拜什塔木铜矿爆破开采软岩巷道围岩损伤规律研究①

张爱卿， 王贻明， 王少勇， 周发陆

(1.北华航天工业学院建筑工程学院,河北廊坊065000；2.北京科技大学膏体充填采矿技术研究中心,北京100083；3.新疆铜辉矿业有限责任公司,新疆伽师844000)

拜什塔木铜矿原采用无底柱连续开采分段崩落留矿采矿法,虽然具有采矿回收率高、采矿成本低等优势,但随着不断向深部开采,地压的影响逐渐显现出来,出现了采矿生产能力小、回采作业不安全、作业环境不佳等问题,回采效率、作业安全性远远不能满足生产要求。 针对拜什塔木铜矿原采矿方法存在的问题,拟采用中深孔爆破替代原采矿方法。 区域巷道的稳定是判断中深孔爆破效果好坏的判别依据之一［1-6］。 国内很多学者在中深孔爆破法的设计及数值模拟方面展开了研究［7-10］,但对中深孔爆破开采软岩巷道累计变形监测的研究相对较少。 中深孔爆破对软岩巷道变形及对周边环境的影响一般很难通过解析的方法求解。现场监测的方法为解决这类问题提供了有力工具。 本文以拜什塔木铜矿为背景,通过工程地质调查制定中深孔爆破和监测方案,对开采软岩巷道围岩位移和软岩巷道收敛变形进行现场监测,分析软岩巷道在爆破作用下的累计变形规律,以期对其他类似矿山采用中深孔爆破开采时软岩巷道的支护提供借鉴。

1 工程地质调查

拜什塔木铜矿为单斜构造,矿区内未发现大的断层,矿体平均厚度6.24 m,属厚度稳定型矿体。 矿体产状较稳定,600 m 水平以上倾角为80°,岩层裂隙不发育,节理罕见,但层理发育。 矿岩硬度系数3 ～5,硬度较小。 现场进行岩体RQD 调查,结果见表1。 从现场测试结果来看,矿体下盘围岩较上盘围岩和矿体相比破碎,且部分交叉,切割破碎相对较为严重,测量部分裂隙较多,软硬不一。

表1 岩体RQD 分析结果

2 中深孔爆破与监测方案设计

2.1 中深孔爆破方案

试验采场选择在矿区10 中段。 采场高度40 m,长度30 m,采场宽度6 m(即矿体平均厚度)。 采场回采前,进行该采场底部3 m 的高强度膏体充填,将其作为人工假顶；矿柱、矿房分别进行拉底,采用浅孔落矿,回采方式采用中深孔爆破落矿。 进路开采及底部出矿结构均采用42 mm 浅孔爆破,采场采用110 mm 孔径、由下至上多分层多排微差爆破崩矿法联合爆破工艺。

主要工艺流程为:进路充填养护期结束后,在采场底部靠近下盘处采用7655 凿岩机浅孔爆破,拉底层高度2.5 m；爆破采用多排多分层微差爆破,每个炮孔共进行5 次爆破,爆破高度分别为1.2 m,3.6 m,6.0 m,8.4 m,16.8 m,每次爆破完毕出矿40%,原则上补偿空间应不小于崩矿体积的30%,直至采场顶板。 为了保证爆破有足够的补偿空间,根据矿山平均每天的出矿能力,爆破至出矿结束设计为7 天。 中深孔爆破方案示意图见图1,炮孔平面布置见图2 中凿岩硐室内的6排炮孔。

图1 爆破方案示意（单位：m）

图2 监测点布置图

2.2 监测方案

为了监测中深孔爆破对软岩巷道变形的影响,本次中深孔爆破过程将进行以下现场监测:①软岩巷道收敛变形规律的现场监测；②软岩巷道周边围岩移动规律的位移现场监测。 主要的监测仪器有多点位移计和收敛计。

监测点布置在试验采场上中段的软岩巷道,共选取3 个有代表性的位置,监测点布置见图2。 图中矩形虚线范围内为软岩巷道收敛变形监测,椭圆形虚线范围内为软岩巷道围岩位移监测［10-12］。 监测内容包括:软岩巷道围岩位移监测(1 个断面1 个水平测点,每个多点位移计由5 个测点组成,分别测定距离软岩巷道表面0.8 m、1.6 m、2.4 m、3.2 m 和4.0 m 的岩体移动状况,其中测点1 为长度4 m 处的点,测点2 为长度3.2 m 处的点,以此类推,测点5 为长度0.6 m 的点)、软岩巷道收敛变形监测(2 个断面,每个断面的顶、帮、拱共3 个测点)。 软岩巷道收敛变形监测点测线布置如图3 所示。

