冬瓜山銅礦深部出礦巷道圍巖破壞特征研究

姚道春，汪令輝

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031)

冬瓜山銅礦深部出礦巷道圍巖破壞特征研究

姚道春，汪令輝

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031)

基于冬瓜山銅礦深部出礦巷道圍巖穩(wěn)定性難以控制的難題，選取具有代表性的位置進(jìn)行出礦巷道斷面現(xiàn)場鉆孔測試。為確保測試數(shù)據(jù)直觀、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確度高，提出鉆孔巖芯法進(jìn)行出礦巷道圍巖破壞特征的研究。結(jié)合出礦巷道的工程地質(zhì)狀況、鉆孔深度及巖芯采用率，提出巖芯碎塊法、巖芯缺失法、巖芯長度小于3cm為破裂區(qū)3種方法進(jìn)行研究，同時(shí)提出“同一位置多斷面分析法”對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。研究結(jié)果顯示：深部出礦巷道圍巖以破裂區(qū)、完整區(qū)相間隔的方式排列，形成典型分區(qū)破裂特征，且靠近采場一側(cè)破碎情況嚴(yán)重；圍巖一般破裂成3或4個(gè)破裂區(qū)，且遠(yuǎn)離巷道的破裂區(qū)穩(wěn)定性有所提高。

出礦巷道； 深部； 鉆孔巖芯法； 破壞特征

1 前言

目前冬瓜山銅礦采深已達(dá)千米，深部出礦巷道圍巖處于“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境中[1～4]，隨著開采深度的繼續(xù)加深，采場圍巖、人工礦柱和巷道圍巖應(yīng)力變形加劇。尤其是深部出礦巷道圍巖的穩(wěn)定性難以控制，巷道冒頂、錨桿失效、噴層剝落等破壞現(xiàn)象嚴(yán)重影響了采礦作業(yè)，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。針對該問題，唐禮忠、王春等[5～9]進(jìn)行了高靜載頻繁動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下巖石力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)研究，為深部出礦巷道圍巖的支護(hù)提供了一定的理論依據(jù)，但未對巷道圍巖的實(shí)際破壞情況進(jìn)行測試，使基礎(chǔ)理論為工程實(shí)踐服務(wù)的論證不足。基于冬瓜山銅礦深部出礦巷道圍巖的實(shí)際情況，通過現(xiàn)場測試的方法研究圍巖的破壞規(guī)律，可提供基礎(chǔ)理論與實(shí)際工程實(shí)踐相符合的論據(jù)。

2 現(xiàn)場測試

2.1 測試背景

2.1.1 冬瓜山銅礦地質(zhì)特征

冬瓜山銅礦礦床受背斜控制，現(xiàn)有礦井已至地下1 000m，表現(xiàn)出高應(yīng)力特征以及巖爆傾向。礦山自投產(chǎn)至今已采掘回采了大量礦房和部分礦柱。這種交替開采、充填活動(dòng)使礦山應(yīng)力等狀況非常復(fù)雜，微震活動(dòng)加劇。冬瓜山礦區(qū)的深部開采出礦巷道是保證采場礦石回采出礦的關(guān)鍵通道，但是礦山投產(chǎn)以來，出礦巷道圍巖一直存在嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題。巷道圍巖的穩(wěn)定性受到采場礦石回采的明顯影響，在采場回采過程中巷道圍巖變形增大、破壞加劇，前期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，需要多次重復(fù)支護(hù)，不僅增加了支護(hù)費(fèi)用，而且嚴(yán)重影響礦床回采進(jìn)度和生產(chǎn)安全。

2.1.2 出礦巷道破壞情況

現(xiàn)場調(diào)查表明，采場底部出礦巷道出現(xiàn)兩幫鼓出、冒頂、錨桿失效、噴層剝落等破壞，支護(hù)錨桿存在拉斷、裸露未斷、未見錨桿等多種破壞情況，具體如圖1、圖2所示。當(dāng)蛇紋巖與矽卡巖的接觸帶位于巷道頂板而蛇紋巖層不厚時(shí)，蛇紋巖層極易與上部堅(jiān)硬的巖層發(fā)生大面積垮落，垮落形成的空間呈沿巷道走向的楔形，垮落后形成的上部臨空面相對平整。這些問題給礦山帶來重大的安全隱患，影響礦山安全生產(chǎn)。

