冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩破坏特征研究

姚道春，汪令辉

(铜陵有色金属集团控股有限公司冬瓜山铜矿, 安徽 铜陵 244031)

冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩破坏特征研究

姚道春，汪令辉

(铜陵有色金属集团控股有限公司冬瓜山铜矿, 安徽 铜陵 244031)

基于冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩稳定性难以控制的难题，选取具有代表性的位置进行出矿巷道断面现场钻孔测试。为确保测试数据直观、经济、准确度高，提出钻孔岩芯法进行出矿巷道围岩破坏特征的研究。结合出矿巷道的工程地质状况、钻孔深度及岩芯采用率，提出岩芯碎块法、岩芯缺失法、岩芯长度小于3cm为破裂区3种方法进行研究，同时提出“同一位置多断面分析法”对数据进行处理分析。研究结果显示：深部出矿巷道围岩以破裂区、完整区相间隔的方式排列，形成典型分区破裂特征，且靠近采场一侧破碎情况严重；围岩一般破裂成3或4个破裂区，且远离巷道的破裂区稳定性有所提高。

出矿巷道； 深部； 钻孔岩芯法； 破坏特征

1 前言

目前冬瓜山铜矿采深已达千米，深部出矿巷道围岩处于“三高一扰动”的复杂力学环境中[1～4]，随着开采深度的继续加深，采场围岩、人工矿柱和巷道围岩应力变形加剧。尤其是深部出矿巷道围岩的稳定性难以控制，巷道冒顶、锚杆失效、喷层剥落等破坏现象严重影响了采矿作业，造成了较大的经济损失。针对该问题，唐礼忠、王春等[5～9]进行了高静载频繁动态扰动下岩石力学性质的相关研究，为深部出矿巷道围岩的支护提供了一定的理论依据，但未对巷道围岩的实际破坏情况进行测试，使基础理论为工程实践服务的论证不足。基于冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩的实际情况，通过现场测试的方法研究围岩的破坏规律，可提供基础理论与实际工程实践相符合的论据。

2 现场测试

2.1 测试背景

2.1.1 冬瓜山铜矿地质特征

冬瓜山铜矿矿床受背斜控制，现有矿井已至地下1 000m，表现出高应力特征以及岩爆倾向。矿山自投产至今已采掘回采了大量矿房和部分矿柱。这种交替开采、充填活动使矿山应力等状况非常复杂，微震活动加剧。冬瓜山矿区的深部开采出矿巷道是保证采场矿石回采出矿的关键通道，但是矿山投产以来，出矿巷道围岩一直存在严重的稳定性问题。巷道围岩的稳定性受到采场矿石回采的明显影响，在采场回采过程中巷道围岩变形增大、破坏加剧，前期支护结构破坏严重，需要多次重复支护，不仅增加了支护费用，而且严重影响矿床回采进度和生产安全。

2.1.2 出矿巷道破坏情况

现场调查表明，采场底部出矿巷道出现两帮鼓出、冒顶、锚杆失效、喷层剥落等破坏，支护锚杆存在拉断、裸露未断、未见锚杆等多种破坏情况，具体如图1、图2所示。当蛇纹岩与矽卡岩的接触带位于巷道顶板而蛇纹岩层不厚时，蛇纹岩层极易与上部坚硬的岩层发生大面积垮落，垮落形成的空间呈沿巷道走向的楔形，垮落后形成的上部临空面相对平整。这些问题给矿山带来重大的安全隐患，影响矿山安全生产。

图1 巷道两帮剪切体和顶板冒落情况

图2 蛇纹岩层顶板冒落和出露的锚杆

2.1.3 出矿巷道支护情况

出矿巷道在未支护时，随着采场的不断开采，出现了大面积拱顶及两帮的坍塌，进行支护则能增强岩体的整体性与稳定性，支护时出矿巷道在高静应力和开挖爆破等的扰动作用下，仍出现了不同程度的顶板碎裂化、顶板冒落、两帮垮塌、锚杆拉断以及钢筋网的开裂、剥落等破坏情况。经现场调查，发现巷道锚网支护后巷道围岩发生明显的破坏，在挂网内岩体可见离层和碎裂化，围岩向巷道空间内凸出，挂网严重变形，巷道严重变形，不仅表现在巷道顶板，而且在巷道两帮也同样出现，具体如图3所示。这都严重影响矿山的安全生产，重复支护也带来许多不必要的麻烦，造成经济损失，这就需要更加深入地开展未支护以及支护作用下出矿巷道围岩稳定情况的研究，因此需要对现场的围岩情况进行检测。

