崩落法采場中深孔拉槽爆破對相鄰充填法采場穩(wěn)定性影響研究

雷國榮，郭輝文，尹幸樂，譚寶會

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

1 工程概述

某鎳礦山一直采用下向進路式充填法開采，生產(chǎn)成本較高，加上鎳價下跌，對礦山生產(chǎn)成本提出了巨大的挑戰(zhàn)。為降低成本，礦山擬將充填法采礦轉為無底柱崩落法采礦，并決定先在1 595 m水平8行以東進行崩落法采礦工業(yè)試驗，而8行以西的1 610 m水平及其下部1 474 m水平仍然采用充填法采礦。礦山采場分布情況及采礦現(xiàn)狀如圖1所示。目前1 595 m水平崩落法試驗采場已完成全部的采切工程，并定于2019年5月28日在5～6號進路上盤部位進行首次中深孔無井拉槽爆破，爆破藥量為2 300 kg約為充填采場進路正?；夭蓡未螠\孔爆破藥量的50倍。強大的爆破沖擊振動作用可能會對相鄰充填采場(1 610 m及1 474 m)產(chǎn)生振動破壞，同時，崩落法采場礦巖體爆破垮落后會導致周圍巖體應力重新分布，也可能會對相鄰充填采場的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1-5]。通常來說，可以通過進路的變形量與壓力變化情況來反映采場的穩(wěn)定性，進路未發(fā)生變形或者變形量很小、壓力沒有明顯變化或者變化量很小，則說明采場處于穩(wěn)定性狀態(tài)[6-8]，同時可通過爆破振動速度的監(jiān)測來分析中深孔拉槽爆破是否會對相鄰充填采場產(chǎn)生振動危害。為分析1 595 m水平首次中深孔拉槽爆破對相鄰充填采場的穩(wěn)定性影響作用，采用鉆孔壓力監(jiān)測、巷道變形收斂監(jiān)測以及采場爆破振動監(jiān)測相結合的方法對采場穩(wěn)定性進行了監(jiān)測，以確保后續(xù)充填采場采礦作業(yè)的安全性。

圖1 礦山采場分布情況及采礦現(xiàn)狀

2 監(jiān)測設備及方案

2.1 采場壓力監(jiān)測及變形監(jiān)測

1)設備選型及監(jiān)測原理

本次充填采場鉆孔壓力監(jiān)測及變形監(jiān)測所選用的設備分別為山東威海晶合數(shù)字礦山技術公司生產(chǎn)的GH-YLJ型鉆孔軸向壓力計和Gh-TCS-13-M型巷道收斂儀，相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測設備，這兩套設備的優(yōu)點是可實現(xiàn)自動監(jiān)測，節(jié)省了大量的時間和勞動強度。鉆孔壓力監(jiān)測原理是在進路邊壁鉆孔后，在其內(nèi)部內(nèi)安放一根錨桿，錨桿孔底部位利用膨脹錨片錨固(或錨固劑錨固)，錨固后在孔口安裝鉆孔壓力計，通過緊固螺母施加預緊力，使錨桿和壓力計處于受力狀態(tài)，當孔底錨桿錨固部分的巖體變形時，錨桿軸向的壓力發(fā)生變化，孔口預緊的壓力計便可監(jiān)測到變化后的壓力值，當進路巖體變形即將失穩(wěn)時，監(jiān)測的鉆孔壓力值曲線會陡然上升，從而進行采場地壓監(jiān)測及判斷采場穩(wěn)定性。鉆孔壓力監(jiān)測設備結構如圖2(a)所示。采場變形監(jiān)測是利用巷道收斂儀自動對進路的變形情況進行監(jiān)測，該收斂儀主要由2根可伸縮拉線桿和傳感器等部件組成，傳感器與螺紋輪轂由拉線桿內(nèi)的不銹鋼絲連接，巷道收斂儀結構如圖2(b)所示，其監(jiān)測原理是將巷道收斂儀傳感器和拉線桿端部固定在進路斷面上，當固定的傳感器及拉線桿端部隨進路變形而移動時，拉線桿發(fā)生伸縮，其伸縮變形量(伸為正值，縮為負值)的值由不銹鋼絲作為位移媒介傳遞給傳感器，如此，每根拉線進路進行變形監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測設備

2)測點布置及設備安裝

圖1中展示了采場地壓及變形收斂監(jiān)測點所在的行線位置，具體來說，1 610 m充填采場的測點布置于9行穿脈分層道中(穿脈口向內(nèi)22 m處)；1 474 m充填采場測點布置于11行穿脈分層道(穿脈入口處)。

鉆孔壓力監(jiān)測設備安裝流程為：在回采進路斷面上部左右腰線的中心垂直壁面打鉆孔(深1 600 mm，直徑40 mm)，鉆孔填入錨固劑后將錨桿(直徑38 mm)插至孔底，待孔底部位錨桿錨固后安裝墊板和鉆孔壓力計，通過緊固螺母施加壓5～20 kN預緊力的，使錨桿和壓力計處于受力狀態(tài)。變形監(jiān)測設備安裝流程為：在安裝鉆孔壓力監(jiān)測設備的斷面上打5個φ=8 mm的孔(孔分別位于六邊形平直進路頂板中央、頂板左右邊界的中心點、六邊形巷道上部左右腰線的中心)，鉆孔用來固定巷道收斂儀及拉線端部，用膨脹螺栓將巷道收斂儀及其拉線端部固定。鉆孔壓力計和巷道收斂安裝好后通過專用通訊電纜接到同一臺固定在進路右部數(shù)據(jù)采集儀，監(jiān)測的壓力值和變形值由數(shù)據(jù)采集儀采集，用36 V的交流電對采集儀供電，采集儀每30 min采集一次數(shù)據(jù)。為了便于區(qū)分各傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，對斷面上的2個壓力計和4根拉線桿進行了編號見圖3(a)，圖3(b)為現(xiàn)場安裝情況。

