回采空間變化對(duì)無底柱分段崩落法進(jìn)路地壓的影響

胡寶文 李長洪，2 魏曉明

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

無底柱分段崩落法將礦體自上而下按照一定高度間距劃分多個(gè)分段進(jìn)行回采，同一分段巷道按相同定間距進(jìn)行布置，下一分段的巷道與上一分段巷道在深度方向上成菱形關(guān)系布置。各分段的鑿巖、崩礦和出礦等工作均在回采巷道中進(jìn)行，因此回采巷道—進(jìn)路在掘進(jìn)支護(hù)結(jié)束后，其頂板及兩幫的內(nèi)部應(yīng)力變化主要來自于回采空間的變化和爆破動(dòng)壓的作用［1-2］?；诖耍员睕澈予F礦為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的方法，研究回采空間變化對(duì)進(jìn)路頂板、拱腳及兩幫內(nèi)部巖體應(yīng)力的影響規(guī)律及影響機(jī)理，為此類礦山安全生產(chǎn)及合理支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 工程背景簡介

北洺河鐵礦屬接觸交代矽卡巖型鐵礦床，礦床埋藏于北銘河河床之下，被第四系黃土和河床卵石覆蓋。礦體主要賦存于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長玢巖的接觸帶處。礦區(qū)內(nèi)的主要控礦構(gòu)造為背斜褶皺(弧型背斜構(gòu)造)，其軸向由東西漸變?yōu)楸蔽飨?，褶皺發(fā)育在灰?guī)r中，軸部有一寬200 ～300 m 的裂隙發(fā)育帶，被閃長玢巖、磁鐵礦、矽卡巖及斷層角礫巖占據(jù)。由于褶皺和巖漿侵入，巖層產(chǎn)狀較亂、層間錯(cuò)動(dòng)劇裂，巖體破碎。

北洺河鐵礦采用無底柱分段崩落法進(jìn)行采礦作業(yè)，階段高120 m，分段高15 m。垂直分段運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷道每隔18 m 掘進(jìn)回采進(jìn)路，各分段自上而下進(jìn)行回采，回采礦石經(jīng)溜井下放到－230 m 水平運(yùn)輸巷道。炮孔布置方式為上向垂直扇形深孔，炮孔排間距為1.7 m。目前該礦的開采主要集中在－140 水平和－155 水平，－125 m 水平以上的礦體已基本開采完畢。隨著開采深度的不斷增大，井下采場地壓逐步顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為采場進(jìn)路圍巖變形嚴(yán)重，垮塌冒頂。地壓顯現(xiàn)位置主要集中在礦體中部與右翼端部斷層附近，對(duì)應(yīng)于－140 m 水平的3#采場區(qū)域、13#采場的端部區(qū)域、－155 m 水平2#采場區(qū)域，以及4#采場和11#采場區(qū)域。同時(shí)通過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在回采過程中，隨著回采工作面的推進(jìn)，某些進(jìn)路的頂板會(huì)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)垮塌冒頂，兩幫側(cè)鼓變形嚴(yán)重(圖1(a)、圖1(b))，對(duì)于圍巖條件不好的進(jìn)路，此類現(xiàn)象更為明顯。

圖1 采場進(jìn)路垮冒變形狀況Fig.1 Deformation and collapse state of roadways

2 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)手段與儀器

采用的監(jiān)測(cè)方式主要為徑向應(yīng)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器是由北京華測(cè)智創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的HC －1300振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)。該應(yīng)力計(jì)的工作原理是:當(dāng)鋼筋計(jì)受軸力時(shí)，彈性鋼弦的張拉變化會(huì)改變鋼弦的振動(dòng)頻率，據(jù)此通過采集到的鋼弦頻率值及相應(yīng)的公式換算出對(duì)應(yīng)的力值。為測(cè)量進(jìn)路圍巖不同深度的徑向受力，每個(gè)方向的測(cè)量使用3 個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，各應(yīng)力計(jì)通過螺紋鋼筋焊接起來，最終加工成一根測(cè)力錨桿(圖2(a)、圖2(b))。各鋼筋應(yīng)力計(jì)所處深度分別為1.5、2.5 、3.5 m。

