弓長嶺井下礦巷道圍巖爆破損傷控制研究

胡世超, 宮國慧, 馬 東, 李宗武, 傅利民, 韓雪嬌, 李 冬

(鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司, 遼寧 遼陽 111008)

1 前言

在地下礦山施工中,巷道爆破掘進(jìn)作業(yè)過程勢必會引起圍巖的損傷,對巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。前人的大量研究成果和工程試驗表明,爆破還會導(dǎo)致圍巖的累計損傷,從而降低圍巖承載能力,進(jìn)而影響巷道施工安全[1]。

聲波測試法是一種無損測試的方法,被廣泛應(yīng)用于巖體工程測試勘察中,應(yīng)用效果良好,也解決了很多實際問題,不僅操作步驟簡單,而且可以快速得到測試結(jié)果,且測試結(jié)果精度易于控制和提高,具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景,對工程巖體的勘測設(shè)計和施工,具有十分重要的意義。 有專家學(xué)者[2]對不同爆破條件下爆破前后聲波測試速度進(jìn)行了對比分析。 Yongfeng 等[3-4]利用超聲波檢測對豎井巖體爆破損傷區(qū)域進(jìn)行了測試,并將其納入收斂約束法(CCM)和三維數(shù)值分析中。 單仁亮等[5]研究了噴射混凝土累積損傷與工作面距離的非線性關(guān)系。

隨著先進(jìn)的現(xiàn)場測試方法和測試系統(tǒng)的出現(xiàn),尤其是聲波測試系統(tǒng)的出現(xiàn),以及實際工程中研究需求的增多,學(xué)者們越來越多地通過現(xiàn)場測試的手段來研究爆破動載作用下巖土材料的損傷效應(yīng)。 顏峰、姜福興等[6]利用聲波測試技術(shù),通過現(xiàn)場爆破實驗,研究了爆破荷載作用下露天礦圍巖的損傷效應(yīng);費(fèi)鴻祿等[7]結(jié)合聲波測試和數(shù)值模擬的手段,對回采巷道圍巖在爆破掘進(jìn)過程中的累積損傷效應(yīng)進(jìn)行了研究;孟凡兵等[8]在理論計算的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場聲波測試的結(jié)果,研究了巷道中夾巖在爆破荷載作用下的累積損傷效應(yīng)。

鉆爆法仍然是地下礦山掘進(jìn)的主要方法,不僅廣泛適用于各種工況,而且施工成本較低,具有很多優(yōu)點(diǎn)。 然而,施工過程中,爆破載荷作用下會對地下礦山圍巖產(chǎn)生損傷效應(yīng)。 特別是周邊孔,與巷道圍巖直接接觸,將直接影響到巷道圍巖的損傷情況[9-12]。

由于在礦石開采過程中,中深孔爆破時由于單次爆破炸藥量大,尤其針對過破碎帶礦體,爆破對回采巷道幫、頂板造成一定損傷,易出現(xiàn)頂板冒落、片幫等現(xiàn)象,影響采場安全穩(wěn)定開采。 本文采用聲波測試法,通過對普通藥包及切縫藥包爆破震動進(jìn)行超聲波測試,測試不同藥包結(jié)構(gòu)爆破震動對圍巖的損傷效應(yīng),進(jìn)而尋找巷道掘進(jìn)爆破中減振措施,降低爆破震動產(chǎn)生的不利影響。

2 試驗方法和試驗原理

鞍鋼集團(tuán)弓長嶺井下金屬礦試驗段,巷道掘進(jìn)每個循環(huán)進(jìn)尺2.0 ～2.2 m,為獲得爆破對圍巖的損傷情況,在巷道內(nèi)掘進(jìn)面附近圍巖側(cè)壁鉆孔,測試孔平行于巷道橫斷面,用于平行聲波測試,編號孔1、孔2、孔3。 根據(jù)現(xiàn)場實際工程地址條件、施工條件及聲波測試需求,設(shè)置聲波測試鉆孔間距為50 ～60 cm?？? 直徑為42 mm,與掘進(jìn)面的水平距離約50 cm,與水平方向的夾角約為10° ～20°。 孔1 與孔2 之間的剖面編號1 ～2,孔2 與孔3 之間的剖面編號2 ～3,測試點(diǎn)及測孔布置,測孔示意圖如圖1所示。

圖1 測試孔平面示意圖

進(jìn)行聲波測試前,首先將儀器按順序連接,同時,更改探頭提升方式為手動提升。 準(zhǔn)備好測試儀器后,開始向測試孔注水,然后將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭緩慢插入到測試孔中,到達(dá)孔底位置,由孔底開始進(jìn)行聲波測試并對聲波速度進(jìn)行采集。 采集結(jié)果中,需要始終保持探頭相互平行,提升步距約為7 cm,過程中需要及時補(bǔ)充注水,測試結(jié)束后將儀器收好,清理裝箱。