圖1 巷道兩幫剪切體和頂板冒落情況

圖2 蛇紋巖層頂板冒落和出露的錨桿

2.1.3 出礦巷道支護(hù)情況

出礦巷道在未支護(hù)時(shí)，隨著采場的不斷開采，出現(xiàn)了大面積拱頂及兩幫的坍塌，進(jìn)行支護(hù)則能增強(qiáng)巖體的整體性與穩(wěn)定性，支護(hù)時(shí)出礦巷道在高靜應(yīng)力和開挖爆破等的擾動(dòng)作用下，仍出現(xiàn)了不同程度的頂板碎裂化、頂板冒落、兩幫垮塌、錨桿拉斷以及鋼筋網(wǎng)的開裂、剝落等破壞情況。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)巷道錨網(wǎng)支護(hù)后巷道圍巖發(fā)生明顯的破壞，在掛網(wǎng)內(nèi)巖體可見離層和碎裂化，圍巖向巷道空間內(nèi)凸出，掛網(wǎng)嚴(yán)重變形，巷道嚴(yán)重變形，不僅表現(xiàn)在巷道頂板，而且在巷道兩幫也同樣出現(xiàn)，具體如圖3所示。這都嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)，重復(fù)支護(hù)也帶來許多不必要的麻煩，造成經(jīng)濟(jì)損失，這就需要更加深入地開展未支護(hù)以及支護(hù)作用下出礦巷道圍巖穩(wěn)定情況的研究，因此需要對現(xiàn)場的圍巖情況進(jìn)行檢測。

圖3 圍巖離層和碎裂化

2.2 測試準(zhǔn)備

巷道圍巖測試主要是探明巷道圍巖的力學(xué)性態(tài)，即破壞和完好狀況，以監(jiān)測圍巖松動(dòng)圈為對象開展測試。目前應(yīng)用較多的巷道圍巖松動(dòng)圈測試方法有鉆孔聲波測試法、鉆孔攝像法以及觀測鉆孔巖芯描述法等[10～14]。為了測定冬瓜山銅礦井下出礦巷道圍巖破壞的情況，采用了應(yīng)力、應(yīng)變、超聲波、鉆孔巖芯法進(jìn)行測定，但由于條件及實(shí)際情況的限制，最后鉆孔巖芯法取得的結(jié)果較好，故測試數(shù)據(jù)以鉆孔巖芯法為依據(jù)。

(1)斷面測點(diǎn)布置。根據(jù)冬瓜山銅礦的實(shí)際開采情況，考慮巷道圍巖的非均勻變形特征和圍巖潛在的破壞模式，并結(jié)合以往現(xiàn)場的工作經(jīng)驗(yàn)，即施工過程出現(xiàn)巖石破裂或測試過程中出現(xiàn)某些孔不能用于監(jiān)測的現(xiàn)象，選取-790m中段46- 4#采場底部結(jié)構(gòu)的出礦巷道和-790m中段54- 17#采場的出礦巷道作為測試對象。每個(gè)測試斷面布置5個(gè)測孔，具體布置如圖4所示。其中C1、C5號為幫孔，C2、C4號為拐角處45°斜孔，C3號為與頂板成60°的孔，測孔深度4m，孔徑48mm。

圖4 測試斷面測孔布置示意圖

(2)巖芯取樣。為較準(zhǔn)確地確定松動(dòng)圈的范圍，設(shè)計(jì)對同一斷面的每個(gè)測孔進(jìn)行取芯。在巷道斷面上向圍巖打鉆孔的過程中利用鉆孔鉆具鉆取巖芯，為了能更好地確定巖芯及破裂裂隙的位置，要求較小的取芯進(jìn)尺，每次進(jìn)尺應(yīng)小于0.5m，并注意減少鉆孔過程巖芯的人為破壞。取出巖芯后需對其進(jìn)行必要描述和記錄，并整理裝箱。取巖芯時(shí)，按圖做好標(biāo)記，裝盒記錄，記錄每次鉆孔進(jìn)尺深度，且在裝盒時(shí)按鉆孔巖芯原位進(jìn)行放置。在搬運(yùn)時(shí)盡量做到不移動(dòng)各個(gè)巖芯的位置，使其能夠較準(zhǔn)確地確定巖體在圍巖中的破碎位置，用于判定松動(dòng)圈范圍。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 巖芯采取率與鉆孔深度

測試的斷面鉆孔巖芯數(shù)據(jù)較多，選取46- 4#采場C斷面進(jìn)行鉆孔巖芯數(shù)據(jù)的分析。通過研究巖芯采取率—鉆孔深度的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以作為探究鉆孔取巖芯的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，巖芯采取率越高，則鉆孔巖芯研究巖石圍巖破壞情況的結(jié)果越可靠，否則結(jié)果誤差越大。表1列出了46- 4#采場C斷面的巖芯采取率，表1中數(shù)據(jù)表明此次巖芯采取率可以反映圍巖的破壞情況。