圖2 測(cè)力錨桿的制作Fig.2 Manufacture of force anchor

2.2 儀器安裝與數(shù)據(jù)采集

振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)在加工成測(cè)力錨桿之后，用于測(cè)量頂板，拱腳和兩幫內(nèi)部巖體的徑向受力(圖3)。安裝方法采用砂漿錨桿作業(yè)，即先注漿后放錨桿。具體操作如下:選用P42.5 普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)體，選用清潔、堅(jiān)硬的中細(xì)砂，粒徑不宜大于2.5 mm，使用前過篩。根據(jù)《GB50086—2001 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，水泥與砂之比為(1∶ 1)～(1∶2)，水灰比宜為0.38 ～0.45。砂漿在攪拌過程中，可以放入適量的速凝劑，待攪拌均勻后開始注漿。注漿過程中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是要保證注漿的飽滿程度，首先要求注漿管插入距孔底5 ～10 cm，然后隨砂漿的注入而緩慢勻速拔出，最后迅速將錨桿推入孔內(nèi)并用沙袋封死孔口。注漿完成3 d 后，對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行應(yīng)力調(diào)零處理。

圖3 儀器安裝示意Fig.3 Schematic diagram of instrument installation

為探究回采空間變化對(duì)進(jìn)路頂板、拱腳及兩幫內(nèi)部巖體應(yīng)力的影響規(guī)律及影響機(jī)理，即回采工作面向監(jiān)測(cè)斷面的推進(jìn)對(duì)該監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)部巖體的應(yīng)力影響，需進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及分析。數(shù)據(jù)采集方式如下:當(dāng)監(jiān)測(cè)進(jìn)路進(jìn)行1 次爆破退采或相鄰進(jìn)路進(jìn)行1 次爆破退采，則下井進(jìn)行1 次數(shù)據(jù)測(cè)量，如若未開采則保持?jǐn)?shù)據(jù)采集周期至少為每3d 1 次。限于篇幅，本文僅列舉具有代表性的－140 m 水平3 －20 進(jìn)路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提取針對(duì)于該監(jiān)測(cè)進(jìn)路每次爆破回采的受力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3 結(jié)果分析

圖4 顯示的是3 －20 進(jìn)路頂板、左側(cè)拱腳、右側(cè)拱腳，左幫及右?guī)蛢?nèi)部不同深度處應(yīng)力計(jì)受力隨回采工作面向監(jiān)測(cè)斷面推進(jìn)的變化。

圖4 3 －20 進(jìn)路的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of drift 3 －20

由圖4 可看出，各監(jiān)測(cè)位置的應(yīng)力計(jì)所表現(xiàn)出的總體變化趨勢(shì)是基本一致的，即隨著回采工作面的推進(jìn)，應(yīng)力計(jì)的受力得到抬升，且整體表現(xiàn)為受拉。圖4(a)表明頂板處的錨桿受力較為均勻，3 個(gè)應(yīng)力計(jì)的力值變化幅度與趨勢(shì)基本保持一致。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面距離回采工作面大于25 m(15 排炮排間距)時(shí)，應(yīng)力計(jì)受力基本未發(fā)生變化，這說明該處頂板上方巖體未因開采擾動(dòng)而發(fā)生變形。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面距回采面25 ～15.3 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力計(jì)的受力開始發(fā)生輕微抬升，即此時(shí)的開采擾動(dòng)已引起頂板上方內(nèi)部巖體發(fā)生輕微變形，錨桿開始受力。當(dāng)回采工作面推進(jìn)到15.3 m范圍以內(nèi)，出現(xiàn)應(yīng)力拐點(diǎn)，應(yīng)力計(jì)的受力明顯抬升，即此時(shí)頂板上方的內(nèi)部巖體發(fā)生相對(duì)較大的變形或斷裂錯(cuò)位。直到最后1 炮排間距1.7 m 時(shí)，頂板上方的內(nèi)部巖體發(fā)生較大斷裂滑移和冒落，促使錨桿與巖體發(fā)生局部的滑移分離，發(fā)生卸壓現(xiàn)象。