图3 围岩离层和碎裂化

2.2 测试准备

巷道围岩测试主要是探明巷道围岩的力学性态，即破坏和完好状况，以监测围岩松动圈为对象开展测试。目前应用较多的巷道围岩松动圈测试方法有钻孔声波测试法、钻孔摄像法以及观测钻孔岩芯描述法等[10～14]。为了测定冬瓜山铜矿井下出矿巷道围岩破坏的情况，采用了应力、应变、超声波、钻孔岩芯法进行测定，但由于条件及实际情况的限制，最后钻孔岩芯法取得的结果较好，故测试数据以钻孔岩芯法为依据。

(1)断面测点布置。根据冬瓜山铜矿的实际开采情况，考虑巷道围岩的非均匀变形特征和围岩潜在的破坏模式，并结合以往现场的工作经验，即施工过程出现岩石破裂或测试过程中出现某些孔不能用于监测的现象，选取-790m中段46- 4#采场底部结构的出矿巷道和-790m中段54- 17#采场的出矿巷道作为测试对象。每个测试断面布置5个测孔，具体布置如图4所示。其中C1、C5号为帮孔，C2、C4号为拐角处45°斜孔，C3号为与顶板成60°的孔，测孔深度4m，孔径48mm。

图4 测试断面测孔布置示意图

(2)岩芯取样。为较准确地确定松动圈的范围，设计对同一断面的每个测孔进行取芯。在巷道断面上向围岩打钻孔的过程中利用钻孔钻具钻取岩芯，为了能更好地确定岩芯及破裂裂隙的位置，要求较小的取芯进尺，每次进尺应小于0.5m，并注意减少钻孔过程岩芯的人为破坏。取出岩芯后需对其进行必要描述和记录，并整理装箱。取岩芯时，按图做好标记，装盒记录，记录每次钻孔进尺深度，且在装盒时按钻孔岩芯原位进行放置。在搬运时尽量做到不移动各个岩芯的位置，使其能够较准确地确定岩体在围岩中的破碎位置，用于判定松动圈范围。

3 测试结果及分析

3.1 岩芯采取率与钻孔深度

测试的断面钻孔岩芯数据较多，选取46- 4#采场C断面进行钻孔岩芯数据的分析。通过研究岩芯采取率—钻孔深度的数据关系，可以作为探究钻孔取岩芯的质量标准，岩芯采取率越高，则钻孔岩芯研究岩石围岩破坏情况的结果越可靠，否则结果误差越大。表1列出了46- 4#采场C断面的岩芯采取率，表1中数据表明此次岩芯采取率可以反映围岩的破坏情况。

表1 46- 4#采场C断面岩芯采取率—钻孔深度对照

3.2 围岩破坏区的确定

借助钻孔岩芯法研究冬瓜山铜矿井下采场出矿巷道围岩的破坏情况，采用岩芯碎块法、岩芯缺失法、岩芯长度小于3cm 3种方案进行研究，为冬瓜山铜矿井下采场出矿巷道的支护提供可靠的理论依据。

(1)岩芯碎块法。岩芯碎块法的确定标准：认为岩芯不成圆柱状，以块状的形式存在。以碎块段为破碎区，分析冬瓜山铜矿井下出矿巷道围岩破坏区的分布情况，发现出矿巷道围岩以分区破坏为主，完整岩体、破碎岩体间隔出现，且靠近采场一侧破碎情况严重。以46- 4#采场C断面围岩破坏情况为例，详见图5。

图5 46- 4#采场C断面围岩破坏区(岩芯碎块法)

(2)岩芯缺失法。岩芯缺失的确定标准：认为岩芯不存在或岩芯呈粉末状的钻孔段，即该部分钻孔缺失岩芯。以岩芯缺失段为破碎区，分析冬瓜山铜矿井下出矿巷道围岩破坏区的分布情况，发现出矿道围岩以分区破坏为主，完整岩体、破碎岩体间隔出现。巷道破坏基本呈对称现象，推测原因是采取岩芯时，缺失岩芯的位置不易控制，同时每块岩样之间都存在间隙，只是间隙的大小存在差异，但该方案分析的结果仍可作为出矿巷道围岩破坏区研究参考。以46- 4#采场C断面围岩破坏情况为例，详见图6。