圖3 鉆孔壓力及變形監(jiān)測設備安裝

2.2 爆破振動監(jiān)測方案

1)設備選擇

由于爆破振動監(jiān)測受現(xiàn)場各方面的因素影響，井下爆破振動安全性的判斷依據(jù)，主要以采場巖體中的爆破振動速度為主[9-10]。因此爆破振動監(jiān)測采用爆破振速監(jiān)測系統(tǒng)設備，爆破振速監(jiān)測系統(tǒng)由Blast-NET型爆破振動記錄儀、TT-3A型三向速度傳感器和計算機組成。設備見圖4。

圖4 爆破振動監(jiān)測設備

2)測點布置

一般認為充填體的物理力學性質低于礦巖，所以對充填采場充填體的監(jiān)測更具有參考性。1 610 m水平充填采場爆破振動監(jiān)測測點布置在9行的38號進路充填體頂板中心，距離回采進路工作面15 m處開始每間隔5 m布置一個振動速度監(jiān)測點，共5個點；1 474 m水平充填采場布置在11行的56號進路充填體頂板中心，距離回采進路工作面10 m處開始每間隔5 m布置一個振動速度監(jiān)測點，共5個點。每個監(jiān)測點處打鉆孔固定一個三向速度傳感器，三向傳感器X、Y及Z方向分別對應進路斷面徑向、軸向及垂向，采場爆破時由三向速度傳感器監(jiān)測測點處充填體頂板三個方向的振動速度信號，信號由專用電纜傳遞給爆破振測儀。爆破振動速度監(jiān)測點位置如圖5所示。

圖5 爆破振動速度監(jiān)測點位置

3 監(jiān)測結果分析

3.1 鉆孔壓力及變形監(jiān)測結果分析

由圖6鉆孔壓力監(jiān)測及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)演化曲線知：1 595 m水平崩落法采場中深孔拉槽爆破后1 610 m水平及1 474 m水平充填采場測點處1#、2#鉆孔壓力計監(jiān)測到的壓力值未發(fā)生顯著波動，鉆孔壓力值只出現(xiàn)小幅度波動，屬正常范圍；監(jiān)測到的巷道收斂儀各拉線桿的伸縮變形量均為0 m，客觀反應出充填采場進路未發(fā)生明顯變形收斂。鉆孔壓力監(jiān)測及變形監(jiān)測結果表明崩落法采場首次中深孔拉槽爆破后周邊相鄰的2個充填采場地壓未發(fā)生變化。

3.2 爆破振動監(jiān)測結果分析

充填體(凝期7 d以上)爆破振動速度最小安全允許標準值一般比地面混凝土(凝期7 d以上)建筑物的大，參照《爆破安全規(guī)程》[11]規(guī)定的地面混凝土建筑物爆破振動速度最小安全允許標準值7～12 cm/s。2個充填采場布置測點的進路工作面正常采礦淺孔爆破監(jiān)測結果、崩落法中深孔拉槽爆破監(jiān)測結果及參照所取的最小安全允許值見表1。由表1可知，2個充填采場在崩落法采場中深孔拉槽爆破時監(jiān)測到的各方向最大振動速度均遠小于2個充填采場自身進路正常淺孔爆破采礦的值及最小安全允許值，所以崩落法采場中深孔爆破的爆破振動對周邊相鄰充填采場是安全的，不會產(chǎn)生爆破沖擊振動危害。

圖6 鉆孔壓力及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)演化曲線

表1 爆破振動監(jiān)測結果

4 結論

該鎳礦1 595 m水平崩落法采場中深孔爆拉槽爆破期間，采用壓力監(jiān)測、變形監(jiān)測及爆破振動監(jiān)測對相鄰的1 610 m水平及1 474 m水平充填采場穩(wěn)定性進行監(jiān)測，分析監(jiān)測結果得出以下結論：

1)崩落法采場中深孔爆破后2個相鄰充填采場鉆孔壓力值未出現(xiàn)顯著波動，只出現(xiàn)正常的小幅波動；充填采場進路未發(fā)生明顯變形收斂。崩落法中深孔爆破未引起相鄰充填采場地壓變化，說明崩落法中深孔爆破未對相鄰充填采場穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2)2個相鄰充填采場在崩落法采場中深孔拉槽爆破的振動速度均小于充填法采場自身正常淺孔爆破采礦的值，也小于相關的安全允許值，崩落法采場首次中深孔拉槽爆破不會對相鄰充填采場產(chǎn)生爆破振動危害。

3)礦山采場穩(wěn)定監(jiān)測是一個長期和短期相結合的過程，為保障井下安全生產(chǎn)，掌握采場的穩(wěn)定性，后續(xù)將繼續(xù)對該礦山采場穩(wěn)定性進行監(jiān)測。