圖4(b)～圖4(c)展示的是監(jiān)測(cè)斷面左側(cè)拱腳與右側(cè)拱腳，沿垂直于拱腳弧線方向的內(nèi)部應(yīng)力計(jì)受力變化趨勢(shì)。由圖4(b)可以看出左側(cè)拱腳1.5 m 處的應(yīng)力計(jì)在距回采面15.3 m 時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力拐點(diǎn)，應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)明顯受拉上升狀態(tài)。在距離回采面6.8 m 時(shí)(4 排炮排間距)，拉力達(dá)到峰值，然后開始緩慢卸壓，即此時(shí)由于巖體變形增大，在某些部位超過錨桿的拉拔強(qiáng)度，促使錨桿與巖體發(fā)生局部的滑移。左側(cè)拱腳2.5 m 處的應(yīng)力計(jì)，則在開始階段表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，但當(dāng)回采面推進(jìn)到15.3 m 范圍以內(nèi)，開始呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，并逐漸增大，在最后1 排炮排間距時(shí)達(dá)到峰值。3.5 m 深度處的應(yīng)力計(jì)受力變化趨勢(shì)與1.5 m 深度的應(yīng)力計(jì)變化趨勢(shì)基本一致，但后期測(cè)量數(shù)據(jù)超出量程，故不在此羅列。圖4(c)同樣表明右側(cè)拱腳2.5 m 處的應(yīng)力計(jì)的受力在距回采面15.3 m 附近開始呈現(xiàn)明顯抬升趨勢(shì)，而在還有2 排炮排間距時(shí)發(fā)生卸壓。1.5 m 深度處的應(yīng)力計(jì)受力值則在最后1 排炮排間距發(fā)生明顯抬升。3.5 m 處的應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，故未羅列。由兩側(cè)拱腳不同深度部位的應(yīng)力計(jì)的受力變化趨勢(shì)，可以看出巖體變形的非協(xié)調(diào)性以及非均質(zhì)性。巖體的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)在采動(dòng)因素作用下發(fā)生變化，導(dǎo)致有些部位發(fā)生較大的斷裂滑移，有些部位發(fā)生壓縮變形，有些部位發(fā)生拉伸變形，因此可以看到拱腳不同深度的應(yīng)力計(jì)在隨著采動(dòng)空間的變化會(huì)呈現(xiàn)不同量值，甚至受力方向不一致，同時(shí)兩側(cè)拱腳的變形受力呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài)。

圖4(d)～圖4(e)展示的是監(jiān)測(cè)斷面兩幫內(nèi)部不同深度應(yīng)力計(jì)的變化趨勢(shì)?？梢钥闯鰞蓭湾^桿的受力總體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨回采工作面的推進(jìn)，力值增大，以徑向受拉為主，但也呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài)。這是因?yàn)閮蓭蛢?nèi)部巖體受到豎向來壓作用會(huì)產(chǎn)生剪脹作用，由此導(dǎo)致巷道收斂變形和錨桿拉力增大。左幫1.5 m 處的應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，筆者認(rèn)為這是由于巖體非均質(zhì)性所造成，即1.5 m 范圍內(nèi)的巖體剛度相對(duì)于另外2 個(gè)深度范圍內(nèi)的巖體剛度較大時(shí)，剛度大的巖體拉伸變形小，剛度小的巖體拉伸變形大，最終導(dǎo)致1.5 m 處的應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)。

通過對(duì)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果以及其他進(jìn)路監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，可以將回采空間變化對(duì)巷道圍巖地壓的影響大致劃分為3 個(gè)階段:穩(wěn)定階段、承壓階段、卸壓階段。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面距回采工作面15 排炮排間距以外時(shí)，其巖體變形與應(yīng)力狀態(tài)不受開采擾動(dòng)的影響。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面距回采工作面5 ～15 排炮排間距范圍內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)面處的巖體處于承壓階段。該階段包含2 個(gè)承壓階段，開始受力階段與受力明顯抬升階段，當(dāng)回采面推進(jìn)到5 ～10 排炮排間距范圍內(nèi)，開始出現(xiàn)應(yīng)力拐點(diǎn)，應(yīng)力上升加快。當(dāng)回采工作面推進(jìn)到1 ～5 排炮排間距范圍內(nèi)，巖徑向受力處于來壓峰值階段，或處于來壓峰值與卸壓2 個(gè)階段，某些圍巖條件較好的進(jìn)路會(huì)在此范圍一直保持承壓狀態(tài)，不會(huì)卸壓，而圍巖條件相對(duì)較差的進(jìn)路會(huì)在此范圍內(nèi)經(jīng)歷一個(gè)應(yīng)力峰值后，進(jìn)行卸壓。最后通過監(jiān)測(cè)斷面的受力過程分析，可以依據(jù)對(duì)應(yīng)的階段將巷道圍巖劃分為穩(wěn)定區(qū)域，承壓區(qū)域與卸壓區(qū)域。

3 頂板損傷分析

由無底柱崩落法的特點(diǎn)可知，當(dāng)巷道端部完成切割拉底后，沿巷道方向的水平構(gòu)造應(yīng)力解除，頂板受力狀態(tài)由三維受力變?yōu)槎S受力狀態(tài)，這容易導(dǎo)致臨近爆破面附近的巖體易發(fā)生壓剪和拉伸破壞［2-3］。頂板上方除受到來自上方礦體的自重作用，同時(shí)還有上覆巖層的重力效應(yīng)，這二者的耦合作用對(duì)臨近爆破面附近的頂板圍巖形成應(yīng)力集中效應(yīng)，對(duì)頂板圍巖易造成較大的變形或斷裂，形成塌冒，同時(shí)兩幫也因壓剪作用產(chǎn)生碎脹變形而片幫。