图6 46- 4#采场C断面围岩破坏区(岩芯缺失法)

(3)岩芯长度<3cm法。将岩芯长度小于3cm的钻孔段设为岩石破坏区，大于3cm的钻孔段设为完整区，进行冬瓜山铜矿井下出矿巷道围岩破坏区分析。分析得出巷道围岩以分区破坏为主，完整岩体、破碎岩体间隔出现。靠近采场一侧破碎情况严重。以46- 4#采场C断面的围岩破坏情况为例，详见图7。

图7 46- 4#采场C断面围岩破坏区(岩芯长度<3cm法)

(4)3种方案对比分析。以46- 4#采场C断面为例，采用岩芯碎块法、缺失法以及岩芯长度小于3cm这3种方案来研究巷道围岩的破坏情况。①岩芯碎块方案：破坏区宽度较小、靠近采场一侧的破坏区较多，靠近矿体一侧的破坏区较少，岩石破坏区和完整区交替出现。可以较好地反映冬瓜山铜矿井下巷道围岩破坏情况。②岩芯缺失方案：巷道破坏基本呈对称现象，破坏区宽度非常小，基本以巷道轴线为对称，但仍可反映分区破坏及靠近采场一侧破坏严重的事实，该方案分析的结果也可用于出矿巷道围岩破坏区的参考。③岩芯长度小于3cm的方案：该方案推侧得出破坏区宽度较大、靠近采场一侧的破坏区较多，靠近矿体一侧的破坏区较少，岩石破坏区和完整区交替出现、靠近巷道处的破坏区宽度最大，远离巷道处的破坏区宽度较小。可以较真实地反映冬瓜山铜矿井下巷道围岩破坏情况。

上述3种方案都能一定程度反映冬瓜山铜矿巷道围岩破坏的情况，但每种方案又存在不足之处，需将3种方案进行结合以预测冬瓜山铜矿井下深部巷道围岩的破坏情况。

4 围岩破坏特征

针对冬瓜山铜矿深部出矿巷道采用“钻孔岩芯法”研究巷道围岩的破坏特征，通过在巷道具有代表性的位置，采用“同一位置多断面”方法分析巷道围岩破坏特征的一般规律，为出矿巷道围岩支护设计提供依据。

“同一位置多断面分析法”是根据围岩破坏区确定标准绘制的分区破裂图，测定每个钻孔穿过的破裂区的外径、内径、厚度(外径、内径不包括巷道的半径，是以巷道边界为起点计算)；然后由巷道边界开始，将破裂区编号为破裂区1、破裂区2、破裂区3……；接着将同一位置上、同一编号的破裂区放在一起，计算破裂区外径、内径、厚度的平均值；然后根据计算的平均值推测巷道围岩的分区情况。

采用“钻孔岩芯法”分析总结冬瓜山矿区深部-790m中的46- 4#采场的出矿巷道的B、C、D、F、G 5个断面及 -790m中段54- 17#采场的出矿巷道的布置A、B、C、D、E、F 6个断面，共11个断面的巷道围岩的破坏情况，得出以下结论。

(1)巷道围岩以破裂区、完整区相间隔的方式排列，形成典型分区破裂特征。

(2)破裂区的外径、内径随着分区数目呈直线趋势增加，破裂区的厚度却呈直线趋势减小。

(3)推测出巷道围岩破裂区的最大半径为2.15～3.53m，严重破裂区的半径为0.92～2.05m。

(4)巷道围岩的破裂主要包括3个或4个破裂区，且远离巷道的破裂区稳定性有所提高。

5 结论

(1)提出用钻孔岩芯法研究冬瓜山铜矿井下出矿巷道围岩破坏情况。

(2)采用岩芯碎块法、岩芯缺失法、岩芯长度小于3cm 3种方案分析了巷道围岩的破坏情况，得出围岩以分区破坏为主，完整岩体、破碎岩体间隔出现，靠近采场一侧破碎情况严重的结论。

(3)分析了冬瓜山铜矿出矿巷道围岩的破坏特征，得出围岩破裂区一般为3～4个，且最大半径为2.15～3.53m，严重破裂区的半径为0.92～2.05m的结论，为巷道围岩支护提供了理论参考依据。

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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，安徽来安人，采矿高级工程师，主要从事矿业工程与岩石力学研究工作。

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