表1 46- 4#采場C斷面巖芯采取率—鉆孔深度對照

3.2 圍巖破壞區(qū)的確定

借助鉆孔巖芯法研究冬瓜山銅礦井下采場出礦巷道圍巖的破壞情況，采用巖芯碎塊法、巖芯缺失法、巖芯長度小于3cm 3種方案進(jìn)行研究，為冬瓜山銅礦井下采場出礦巷道的支護(hù)提供可靠的理論依據(jù)。

(1)巖芯碎塊法。巖芯碎塊法的確定標(biāo)準(zhǔn)：認(rèn)為巖芯不成圓柱狀，以塊狀的形式存在。以碎塊段為破碎區(qū)，分析冬瓜山銅礦井下出礦巷道圍巖破壞區(qū)的分布情況，發(fā)現(xiàn)出礦巷道圍巖以分區(qū)破壞為主，完整巖體、破碎巖體間隔出現(xiàn)，且靠近采場一側(cè)破碎情況嚴(yán)重。以46- 4#采場C斷面圍巖破壞情況為例，詳見圖5。

圖5 46- 4#采場C斷面圍巖破壞區(qū)(巖芯碎塊法)

(2)巖芯缺失法。巖芯缺失的確定標(biāo)準(zhǔn)：認(rèn)為巖芯不存在或巖芯呈粉末狀的鉆孔段，即該部分鉆孔缺失巖芯。以巖芯缺失段為破碎區(qū)，分析冬瓜山銅礦井下出礦巷道圍巖破壞區(qū)的分布情況，發(fā)現(xiàn)出礦道圍巖以分區(qū)破壞為主，完整巖體、破碎巖體間隔出現(xiàn)。巷道破壞基本呈對稱現(xiàn)象，推測原因是采取巖芯時(shí)，缺失巖芯的位置不易控制，同時(shí)每塊巖樣之間都存在間隙，只是間隙的大小存在差異，但該方案分析的結(jié)果仍可作為出礦巷道圍巖破壞區(qū)研究參考。以46- 4#采場C斷面圍巖破壞情況為例，詳見圖6。

圖6 46- 4#采場C斷面圍巖破壞區(qū)(巖芯缺失法)

(3)巖芯長度<3cm法。將巖芯長度小于3cm的鉆孔段設(shè)為巖石破壞區(qū)，大于3cm的鉆孔段設(shè)為完整區(qū)，進(jìn)行冬瓜山銅礦井下出礦巷道圍巖破壞區(qū)分析。分析得出巷道圍巖以分區(qū)破壞為主，完整巖體、破碎巖體間隔出現(xiàn)?？拷蓤鲆粋?cè)破碎情況嚴(yán)重。以46- 4#采場C斷面的圍巖破壞情況為例，詳見圖7。

圖7 46- 4#采場C斷面圍巖破壞區(qū)(巖芯長度<3cm法)

(4)3種方案對比分析。以46- 4#采場C斷面為例，采用巖芯碎塊法、缺失法以及巖芯長度小于3cm這3種方案來研究巷道圍巖的破壞情況。①巖芯碎塊方案：破壞區(qū)寬度較小、靠近采場一側(cè)的破壞區(qū)較多，靠近礦體一側(cè)的破壞區(qū)較少，巖石破壞區(qū)和完整區(qū)交替出現(xiàn)?？梢暂^好地反映冬瓜山銅礦井下巷道圍巖破壞情況。②巖芯缺失方案：巷道破壞基本呈對稱現(xiàn)象，破壞區(qū)寬度非常小，基本以巷道軸線為對稱，但仍可反映分區(qū)破壞及靠近采場一側(cè)破壞嚴(yán)重的事實(shí)，該方案分析的結(jié)果也可用于出礦巷道圍巖破壞區(qū)的參考。③巖芯長度小于3cm的方案：該方案推側(cè)得出破壞區(qū)寬度較大、靠近采場一側(cè)的破壞區(qū)較多，靠近礦體一側(cè)的破壞區(qū)較少，巖石破壞區(qū)和完整區(qū)交替出現(xiàn)、靠近巷道處的破壞區(qū)寬度最大，遠(yuǎn)離巷道處的破壞區(qū)寬度較小?？梢暂^真實(shí)地反映冬瓜山銅礦井下巷道圍巖破壞情況。

