右。金川深部地區(qū)井巷變形破壞嚴(yán)重，在噴錨支護(hù)段，巷道側(cè)壁和頂板噴層脫落，錨桿端部破壞并不明顯，而是連同圍巖一起向巷道臨空面發(fā)生收斂，只有少量的錨桿端部鋼墊板破裂，并沒入巖體內(nèi)部。許多地段的巷道底臌非常嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道返修周期短，有的甚至只有1 a。因此，運用聲測法準(zhǔn)確測量其巷道松動圈厚度，分析其失穩(wěn)原因?qū)Ω倪M(jìn)巷道支護(hù)方式、提高巷道服務(wù)年限具有重要的意義，同時，也可以為同類型的礦山起到借鑒作用。

1 聲波測試原理及儀器

1.1 松動圈聲測法原理

根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動理論，應(yīng)力波波速[10]為

式中：E 為圍巖的彈性模量，GPa；ρ 為圍巖的密度；μ 為圍巖的泊松比。

從式(1)可以看出，超聲波在圍巖中的傳播參數(shù)(聲速、聲波幅度、衰減系數(shù)等)與圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)(動態(tài)彈模、密度、強(qiáng)度等)有關(guān)。若圍巖裂隙發(fā)育程度大、破裂度高，則波阻抗越大、實測聲速就越?。环粗?，若裂隙不發(fā)育、破裂度不高，則波阻抗越小、實測聲速也就越大[11]。因此，可以根據(jù)松動圈理論，利用超聲波測出在巷道周邊不同深度的聲波速度，并繪制出深度-聲波速度曲線圖，結(jié)合圍巖的具體情況，分析、判斷圍巖松動圈的厚度。

1.2 測試儀器

本次測試使用武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM—SY7超聲波自動循測儀主機(jī)和一發(fā)雙收探頭進(jìn)行單孔測試，并運用其RSM—SY7 采集程序和聲波測孔分析軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析。測試原理分別如圖1 所示。

計算聲波速度v 所使用的計算公式[11]為

式中：t1為聲波從發(fā)射探頭傳到接受探頭1 的所需時間；t2為聲波從發(fā)射探頭傳到接受探頭2 的所需時間；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。

1.3 測試步驟

(1) 選取要測試的巷道斷面并布置測點，然后在測試點處鉆孔。

圖1 聲波測試原理Fig.1 Principle of acoustic testing

(2) 將圓管狀聲波探頭置入鉆孔底部，給橡膠囊充氣堵口，孔內(nèi)注水以使探頭與孔壁有良好的聲耦合。

(3) 控制主機(jī)開始探測，觀測波形變化，波形穩(wěn)定后即可以進(jìn)行采樣、保存，然后把傳感器向外拉到下一個點的位置測試，直至孔口測試完畢。

2 測點布置

測試工作在金川二礦區(qū)內(nèi)完成，選擇斷面時，為了研究巷道開挖后不同時間段和返修前后的松動圈情況，選擇3 個斷面進(jìn)行研究。1 號斷面和2 號斷面分別位于已使用1 a 的為返修和已返修的850 分斜坡道上，3 號斷面位于剛開挖還未進(jìn)行支護(hù)的978 探礦道掌子面上。根據(jù)巷道施工情況，1 號與2 號斷面進(jìn)行全斷面測試，3 號斷面只進(jìn)行半個巷道斷面測量。巷道斷面測孔分布如圖2 所示。

圖2 巷道斷面測孔分布圖Fig.2 Measured holes in roadway sections

3 個斷面布置的測孔進(jìn)行單孔測量時每2 個測點之間的移距為0.2 m。使用聲波儀測量并收集、保存數(shù)據(jù)。待所有測孔的數(shù)據(jù)都收集完后，再用聲波測孔分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、人工判讀并得出結(jié)果。測試結(jié)束后整理得到的2 號斷面2-3 號測孔深度-孔深曲線如圖3 所示。

圖3 2 號斷面3 號測孔深度-孔深曲線圖Fig.3 Graph of depth-speed of sound in 2-3 hole of No. 2 roadway section

