焦家金礦破碎巖體變形破壞規(guī)律研究

摘要：焦家金礦-570～630 m中段礦（巖）體節(jié)理裂隙發(fā)育，易出現(xiàn)楔形不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)生巖體冒落。對(duì)巖體進(jìn)行了地質(zhì)鉆孔、結(jié)構(gòu)面條件調(diào)查等得出，焦家金礦巖體較為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分布范圍廣。對(duì)開采擾動(dòng)下巷道收斂變形規(guī)律進(jìn)行研究與總結(jié)，并通過雷達(dá)測(cè)試分析焦家金礦巷道破壞深度，損傷深度基本保持在2 m，存在較多的結(jié)構(gòu)弱面，需及時(shí)采取加固措施。此研究對(duì)該處礦體的支護(hù)等做出合理規(guī)劃，進(jìn)一步指導(dǎo)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選取，以確保該礦段的安全生產(chǎn)。對(duì)類似礦山破碎礦體的治理?xiàng)l件有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：巖體變形破壞分析；巖體性質(zhì)；開采擾動(dòng)；破碎礦體；結(jié)構(gòu)面；雷達(dá)測(cè)試；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類號(hào)：TD32 文章編號(hào)：1001-1277（2024）07-0022-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240705

引 言

巖體結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體2個(gè)要素的組合特征。顯然，在礦山開采過程中，巖體結(jié)構(gòu)影響著礦山采礦方法的選擇和礦山開拓采準(zhǔn)工程的設(shè)計(jì)。礦體開采過程中爆破擾動(dòng)往往會(huì)誘發(fā)巷道圍巖及采場(chǎng)充填體嚴(yán)重破壞的問題［1-5］，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，基于收斂變形監(jiān)測(cè)、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和探地雷達(dá)技術(shù)［6-8］，可以獲得爆破擾動(dòng)引起的巷道變形規(guī)律。

受上盤斷裂蝕變帶的影響，山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。本文對(duì)焦家金礦重點(diǎn)巷道區(qū)域進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查，通過統(tǒng)計(jì)節(jié)理產(chǎn)狀分布規(guī)律和節(jié)理面間距信息，獲得焦家金礦上、下盤圍巖和礦體的節(jié)理信息；并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，選擇代表性區(qū)域，采用巷道圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)、探地雷達(dá)，構(gòu)建焦家金礦爆破擾動(dòng)下巷道圍巖變形破壞的多源測(cè)試系統(tǒng)［9-14］，為現(xiàn)場(chǎng)巷道防護(hù)工作提供參考。

1 焦家金礦破碎巖體結(jié)構(gòu)特征

焦家金礦巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在開采實(shí)踐中，極易出現(xiàn)楔形不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)生巖體冒落，特別是礦體上盤為焦家主斷裂，且傾角較緩，一經(jīng)揭露極易發(fā)生垮落。因此，開展巖體結(jié)構(gòu)特性調(diào)查，對(duì)于全面、準(zhǔn)確地掌握巖體性質(zhì)意義重大，可進(jìn)一步指導(dǎo)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選取。

1.1 地質(zhì)鉆孔R(shí)QD分析

為獲得焦家金礦破碎巖體的RQD指標(biāo)，分別在礦體內(nèi)部、上盤巖體及下盤巖體施工30 m左右的地質(zhì)鉆孔。對(duì)每個(gè)地質(zhì)鉆孔的RQD值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果如表1所示。根據(jù)每個(gè)地質(zhì)鉆孔所處區(qū)域的不同，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到下盤巖體的平均RQD值為31.67 %，礦體的平均RQD值為21.94 %，上盤巖體的平均RQD值為29.77 %，因6#鉆孔有一部分在礦體內(nèi)，所以上盤巖體的實(shí)際RQD值應(yīng)該小于29.77 %。

1.2 破碎巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查

針對(duì)焦家金礦試驗(yàn)采場(chǎng)的圍巖地質(zhì)條件及開采技術(shù)方法，開展破碎巖體結(jié)構(gòu)特征的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作。

