软岩巷道监测设计与应用研究

赵尔丞

( 兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州730000)

矿山开采会遇到各种复杂的地质条件，其中的地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量的膨胀性黏土矿物的松、散、软、弱层。当巷道穿越此类软岩时，不但会增加巷道维护费用而且降低巷道稳定性。为了弄清巷道变形规律以及围岩应力变化特征，就必须建立监测系统，实现软岩区域巷道的适时监控。巷道监测在矿山中应用较为普遍，通过获取监测数据，从而为支护方案优化提供保障。刘泉声等［1］对淮南朱集矿轨道巷两帮进行了收敛、拱顶沉降、底臌和锚索拉力的现场监测，获得了该处巷道围岩变形和锚索拉力的变化趋势。路世豹等［2］通过对二矿区地下巷道的长期变形监测，提出二次支护与巷道破坏后的重新支护宜强不宜弱的论点与地压控制措施。刘锋珍等［3］针对一些新建矿井施工后，巷道变形严重，在变形数值模拟及施工巷道变形监测的基础上，制定相应的支护预案。王黎明等［4］探讨了将三维激光扫描技术应用于山东金岭铁矿巷道快速变形监测中，并提出了初步方案。肖海平等［5］将灰色系统理论模型预测结果与矿山变形监测结果对比，很好地预测出了矿山的变形趋势。高井祥等［6］研究了用全站仪进行矿区三维变形监测。曹野［7］建立了长期实时监测的金属矿山巷道围岩稳定性监测、诊断、预警体系。唐礼忠等［8］针对冬瓜山铜矿深部开采岩爆问题，建立了连续监测岩爆的微震监测系统。刘建坡等［9］结合红透山铜矿深部地压的特征，也建立了相应的微震监测系统，用于矿山深部开采安全预测。刘培正等［10］采用FLAC3D研究残留矿柱回采，并指导现场监测点的优化布置。

本研究设计了软岩区域巷道变形和应力监测的方案，某矿山页岩区域巷道的监测实践验证了方案的可行性，为页岩区域巷道支护工作提供了宝贵的资料。

1 监测系统建立

1.1 监测必要性及作用

考虑到围岩地质条件的复杂性，巷道开挖过程中采用的施工方法、施工顺序、支护措施、支护时机以及围岩自身性质等诸多因素，巷道的设计、施工和监测等环节对于巷道稳定性研究非常重要。当前，矿山巷道的施工普遍采用新奥法，新奥法通过工程类比对巷道支护结构及参数进行预设计，结合相应的监测工作对设计进行修改和完善，确保巷道施工的安全与可靠，监测工作对巷道施工的质量也起到了检验作用。结合监测结果，可以对稳定性较差区域及时采取加固措施，确保巷道的长期稳定。因此，巷道围岩的应力应变监测是确保软岩区域资源开发的保障。

1.2 监测内容及元器件

设计巷道支护方案、分析巷道稳定性时，要结合巷道所处地层原岩应力情况，确定合理的支护设计方式，以便巷道开挖支护后能充分发挥支护效果，在规定的周期内能保证巷道的稳定性。同时，分析巷道稳定性时，应充分了解巷道不同深度围岩应力情况，及时了解岩石应力变化。在巷道断面处布置监测断面和监测点安设钻孔安装压力计对巷道围岩不同深度岩石应力进行实时监测，在应力变化大时能及时做出预警。

监测内容包括围岩应力监测、以及变形监测。设计结合软岩变形破坏特征、施工方法和常用矿山地压手段，兼顾可靠、经济、简便的原则，其中软岩应力监测可以采用钻孔应力计，巷道围岩位移监测采用多点位移计。监测方案也需要考虑对巷道施工及运输的影响，选取典型的软岩区域布置监测断面，以距离最短为原则选择监测单元数据采集点位置。根据监测区域软岩地质条件，设计合适的监测系统方案，实时收集监测单元采集到的数据，用于巷道的稳定性分析。

考虑到软岩的特征，采用振弦式压力计，在土石坝、土堤、边坡、路基等工程中应用较为广泛，可以有效监测地质软岩内部的压应力变化，振弦式土压力计具有智能识别功能及监测功能。考虑到地质软岩裂隙发育，因此，容易受积水影响，因此，监测设备的防水型性能必须要好。JTM －V2000B 型压力计引出的电缆经过二次密封，因此，防水能力强，具有稳定可靠的监测效果，能够满足软岩区域复杂地质条件需要，主要技术参数如表1 所示。

表1 JTM－V2000B 压力计主要技术指标Table 1 The main technical specifications of manometer

当被测围岩应力变化时，压力计的感应板将产生变形，并传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的压应力值。在系统监测出仪器的频率、温度后，根据记录的仪器编号等相关参数，可按下式计算土压力值:

其中，P 为被测土压力值，MPa; K 为仪器标定系数，MPa/Hz2; fi为土压力计实时频率，Hz; f0为土压力计初始( 安装前) 频率，Hz; b 为土压力计的温度修正系数，MPa/℃; Ti为土压力计的实时温度，℃; T0为土压力计的初始温度，℃。

位移监测可采用多点位移计，它是一种监测深部岩体位移的有效手段，在岩体中钻孔后，在孔内不同深度埋设测点固定锚头。与锚头连接的测杆外用护管与灌浆水泥沙浆隔开，上部设位移读数装置来量测沿钻孔轴线上不同深度的测点位移变化。