3 測試結(jié)果

在1 號斷面測孔進(jìn)行第1 期測量時，放入聲波探測儀后進(jìn)行注水糅合，大部分水順著破裂縫隙流走，即使封閉孔口，孔內(nèi)保水性依然較差。受此影響，在孔徑方向向上傾斜的孔內(nèi)測試數(shù)據(jù)時，接收端接收到的信號時有時無，有的測點甚至完全探測不到信號，而孔徑向下的1-1，1-2，1-3 號孔內(nèi)的測試則沒有受到影響。為了得出松動圈的厚度，進(jìn)行了第2 期測量，使用更強(qiáng)的水壓，并加強(qiáng)孔口的堵水，得出了其余大部分測孔的數(shù)據(jù)。2 次測試結(jié)束后，巷道周邊離測孔很遠(yuǎn)的地方有少量水滲出，其1 號巷道的2 期測試的數(shù)據(jù)整理如表1 所示。

在2 號斷面測孔進(jìn)行第1 期測量時，向上傾斜的2-6，2-7 與2-8 號測孔的數(shù)據(jù)測試出現(xiàn)和1 號斷面相同的情況，因此，在第2 期測量時對這幾個孔經(jīng)行重新的測量，得出大部分孔的松動圈厚度。但前后2 期在2-1 號測孔測量數(shù)據(jù)，往孔注水糅合時，孔內(nèi)面一直都沒有水，無法進(jìn)行松動圈測量工作，2 號巷道的2期測試數(shù)據(jù)整理如表2 所示。

在3 號斷面測孔進(jìn)行第1 期測量時，向上傾斜的3-4，3-5 和3-6 號孔封閉孔口并注水糅合后，接受探頭不能接收到信號，拿走橡膠囊，孔內(nèi)只有少量水流出。在第2 期測量時，即使使用更強(qiáng)的水壓以及加強(qiáng)孔口的堵水性，孔內(nèi)內(nèi)面依然不能保有水，無法進(jìn)行測量。前后2 期測量時可以明顯地看到巷道周邊的破裂縫中有水流出。在向下傾斜的3-1，3-2，3-3 號孔內(nèi)探測數(shù)據(jù)時，接收探頭接收到的信號比1 號和2 號斷面強(qiáng)烈。前后2 期測試得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計并分析后的結(jié)果如表3 所示。

1 號和2 號斷面測孔布置呈對稱分布，1-7 號孔的松動圈厚度由于施工原因無法測試，因此肩部的松動圈厚度以1-6 號孔中的為準(zhǔn)。2 號斷面巷道經(jīng)底板中央2-1 號測孔水流走速度快，推測巷道底板下面存在斷層，2-7 號孔的松動圈厚度由于施工原因無法測試，因此，肩部的松動圈厚度以2-6 號孔中的為準(zhǔn)。3 號斷面只有右邊巷道鉆孔測試，所以，巷道松動圈厚度以右邊為準(zhǔn)，巷道頂部和肩部巖石裂隙貫通，第2 期測量時，孔中水流走速度極快，其松動圈厚度大于孔深。分析得出3 個斷面的巷道松動圈厚度如圖4 所示。

表1 1 號巷道斷面松動圈厚度Table 1 Thicknesses of surrounding rock loose zone in No. 1 roadway section

表2 2 號巷道斷面松動圈厚度Table 2 Thicknesses of surrounding rock loose zone in No. 2 roadway section

表3 3 號巷道斷面松動圈厚度Table 3 Thicknesses of surrounding rock loose zone in No. 3 roadway section

圖4 3 個巷道斷面松動圈示意圖Fig.4 Surrounding rock loose zones in there roadway sections

4 分析與討論

使用聲波探測儀進(jìn)行測試時，1 號和2 號斷面測孔中測試到的信號穩(wěn)定性比3 號斷面測孔中測試到的信號穩(wěn)定性差，在相同發(fā)射頻率下，其接收探頭接收到的信號強(qiáng)度也相對較低，表明1 號和2 號斷面的圍巖裂隙多，破裂程度大。由表1～3 可知：1 號和2 號斷面的松動圈厚度比3 號斷面相同部位的松動圈厚度要大，表明巷道在掘進(jìn)后，松動圈的厚度會隨著時間的延長有所變大，最終趨于穩(wěn)定；2 號已返修斷面和3號未返修斷面相比，松動圈厚度平均減少0.28 m，表明巷道返修后，松動圈厚度并沒有很大程度地減小。因此，除地應(yīng)力和圍巖類型外，初次支護(hù)設(shè)計對于巷道松動圈厚度也有重要影響。