采用CAE Mining公司研發(fā)的Sirovision非接觸節(jié)理信息采集儀對(duì)-390 m中段和-450 m中段圍巖暴露區(qū)域的節(jié)理信息進(jìn)行掃描，對(duì)從2D圖像獲取的圖像進(jìn)行3D合成，繪制巖體結(jié)構(gòu)面，統(tǒng)計(jì)巖體結(jié)構(gòu)信息，然后進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析。在進(jìn)行采場(chǎng)暴露面節(jié)理裂隙調(diào)查時(shí)，應(yīng)對(duì)主節(jié)理和隨機(jī)節(jié)理進(jìn)行區(qū)分，避免統(tǒng)計(jì)結(jié)果中隨機(jī)節(jié)理數(shù)量過多，影響最終優(yōu)勢(shì)節(jié)理面的確定。

1.3 破碎巖體結(jié)構(gòu)信息獲取

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查共獲得巖面圖像1 200幅，涵蓋上盤巖體、礦體、下盤巖體的不同區(qū)域。根據(jù)掃描結(jié)果建立掃描區(qū)域巖體表面的三維模型?；谒⒌娜S巖體表面模型，進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)信息的繪制，統(tǒng)計(jì)所繪制節(jié)理的傾向、傾角和跡線長度等參數(shù)，共獲得節(jié)理數(shù)據(jù)331條。

經(jīng)過分析，整體上焦家金礦巖體較為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分布范圍廣。從傾角上看，焦家金礦大部分巖體節(jié)理的傾角大于45°，屬于傾斜和急傾斜結(jié)構(gòu)面；從傾向上看，焦家金礦大部分巖體節(jié)理的傾向大于245°。在此基礎(chǔ)上，采用赤平投影的方法分別分析焦家金礦上盤巖體、礦體和下盤巖體節(jié)理的產(chǎn)狀關(guān)系，結(jié)果如圖1～3所示。

根據(jù)國內(nèi)外對(duì)于結(jié)構(gòu)面分組統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的研究結(jié)果，只有結(jié)構(gòu)面樣本達(dá)到一定數(shù)量，才能保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精度，如果樣本數(shù)量較少，則難以有效反映其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，建立的概率模型可能與實(shí)際差別較大。ISRM建議統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量應(yīng)為80～300，一般情況下可取150。此次針對(duì)焦家金礦破碎巖體結(jié)構(gòu)特征調(diào)查共獲得節(jié)理數(shù)據(jù)331條，滿足統(tǒng)計(jì)精度要求，因此基于此樣本進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析準(zhǔn)確可靠。

2 開采擾動(dòng)下巷道收斂變形規(guī)律

針對(duì)焦家金礦破碎巖體條件及開采技術(shù)條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，選擇代表性區(qū)域采用巷道圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)、探地雷達(dá)捕捉巖體在開采擾動(dòng)下的圍巖變形、振動(dòng)和破壞信息，為支護(hù)和爆破參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 收斂變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與設(shè)置

圍巖變形測(cè)量常用設(shè)備有水準(zhǔn)儀、頂板離層儀、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)斜儀等。采場(chǎng)頂板離層監(jiān)測(cè)通過頂板上向鉆孔安裝離層儀，設(shè)置深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)，觀測(cè)頂板不同層位和高度的深部巖層變形量，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析頂板離層數(shù)值，進(jìn)而判定頂板穩(wěn)定性。

巷道收斂變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)巷道收斂變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用拉線式位移傳感器和角度傳感器，在初始相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離已知的情況下，測(cè)量各點(diǎn)相對(duì)位移研制而成。巷道收斂變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)部分組成。具體線路連接如圖4所示。