巷道开挖后，围岩内部会发生弹塑性变形，通过埋设的多点位移计可以监测到不同深度的位移变化趋势。如果监测点靠近掌子面，还可以获取测点位移随开挖面推移的变化情况，多点位移计径向各点累计变形随时间增长的变化幅度存在差异，因此可以把围岩内部的变形分成若干区域，根据多点位移计埋设点径向距确定松动圈范围，判断围岩的稳定性。

同样考虑到软岩的特殊性，可选取VWM 型振弦式多点位移计。它适用于监测水工结构物或土坝、土堤、边坡、隧道等，获取围岩深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等值，还可同步测量监测点的温度。多点位移计的传感器为VWD 型振弦式位移计，由位移计加装配套附件而组成。其中的敏感测量元件与固定机架的材料线膨胀系数接近，经试验温度修正系数甚小，使用中不需要温度修正。

表2 部分多点位移计主要技术指标Table 2 Main technical specifications of part of multi-point displacement meters

当围岩变形时，通过多点位移计的锚头带动测杆，测杆再拉动拉杆产生位移变形，位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量。一般的计算公式为

其中，Lm为被测结构物的位移量，mm; K 为多点位移计的测量灵敏度，mm/F; ΔF 为多点位移计实时测量值相对于基准值的变化量，F; h 为测杆长度，mm; α为测杆的线膨胀系数，10－6/℃。ΔT 为温度实时测量值相对于基准值的变化量，℃; F 为多点位移计的实时测量值，F;F0为多点位移计的基准值，F。T 为温度的实时测量值，℃;

2 监测点布置

测点的监测数据反映了巷道断面典型区域内围岩的应力及变形规律。岩体应力、位移开挖过程中就开始显现，巷道表面应力释放，由初始三维应力状态变为二维应力状态。支护和围岩的共同作用对围岩的应力、位移等具有控制作用。在地应力影响下，围岩流变的时效性，巷道围岩应力、变形等也一直持续。

图1 为典型布置方式，在进行现场监测时，可以结合巷道围岩的实际情况进行优化布置，从而监测稳定性最差的特殊区域。例如缓倾斜薄层状岩体中，考虑到巷道顶底板之间变形和沿软弱夹层剪切滑动变形。顶底板测点布置方式可以不变，但两帮可采用与岩层方向基本平行的布置方式，这样就可以充分了解沿软弱夹层的剪切滑移量。

3 现场巷道监测

图1 典型监测点位布置Fig.1 Typical arrangement of monitoring points

某铝土矿位于河床之下，矿区水文地质条件复杂，区内的主要围岩为泥质灰岩、页岩等，其中泥质灰岩较为稳定，但是矿区泥质页岩、铁质页岩为典型的软岩，其节理、裂隙发育，黏土物质硬化形成的微小颗粒易裂碎，很容易分裂成为明显的岩层，成分复杂，除黏土矿物外，还含有许多碎屑矿物和自生矿物，因此，选取典型页岩区域进行矿区巷道的监测。

采用监测站数据记录仪实现自动监测，并且进入相关数据库。监测系统同样具备人工观测条件，观测人员可携带读数仪或笔记本电脑到各监测站读取数据。远程终端采集单元MCU 管理中心数据处理部分。该系统由数据采集与控制单元MCU －32 型、测量模块、无线通信模块GPRS、数据采集系统软件、后方控制计算机组成。自动测量单元型号为MCU －32，包含振弦测量模块GDA1102、智能测量模块GDA1105、串口服务器网桥、数据采集系统软件V1.6、传感器等。

图2 典型巷道应力监测曲线Fig.2 Typical stress monitoring curve in roadway

图2 为某监测点围岩应力变化的典型曲线，可知该处围岩的应力较小。由于巷道距离离地表约150 m，本身的地应力不高，因此，巷道支护受地应力影响较小，同时由于软岩开挖后的塑性变形相对较大，因此，监测点的应力会随着围岩变形而减小，地应力向围岩内部转移。表层的软岩由于变形较大，也会逐渐失稳，导致巷道稳定性变差。通过软岩应力的监测，获取了相应的应力值，可以用于指导支护设计及巷道稳定性数值模拟计算。

图3 典型巷道位移监测曲线Fig.3 Typical displacement monitoring curve in roadway

图3 为某监测巷道两帮软岩位移的典型曲线，在开挖后60 d 内，软岩的位移变化较快，尤其是最初的30 d，曲线斜率更陡，随后逐渐放缓，60 d 以后巷道两帮的位移逐渐趋于稳定。该处巷道地下水不发育，但是雨季时，由于矿区位于低洼的河床之下，且断层、裂隙发育，因此，巷道开挖后应控制好二次支护的时机，充分发挥围岩和支护体的相互作用，确保巷道稳定。

4 结 论

(1) 考虑到软岩地质条件的复杂性，在分析支护体与围岩相互作用机理的基础上，结合软岩自身物理力学特征、施工方法等因素，针对软岩开挖后的应力变化和软岩变形问题，设计了基于JTM －V2000B 型压力计和VWM 型振弦式多点位移计的监测方案。

(2) 分析了JTM －V2000B 型压力计和VWM 型振弦式多点位移计的监测功能和特点，以及应力和位移监测值的确定原则。设计了常规巷道监测点布置方式，同时提出需要结合巷道围岩的实际情况重点监测稳定性最差的特殊区域。

(3) 某铝土矿的现场监测展现了软岩巷道开挖后的应力和位移变化趋势。软岩开挖后的较大塑性变形使表层岩体的应力减小，地应力逐渐向围岩内部转移，围岩也向巷道内变形，导致巷道断面缩小，巷道稳定性变差。应力和位移的监测结果可用于指导巷道支护设计和支护时机确定。

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