3 號巷道兩幫進(jìn)行松動圈測試時，雖然巷道壁上的破裂縫中有水流出，但從測試結(jié)果看，其巷道圍巖松動圈厚度小，圍巖破碎程度不大，但完整巖塊之間充滿裂縫，且裂縫未閉合，形成貫通裂隙，導(dǎo)致測孔中水流到巷道側(cè)壁。1 號巷道和2 號巷道側(cè)壁的圍巖破碎程度大，松動圈厚度大，測試時，巷道壁面水極少，表明圍巖已被壓實。經(jīng)分析可知，巷道在開挖初期，圍巖在高應(yīng)力作用下變得破裂，其自身起到了天然的卸壓作用，有效保護(hù)了巷道底板的穩(wěn)定，因此，巷道開挖初期底臌并不明顯。在巷道兩幫發(fā)生卸壓作用的同時，兩幫巖體發(fā)生破碎，體積變大，在支護(hù)后，兩幫圍巖在受到擠壓，逐步被壓實，壓緊后，應(yīng)力繼續(xù)向底板傳遞，當(dāng)巷道兩幫集中應(yīng)力超過底板巖體的極限承載力時，地板巖層發(fā)生剪切破壞，引發(fā)了巷道底臌[12]。

在第1 期的松動圈測試中，3 個斷面頂板和肩部的測孔封閉孔口后往孔內(nèi)注水時，絕大部分水順著圍巖裂縫流走，停止注水，拔出堵口橡膠囊，孔中流出的水也極少，即使在第2 期探測中，加大水壓，加強(qiáng)孔口的堵水性，所測試的信號強(qiáng)度和穩(wěn)定性也比巷道側(cè)壁和底角的測孔中所探測信號的差，說明巷道頂板和肩部的圍巖比巷道底板和地角的巖石更加破碎，裂隙也相對較多。分別對比圖6 中測出的3 個斷面的松動圈厚度可知：位于巷道頂板、肩部松動圈厚度比位于兩幫、底角的松動圈厚度要大。在金川巷道支護(hù)時，應(yīng)在頂板和底角使用長度大于2.5 m的錨桿進(jìn)行錨固，必要時可以使用錨索進(jìn)行加固支護(hù)。

對比表1～3 中的3 個巷道的底角處的松動圈厚度，剛開挖的1 號巷道底角松動圈厚度只有1.75 m，且現(xiàn)場觀測的巷道底鼓不明顯，已返修的2 號巷道底角松動圈厚度也小，平均只有1.825 m，其巷道底鼓也不明顯。然而，未返修的3 號巷道底角松動圈厚度大于2.45 m，厚度大且巷道底鼓明顯。表明巷道底角圍巖的完整、松動松動圈厚度較小時，能承受較大的承載力，變形和位移小，對底板的影響也??；當(dāng)巷道底角圍巖破碎、松動圈厚度較大時，其能承受的承載力有限。巷道開挖后，由于底角圍巖屬于應(yīng)力集中區(qū)，于是，在底角基角部位產(chǎn)生塑性滑移線[13]，巖石破碎，移動較大，其對巷道底臌也有較大的影響。

5 結(jié)論

(1) 使用聲測法測量巷道松動圈的厚度，當(dāng)以水作為糅合介質(zhì)時，可以結(jié)合孔中漏水速度判斷圍巖破碎程度，為巷道支護(hù)中錨桿長度的設(shè)計提供依據(jù)，并優(yōu)化巷道聯(lián)合支護(hù)方案。

(2) 巷道掘進(jìn)支護(hù)一段時間后，巷道松動圈厚度趨于穩(wěn)定，即使返修后，巷道松動圈厚度稍微減小，因此，合理的初次支護(hù)設(shè)計與施工對巷道松動圈厚度具有重要影響。

(3) 巷道底角和頂板的圍巖松動圈厚度大，兩幫的圍巖松動圈厚度小，加強(qiáng)對巷道頂板的支護(hù)，加固頂板的圍巖，提高其承載能力，能降低從頂板傳遞給巷道兩幫的應(yīng)力，使兩幫對底板巖體的集中力在其極限承載力內(nèi)，避免其發(fā)生剪切破壞；加強(qiáng)對底角的支護(hù)，加固底角圍巖，提高其承載力，減少其發(fā)生塑性滑移的概率。兩者都能有效地阻止巷道底鼓的發(fā)生。

(4) 巷道掘進(jìn)后，圍巖隨著時間的延長松動圈厚度會有所變大，破裂程度也會升高，在后期返修錨固結(jié)束后，應(yīng)該注漿加固圍巖，以提高錨固支護(hù)效果，縮短維修周期并減少巷道維修費用。

[1] 何滿潮, 謝和平, 彭蘇萍, 等. 深部開采巖體力學(xué)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(16)： 2803-2813.HE Manchao, XIE Heping, PENG Suping, et al. Study on mechanics in deep mining engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(16)： 2803-2813.