上述3種方案都能一定程度反映冬瓜山銅礦巷道圍巖破壞的情況，但每種方案又存在不足之處，需將3種方案進(jìn)行結(jié)合以預(yù)測冬瓜山銅礦井下深部巷道圍巖的破壞情況。

4 圍巖破壞特征

針對冬瓜山銅礦深部出礦巷道采用“鉆孔巖芯法”研究巷道圍巖的破壞特征，通過在巷道具有代表性的位置，采用“同一位置多斷面”方法分析巷道圍巖破壞特征的一般規(guī)律，為出礦巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

“同一位置多斷面分析法”是根據(jù)圍巖破壞區(qū)確定標(biāo)準(zhǔn)繪制的分區(qū)破裂圖，測定每個(gè)鉆孔穿過的破裂區(qū)的外徑、內(nèi)徑、厚度(外徑、內(nèi)徑不包括巷道的半徑，是以巷道邊界為起點(diǎn)計(jì)算)；然后由巷道邊界開始，將破裂區(qū)編號為破裂區(qū)1、破裂區(qū)2、破裂區(qū)3……；接著將同一位置上、同一編號的破裂區(qū)放在一起，計(jì)算破裂區(qū)外徑、內(nèi)徑、厚度的平均值；然后根據(jù)計(jì)算的平均值推測巷道圍巖的分區(qū)情況。

采用“鉆孔巖芯法”分析總結(jié)冬瓜山礦區(qū)深部-790m中的46- 4#采場的出礦巷道的B、C、D、F、G 5個(gè)斷面及 -790m中段54- 17#采場的出礦巷道的布置A、B、C、D、E、F 6個(gè)斷面，共11個(gè)斷面的巷道圍巖的破壞情況，得出以下結(jié)論。

(1)巷道圍巖以破裂區(qū)、完整區(qū)相間隔的方式排列，形成典型分區(qū)破裂特征。

(2)破裂區(qū)的外徑、內(nèi)徑隨著分區(qū)數(shù)目呈直線趨勢增加，破裂區(qū)的厚度卻呈直線趨勢減小。

(3)推測出巷道圍巖破裂區(qū)的最大半徑為2.15～3.53m，嚴(yán)重破裂區(qū)的半徑為0.92～2.05m。

(4)巷道圍巖的破裂主要包括3個(gè)或4個(gè)破裂區(qū)，且遠(yuǎn)離巷道的破裂區(qū)穩(wěn)定性有所提高。

5 結(jié)論

(1)提出用鉆孔巖芯法研究冬瓜山銅礦井下出礦巷道圍巖破壞情況。

(2)采用巖芯碎塊法、巖芯缺失法、巖芯長度小于3cm 3種方案分析了巷道圍巖的破壞情況，得出圍巖以分區(qū)破壞為主，完整巖體、破碎巖體間隔出現(xiàn)，靠近采場一側(cè)破碎情況嚴(yán)重的結(jié)論。

(3)分析了冬瓜山銅礦出礦巷道圍巖的破壞特征，得出圍巖破裂區(qū)一般為3～4個(gè)，且最大半徑為2.15～3.53m，嚴(yán)重破裂區(qū)的半徑為0.92～2.05m的結(jié)論，為巷道圍巖支護(hù)提供了理論參考依據(jù)。

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Study on the surrounding rock failure characteristics of deep loading drift in Dongguashan Copper Mine

Because of the difficult to control the stability of surrounding rock of deep mine in Dongguashan Copper Mine, the representative location was selected to conduct a research about the destructive characteristic of drift surrounding rock. In order to ensure the test data visual, economic and accurate, the drilling core method was put forward to analyze the destructive characteristics of mine surrounding rock. According to the engineering geological conditions of mine roadway, drilling depth and core recovery rate, three methods were used in research, which were the methods of distinguishing fracture zone based on fragment in rock core, deletion in rock core and the core length less than 3cm. At the same time, more than one section in the same place method was used to process the data. The results showed that the arrangement mode was spaced arrangement by fracture zone and complete area in surrounding rock in deep roadway, and it showed the typical characteristics of zonal fracture and the surrounding rock near the stope broken seriously. Generally, the surrounding rock may rupture into three or four fracture areas, and the fracture area stability far from the roadway is higher.

loading drift; deep; drilling core method; failure characteristics

TD322

A

2017-02-26

姚道春(1969-)，男，安徽來安人，采礦高級工程師，主要從事礦業(yè)工程與巖石力學(xué)研究工作。

1672-609X(2017)03-0005-05