目前，巷道收斂變形監(jiān)測(cè)技術(shù)分為自動(dòng)跟蹤全站儀觀測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化近景攝影技術(shù)和點(diǎn)式直接測(cè)量技術(shù)3類。這類設(shè)備的代表為收斂尺、巴賽特收斂系統(tǒng)等，其中，收斂尺是目前巷道收斂變形監(jiān)測(cè)使用最廣泛的監(jiān)測(cè)方法。利用收斂尺測(cè)量巷道變形時(shí)，需在監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)處安裝固定座，常用的測(cè)點(diǎn)布置方式有3點(diǎn)式和5點(diǎn)式，每次測(cè)量時(shí)，需保持收斂尺張力恒定，并測(cè)量溫度進(jìn)行誤差補(bǔ)償，將測(cè)量數(shù)據(jù)按照公式進(jìn)行計(jì)算，獲得各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移。此外，通過圍巖松動(dòng)圈的測(cè)量也能間接反映出圍巖的變形情況。圍巖松動(dòng)圈的測(cè)量常常采用聲波測(cè)試手段。聲波測(cè)試技術(shù)是利用聲波在巖體內(nèi)傳播性能進(jìn)行的一種量測(cè)方法，也稱聲測(cè)法，或稱彈性波法，這種方法對(duì)于預(yù)測(cè)山體壓力的顯現(xiàn)、判斷地下空間巖體的完整性和破壞程度、進(jìn)行安全檢查是一種切實(shí)可行的方法。

2.2 巷道收斂變形分析

在采場(chǎng)回采過程中，各個(gè)收斂監(jiān)測(cè)斷面的圍巖位移呈臺(tái)階式增長，且巷道兩幫的收縮量遠(yuǎn)大于兩角的收縮量，大于頂板的下沉量。根據(jù)圍巖位移的變形監(jiān)測(cè)曲線可以將采場(chǎng)回采周期內(nèi)巷道圍巖變形分為開挖后圍巖的調(diào)整期、受到回采爆破振動(dòng)影響的爆破影響期及最后的穩(wěn)定期3個(gè)時(shí)期（如圖5所示）。

爆破是引起巷道圍巖變形的主導(dǎo)因素，且爆破的影響呈衰減趨勢(shì)，即首次爆破對(duì)巷道圍巖變形的影響最大，其次為第二次爆破，剩余4次爆破對(duì)巷道圍巖變形的影響較小，巷道圍巖基本保持穩(wěn)定。

3 巷道破壞深度分析

為研究焦家金礦巷道開挖圍巖損傷情況，分別對(duì)-630 m中段一分巷分段運(yùn)輸巷道和6條穿脈巷道進(jìn)行了探測(cè)。-630 m中段一分巷雷達(dá)測(cè)試布置情況如圖6所示。

依據(jù)巷道開挖對(duì)巷道圍巖造成擾動(dòng)損傷程度的不同，可將巷道圍巖分為損傷區(qū)、過渡區(qū)和無擾動(dòng)區(qū)3個(gè)區(qū)域，得到雷達(dá)測(cè)試結(jié)果如圖7～9所示。這些結(jié)果綜合考慮了巷道巖體巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體埋藏深度、爆破擾動(dòng)及其他工程因素。

由圖7可知：焦家金礦-630 m中段一分巷損傷深度明顯增大，為1.4～2.0 m。部分區(qū)域分布有較多的節(jié)理裂隙，深度最大可達(dá)6 m。同樣的現(xiàn)象在-630 m中段一分巷116勘探線連巷雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)中也可以觀察到（如圖8所示）。-630 m中段一分巷116勘探線連巷圍巖中節(jié)理裂隙面的分布，使得該處巷道損傷深度驟增，因此，應(yīng)對(duì)此區(qū)域加強(qiáng)觀測(cè)或支護(hù)，防止邊幫片落或塌方。-630 m中段一分巷100聯(lián)絡(luò)巷雖有少量節(jié)理裂隙面分布，但巷道圍巖損傷深度相對(duì)較穩(wěn)定，基本保持在2 m。

4 結(jié) 論

綜合-630 m中段一分巷雷達(dá)探測(cè)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）整體上看，巖體較為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀分布范圍廣。從傾角上看，焦家金礦大部分巖體節(jié)理的傾角大于45°，屬于傾斜和急傾斜結(jié)構(gòu)面。

2）-630 m中段一分巷巷道圍巖損傷深度較大，并且存在較多的結(jié)構(gòu)弱面，在后續(xù)的中深孔開采時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注劇烈的中深孔爆破擾動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)弱面處巷道變形的影響，必要時(shí)及時(shí)采取加固措施。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］薛錦春，李夕兵，劉志祥.基于混沌理論的礦山邊坡巖體變形規(guī)律與安全預(yù)警系統(tǒng)［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，44（6）：2 476-2 481.