1)測試原理

所謂聲波測試就是依據(jù)聲波在不同圍巖中不同的傳播特性來計算介質(zhì)的聲波速度。 也就是說,聲波測試儀向介質(zhì)中發(fā)射出高頻率彈性脈沖波,脈沖波經(jīng)水介質(zhì)后到達(dá)圍巖中,由聲波測試儀最初形成的球面聲波開始,在聲波發(fā)生到接受位置之間,形成一個復(fù)雜的聲波場,當(dāng)聲波經(jīng)水介質(zhì)到達(dá)圍巖后,在圍巖的波阻抗界面,聲波將發(fā)生透射、反射,透射波經(jīng)巖石介質(zhì)后被接收探頭接收后能量明顯降低,根據(jù)波的頻率變化情況、波形畸變程度、到達(dá)時間及能量衰減特性等變化特征,就可以獲得測區(qū)內(nèi)圍巖聲速等參數(shù),圖2 所示為測試原理示意圖。

圖2 測試原理

通過聲波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動方向的關(guān)系,聲波可分為縱波、橫波、表面波等,由于空氣介質(zhì)、水介質(zhì)均不能承受剪應(yīng)力,所以空氣介質(zhì)、水介質(zhì)中只能傳播縱波,上述一發(fā)一收跨孔平行測量法測量的是縱波分量Cp。

聲波傳播過程受多種因素的影響,如巖體應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)面、巖性以及風(fēng)化程度。 一般情況下,聲波在堅硬致密巖體中傳播較快,聲速也越大;在較軟多裂隙巖體中傳播較慢,聲速也越小。 在相同巖性的情況下,結(jié)構(gòu)面對波速的影響較大,且相同圍巖下,含水率越高聲速也越大,因此,可采用聲波測試法分析圍巖穩(wěn)定性。

2)聲速的計算

采用跨孔一發(fā)一收平行法進(jìn)行聲波測試時,聲波速度Cp可按式(1)進(jìn)行計算:

式中:L—聲波穿透圍巖的實際距離,m;

t—聲波透過巖體的時間,s。

3)損傷的計算

可以根據(jù)聲波速度和損傷的關(guān)系計算中損傷變量D。

根據(jù)《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于爆破破壞和巖體質(zhì)量的描述:同部位的爆破后波速(Cp2)小于爆破前波速(Cp1),其變化率η為

式中,聲波變化率η<10%,影響或影響甚微;η>10%時,判斷為爆破破壞或巖體質(zhì)量差。

3 普通藥包和切縫藥包聲波測試

地下礦山開采中,巷道圍巖爆破掘進(jìn)會造成圍巖的損傷,尤其是循環(huán)爆破載荷會對圍巖造成累計損傷,導(dǎo)致圍巖聲速明顯降低。 本文基于超聲波測試方法,對爆破作用下圍巖的累計損傷展開了研究,對切縫藥包爆破及普通藥包爆破下圍巖爆破損傷情況進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析,并提出了降低圍巖損傷效應(yīng)的解決措施。 圖3 所示為現(xiàn)場監(jiān)測示意圖。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測孔圖

本次聲波測試采用新型R-SY5 智能聲波儀進(jìn)行測試,儀器精度處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。 新型R-SY5智能聲波儀能夠滿足不同形式的調(diào)平及出發(fā)需求,采用雙通道的模式,采樣間隔為0.1 μs,12 位A/D轉(zhuǎn)換,12 位定點(diǎn)或浮點(diǎn)增益范圍1 ～10 000,頻率為60 kHz。

測試過程中,可以適當(dāng)放大增益或調(diào)節(jié)掃描寬度,從而更好的判別縱波,得到波形清晰、起跳干凈、方便辨認(rèn);當(dāng)縱波起跳點(diǎn)有高頻成分干擾時,可壓縮掃描寬度,然后以高頻包絡(luò)線的中線與基準(zhǔn)線的交點(diǎn)作為初至?xí)r刻;在波形起跳不夠明顯時,可嘗試移動探頭位置、添加注水、或改變耦合條件的辦法。

巷道圍巖聲波測試時,測試探頭步長為0.2 m,若出現(xiàn)波速較大的情況,可以適當(dāng)增大測試距離,并保證鉆孔內(nèi)部供水充足,以免造成測試波形異常,部分測試孔可能存在節(jié)理裂隙發(fā)育,導(dǎo)致注水流失,數(shù)據(jù)失效。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測方案得到了普通藥包封堵段、裝藥段,切縫藥包的封堵段、裝藥段不同深度的聲波速度測試值見表1、2、3、4。

表1 普通藥包封堵段聲波測試值

表2 普通藥包裝藥段聲波測試值

表3 切縫藥包封堵段聲波測試值

從表中可以得到,根據(jù)普通藥包封堵段聲波測試結(jié)果可知,本組實驗中聲波測試最高波速在第一次爆前,孔深2 m 的位置,最大峰值聲速為4 238 m/s。 聲波測試最低聲速在第一次爆后,孔深0.2 m 處,最小峰值聲速為3 842 m/s。 根據(jù)普通藥包裝藥段聲波測試結(jié)果可知,本組實驗中聲波測試最高波速在第一次爆前,孔深2 m 的位置,最大峰值聲速為4 238 m/s。聲波測試最低聲速在第二次爆后,孔深0.2 m 處得到最小峰值聲速為3 861 m/s。