在探討巷道圍巖損傷分析時(shí)，還需考慮采準(zhǔn)和回采爆破所形成的壓縮應(yīng)力波會(huì)對(duì)一定范圍內(nèi)的巖體造成沖擊損傷，同時(shí)壓縮應(yīng)力波會(huì)在巷道自由面上反射形成拉伸應(yīng)力波，對(duì)其巷道表面的混凝土及巖體造成拉伸破壞［4-7］。在爆破完成后，頂板上方的豎向來壓在爆破面附近達(dá)到峰值，作用在損傷的巖體之上，加劇了巖體的損傷程度，最終造成較大的變形或斷裂滑移。因此這一范圍內(nèi)豎向壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果和徑向受力監(jiān)測(cè)結(jié)果，往往會(huì)出現(xiàn)卸壓規(guī)律。

為分析頂板圍巖損傷情況，在回采工作面附近的頂板鉆取10 m 巖芯，然后依此間隔5 ～8 m，再取10 m 巖芯，每條進(jìn)路共取5 組巖芯。通過單獨(dú)統(tǒng)計(jì)每2 m 巖芯的RQD 系數(shù)值，再結(jié)合克里格法，繪制出沿進(jìn)路走向和頂板深度方向上的RQD 云圖。由圖5 可以看出距離爆破面5 m 以內(nèi)，頂板深度2 m 以內(nèi)，RQD系數(shù)值較低，這表明巖體的損傷度較高，完整性較差，內(nèi)部裂隙較多。圖6 展示的是臨近爆破面的部分取樣巖芯，可以看出2 m 范圍以內(nèi)的巖芯破碎嚴(yán)重。同時(shí)現(xiàn)場頂板處錨桿的受力數(shù)據(jù)也表明，一般在1 ～5排炮排間距范圍以內(nèi)，錨桿受力處于上升峰值階段，或峰后下滑階段。由此可以看出在此范圍內(nèi)的頂板穩(wěn)定性最差，風(fēng)險(xiǎn)性較高，特別是在圍巖條件較差的區(qū)域，較易發(fā)生冒頂。因此要在圍巖條件較差的區(qū)域，如斷層破碎帶，礦巖接觸帶，以及軟巖地帶等，進(jìn)行提前加強(qiáng)支護(hù)，防止來壓前造成大面積的垮塌事故。此外還可以減少分段用藥量或多設(shè)分段，削減沖擊損傷。最后基于巖體蠕變損傷效應(yīng)，還應(yīng)加快回采速度。

圖5 進(jìn)路頂板RQD 云圖Fig.5 RQD contour map of drift roof

圖6 臨近爆破面的取樣結(jié)果Fig.6 Sampling of rock core nearby blasting surface

4 結(jié) 論

(1)無底柱崩落法的巷道斷面的徑向受力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明巷道地壓隨退采空間的變化可大致分為3個(gè)區(qū)域:穩(wěn)定區(qū)、承壓區(qū)、卸壓區(qū)域。其中承壓區(qū)可以再次細(xì)分為2 個(gè)區(qū)域:開始受力區(qū)域，主要受力區(qū)域。主要受力區(qū)域在距回采工作面5 ～10 排炮排間距范圍內(nèi)，該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力拐點(diǎn)，即應(yīng)力上升加快。

(2)巷道斷面徑向受力，整體均表現(xiàn)為受拉傾向，但在起始受力階段，起拱線和兩幫處的某些局部位置會(huì)呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。隨著回采工作面的臨近，受壓狀態(tài)最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。這是由巖體的本身內(nèi)部的非均質(zhì)性及應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性所決定，同時(shí)也體現(xiàn)了錨桿作用機(jī)理的復(fù)雜性。

(3)一般在距1 ～5 排炮排間距范圍內(nèi)，巷道圍巖處接近來壓峰值階段，或處于來壓峰值與卸壓2 階段。在此范圍內(nèi)的頂板損傷程度較高，穩(wěn)定性較差，屬于施工危險(xiǎn)區(qū)域。因此對(duì)于圍巖條件較差和地壓本身顯現(xiàn)的區(qū)域，需要在采動(dòng)來壓前，加強(qiáng)支護(hù)，抵抗巖體變形。同時(shí)通過減少分段藥量或多設(shè)分段，削減沖擊損傷。最后加快這一區(qū)域的回采進(jìn)度，避免流變損傷。

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