［2］李光，馬鳳山，郭捷，等.金川二礦區(qū)地應(yīng)力特征及其對(duì)巷道變形破壞的影響研究［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2021，29（6）：817-825.

［3］高永春，王從雨，范文亮，等.凌源日興金礦巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查及特征分析［J］.黃金，2020，41（4）：42-45.

［4］席寶順，高銀貴，楊斌，等.西部山區(qū)某礦開采擾動(dòng)下地形變化特征及致災(zāi)點(diǎn)分析［J］.金屬礦山，2021（7）：172-178.

［5］范順剛，姜永恒，趙橋波，等.鎮(zhèn)沅金礦松軟破碎巖體巷道穩(wěn)定性分析及支護(hù)技術(shù)［J］.黃金，2021，42（2）：41-47.

［6］崔魏，崔峰，潘夏輝，等.近斷層深埋巷道掘進(jìn)變形破壞規(guī)律［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，41（4）：21-29.

［7］陸曉東，榮鵬，左宇軍，等.開采擾動(dòng)下底板巷道應(yīng)力演化規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2022，42（11）：102-106.

［8］姜闊勝，李良和，韓劉幫，等.基于激光雷達(dá)技術(shù)的礦井巷道變形在線監(jiān)測(cè)［J］.北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，35（5）：1-4.

［9］褚吉祥，于慶磊，曹永勝，等.安徽太平礦業(yè)有限公司井下巷道矽卡巖體力學(xué)參數(shù)反演［J］.黃金，2022，43（8）：37-40.

［10］趙晨陽，雷明鋒，賈朝軍，等.含軟弱結(jié)構(gòu)面巖體蠕變力學(xué)模型［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，52（10）：3 541-3 549.

［11］PENG K，LIU Z M，ZHANG Y L，et al.Determination of isolation layer thickness for undersea mine based on differential cubature solution to irregular Mindlin plate［J］.Journal of Central South University，2017，24（3）：708-719.

［12］PENG K，YIN X Y，YIN G Z，et al.Galerkin solution of Winkler foundation-based irregular Kirchhoff plate model and its application in crown pillar optimization［J］.Journal of Central South University，2016，23（5）：1 253-1 263.

［13］彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（8）：2 417-2 421.

［14］彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.海底下框架式分層充填法開采中礦巖穩(wěn)定性分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（1）：3 452-3 458.

Study on the deformation and failure patterns of fractured rock mass in Jiaojia Gold Mine

Liu Junxiao

Abstract：The ore （rock） bodies between the -570 m and -630 m levels in Jiaojia Gold Mine are characterized by well-developed joints and fissures，prone to forming wedge-shaped unstable structures，leading to rock mass collapse.Geological drilling and structural surface condition surveys indicate that the rock mass in Jiaojia Gold Mine is relatively fractured，with well-developed joints and a wide range of joint occurrence distributions.This study investigates and summarizes the convergence deformation patterns of roadways under mining disturbances.Radar testing and analysis reveal that the damage depth of the roadways in Jiaojia Gold Mine generally remains at about 2 m，with many weak structural surfaces present，necessitating timely reinforcement measures.This research provides a rational plan for the support" of the ore body and guides the reasonable selection of stope structural parameters to ensure safe production in this mining section.It offers valuable insights for managing fractured rock mass in similar mines.

Keywords：rock mass deformation and failure analysis;rock mass properties;mining disturbance;fractured ore body;structural plane;radar" testing;stope structure parameter

收稿日期：2024-01-12； 修回日期：2024-03-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51974043）

作者簡介：劉軍曉（1979—），男，工程師，從事采礦工程技術(shù)研究工作；E-mail：liujunxiao@sd-gold.com