[2] 曹平, 張科, 萬琳輝, 等. 金川礦山深部采掘條件下巖石力學(xué)研究與實踐[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(7)： 1334-1341.CAO Ping, ZHANG Ke, WAN Linhui, et al. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(7)： 1334-1341.

[3] 孟慶彬, 門燕青, 楊以明, 等. 巷道圍巖松動圈支護(hù)理論及測試技術(shù)[J]. 中國礦山工程, 2010, 39(3)： 47-51.MENG Qingbin, MEN Yanqing, YANG Yiming, et al. Roadway surrounding rock loose zone supporting theory and testing technology[J]. China Mine Engineering, 2010, 39(3)： 47-52.

[4] 于學(xué)馥, 喬端. 軸變論和圍巖穩(wěn)定軸比三規(guī)律[J]. 有色金屬,1981, 33(3)： 8-14.YU Xuefu, QIAO Duan. Theory of axial variation and three rules of axial ratio for stabilizing country rock[J]. Nonferrous Metals, 1981, 33(3)： 8-14.

[5] 于學(xué)馥, 于加, 徐駿. 巖石力學(xué)新概念與開挖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1995： 66-197.YU Xuefu, YU Jia, XU Jun. New concept of rock mechanics and optimal design of excavated structures[M]. Beijing： Science Press, 1995： 66-197.

[6] 何滿潮, 景海河, 孫曉明. 軟巖工程力學(xué)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2002： 154-171.HE Manchao, JING Haihe, SUN Xiaoming. Soft rock engineering mechanics[M]. Beijing： Science Press, 2002：154-171.

[7] 董方庭, 宋宏偉, 郭志宏, 等. 巷道圍巖松動圈支護(hù)理論[J].煤炭學(xué)報, 1994, 19(1)： 21-32.DONG Fangting, SONG Hongwei, GUO Zhihong, et al.Roadway support theory based on broken rock zone[J]. Journal of China Coal Society, 1994, 19(1)： 21-32.

[8] 郭亮, 李俊才, 張志鋮, 等. 地質(zhì)雷達(dá)探測偏壓隧道圍巖松動圈的研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(1)： 3009-3015.GUO Liang, LI Jun cai, ZHANG Zhicheng, et al. Research on surrounding rock loose zone of tunnel under unsymmetrical loading with ground penetrating radar and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(1)： 3009-3015.

[9] 萬串串, 李夕兵, 馬春德. 基于圍巖松動圈現(xiàn)場測試的深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化[J]. 礦冶工程, 2012, 32(1)： 12-16.WAN Chuanchuan, LI Xibing, MA Chunde. Optimization of support technology for deep soft rock roadway based on field measurement of excavation damage zone[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2012, 32(1)： 12-16.

[10] 李偉利, 王磊, 常聚才. 基于HorK—Brown 準(zhǔn)則的圍巖松動圈計算及現(xiàn)場測試[J]. 煤炭工程, 2011(2)： 97-99.LI Weili, WANG Lei, CHANG Jucai. Calculation and site measurement of surrounding rock released zone base on Hoek—Brown criterion[J]. Coal Engineering, 2011(2)： 97-100.

[11] 楊素俊, 耿新枝, 穆春云, 等. 基于RSMSY5聲波儀的圍巖松動圈測試技術(shù)研究[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì), 2012(1)： 63-64.YANG Sujun, GEN Xinzhi, MU Chunyun, et al. Measurement and research of surrounding rock released zone by using the RSMSY5 Sonic instrument)[J]. Inner Mongolia Science Technology and Economy, 2012(1)： 63-64.

[12] 方新秋, 趙俊杰, 洪木銀. 深井破碎圍巖巷道變形機(jī)理及控制研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2012, 29(1)： 1-7.FANG Xinqiu, ZHAO Junjie, HONG Muyin. Failure mechanism and control measure of roadway deformation with fractured surrounding rock in deep mine[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2012, 29(1)： 1-7.

[13] 楊生彬, 何滿潮, 劉文濤, 等. 底角錨桿在深部軟巖巷道底臌控制中的機(jī)制及應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008,27(增1)： 2913-2920.YANG Shengbin, HE Manchao, LIU Wentao, et al. Mechanics and application research on the floor anchor to control the floor heave of deep soft rock roadway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(S1)： 2913-2920.