根據(jù)切縫藥包封堵段聲波測試結(jié)果可知,本組實驗中聲波測試最高波速在第一次爆前,孔深2 m的位置,最大峰值聲速為4 295 m/s。 聲波測試最低聲速在第二次爆后,孔深0.2 m 處得到最小峰值聲速為3 882 m/s。 根據(jù)切縫藥包裝藥段聲波測試結(jié)果可知,本組實驗中聲波測試最高波速在第一次爆前,孔深2 m 的位置,最大峰值聲速為4 299 m/s。聲波測試最低聲速在第二次爆后,孔深0.2 m 處得到最小峰值聲速為3 876 m/s。

根據(jù)4 次測試結(jié)果可知,聲波測試速度隨孔深深度增加總體上呈上升的趨勢,距離孔口越近的位置聲波測試速度越小。 通過聲波測試的原理可以判定在孔深越深的位置圍巖的質(zhì)量越好,距離孔口越近,巖石較破碎且波速的離散型較大。

圍巖的聲波測試速度與其破碎程度存在相關(guān)性,破碎程度越大也即圍巖的松動情況越大,聲波測試速度波速越小,圍巖質(zhì)量越差。 聲波測試得到的結(jié)果是圍巖松動區(qū)范圍的一個近似值,可更好的了解爆破工程中擾動區(qū)范圍,進(jìn)而可以根據(jù)得到的結(jié)果調(diào)整爆破裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量,并且有利于在爆后及時支護(hù)圍巖破碎區(qū),為實際工程提供參考依據(jù)。

通過對普通藥包封堵段、普通藥包裝藥段,切縫藥包封堵段、切縫藥包裝藥段圍巖進(jìn)行了聲波測試,基于表1 至表4,得到不同孔深度的聲波變化規(guī)律曲線。

表4 切縫藥包裝藥段聲波測試值

從圖4 至圖7 可以直觀的看出,普通藥包堵塞段、裝藥段,切縫藥包堵塞段、裝藥段都隨著孔深增加聲速整體增加的趨勢,只有普通藥包第二次爆破后聲速出現(xiàn)較小的波動,總體趨勢大致相同。 普通藥包堵塞段小于裝藥段的聲波變化值,切縫藥包堵塞段小于裝藥段的聲波變化值,堵塞段的巖體損傷總體小于裝藥段。

圖4 普通藥包封堵段聲波速度變化規(guī)律

圖8 至圖11 所示為爆破損傷值線性擬合圖,通過線性擬合分析,可以非常直觀的對爆破損傷情況進(jìn)行定量化分析。 由圖8、圖9 可知,切縫藥包爆破在封堵段和裝藥段的損傷明顯小于普通藥包爆破產(chǎn)生的損傷,且爆破損傷值與孔深深度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖10、圖11 可知,藥包爆破在裝藥段產(chǎn)生的損傷明顯大于在封堵段產(chǎn)生的損傷,且爆破損傷值與孔深深度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 不同藥包封堵段爆破損傷值線性擬合圖

圖9 不同藥包裝藥段爆破損傷值線性擬合圖

圖10 普通藥包封堵段與裝藥段爆破損傷值線性擬合圖

圖11 切縫藥包封堵段與裝藥段爆破損傷值線性擬合圖

因此可以得到,聲速隨孔深呈正相關(guān)關(guān)系,孔深越深,得到的聲速值一般也越大,藥包堵塞段聲速一般小于裝藥段的聲速值,總而言之,孔口附近圍巖損傷最嚴(yán)重,孔深越深,損傷程度減小;裝藥段巖體損傷較非裝藥段巖體損傷嚴(yán)重,裝藥附近巖體損傷程度更高。

4 結(jié)論

(1)通過測得的數(shù)據(jù)可知,孔口附近圍巖聲速變化幅度大于孔底圍巖聲速變化幅度,由此可知,爆源附近和圍巖幫部臨空面附近圍巖損傷程度越高。

(2)普通藥包光面爆破時聲速的變化量大于切縫藥包爆破時孔口周邊聲速變化量,由此可知,切縫藥包爆破對圍巖的影響相對普通藥包小。

(3)基于試驗現(xiàn)場實驗結(jié)果可知,切縫藥包爆破后巷道斷面炮孔半眼痕率相對普通藥包有明顯提高,超欠挖現(xiàn)象降低,對圍巖的擾動和破壞明顯減少,輪廓平整度提高,周邊成型效果更好,圍巖穩(wěn)定性越高。

(4)通過對普通藥包及切縫藥包爆破震動進(jìn)行超聲波測試,根據(jù)測試結(jié)果得出切縫藥包爆破震動對圍巖的損傷效應(yīng)較小,切縫開挖爆破具有較好的減振措施。