图3 收敛计测线布置图

3 监测数据分析

3.1 巷道围岩位移分析

10 中段软岩巷道围岩位移变化曲线见图4。 由图4可以看出,10 中段巷道围岩在中深孔爆破作用下,16 d之后测点曲线出现了较大的波动,尤其是测点1～3,在爆破结束7 d 之内一直产生向采空区移动的现象,测点4 和5 在爆破结束初期也出现向采空区移动的现象,后期逐渐产生了向巷道内部移动的现象。 出现该现象的原因是由于监测点布置在矿体下盘围岩中,测点1～3 离矿体较近,爆破后随着矿体的崩落,下盘围岩向采空区产生了较大位移,最大位移量为4 cm。 后期由于围岩产生拱效应,爆破后经过7 d 的时间,巷道围岩的变形区域逐渐趋于稳定；测点4 和5 距离巷道较近,前期受到爆破影响,围岩向采空区移动,后期由于地应力的作用,出现向巷道内部移动的现象。

图4 10 中段软岩巷道围岩位移变化曲线

围岩松动圈理论和大量工程量测结果表明,由于应力重分布及复杂的围岩动态,围岩位移最大值一般出现在靠近巷道壁位置,从巷道壁向围岩深部,围岩位移逐渐减小,最后在原岩区基本无位移显现,即出现松动(弛)区、塑性区、过渡带和原岩区。 现场监测表明,采用中深孔爆破后,监测巷道的围岩变形特征并不完全符合上述基本规律,许多测点围岩位移分布特征甚至出现相反的情况。 如图4 所示,围岩位移最大值都出现在最深部测点处。 这也在一定程度上反映了研究区域围岩破碎的特征,表明在围岩应力和爆破的共同作用下,围岩深部测点随着岩体一起朝着采空区方向移动,而巷道浅部测点产生向巷道内部移动的规律。

3.2 巷道收敛变形分析

10 中段软岩巷道围岩收敛位移监测结果见图5。从图5 可以看出,由于矿体及围岩自身的强度较低,监测巷道的周边受到其他采场开采的影响,在爆破之前,就已经产生了波动,但其波动较小。 10 中段2 个测点的收敛值在第5 次爆破后才出现迅速增大,表明巷道在爆破作用下产生了较大的变形,且变形量均为正值,说明巷道变形表现为全断面收敛,且以两帮相对收敛为主,其中10 中段1＃测点的水平测线累计收敛值最大,达30.1 mm,这与多点位移计的监测规律相吻合。

图5 10 中段软岩巷道围岩收敛位移监测结果

出现上述现象的原因是,巷道收敛变形既与岩体自身条件和地应力有关,又与支护设计和爆破密切相关。 在地应力条件下,水平方向初始地应力大于垂直方向,加上爆破对周边围岩压力主要也是发生在水平方向,导致巷道两侧围岩位移较大,支护呈尖顶形状破坏、巷道两侧围岩收敛鼓帮、开裂和剥落等。

由软岩巷道收敛曲线可知,虽然各行线各时段的收敛速率有一定差异,但整体变化规律基本一致,即巷道收敛量呈现逐渐增加趋势,爆破后变形速率有减缓的趋势,这也反映出了矿区岩体的流变特性,同时也说明了当前的支护方式对于改善围岩应力状态进而控制围岩变形起到了一定的效果。

从巷道收敛变形监测结果可以看出,水平巷道流变特性明显,且以水平收敛为主,水平方向收敛大于垂直方向收敛,主要表现为两帮侧压内挤变形；巷道累计收敛变形15.8～30.1 mm,平均收敛速率0.37～0.71 mm/d,最大变形量发生在10 中段1＃位置；巷道变形尚处于减速变形阶段,变形速率有减缓趋势,部分地段趋于稳定阶段,但累计收敛量仍然呈现缓慢上升趋势。

巷道变形速率可以反映出巷道的稳定性,一般而言,收敛速率小于0.02 mm/d 时,属稳定巷道,收敛速率0.02～0.5 mm/d 时,属欠稳定巷道,收敛速率大于0.5 mm/d 时,属不稳定巷道。 试验段巷道中10 中段2＃测点的收敛速率介于0.02 ～0.5 mm/d 之间,属于欠稳定巷道,1＃测点巷道收敛速率大于0.5 mm/d,属于不稳定巷道,必须在原有支护结构的基础上及时增加新的支护结构,才能防止安全事故的发生。

4 结 论

1) 软岩巷道围岩位移监测结果表明,中深孔爆破后监测曲线出现了较大的变化,最大软岩巷道围岩位移出现在10 中段,最大位移量为4 cm。 监测结果显示出软岩巷道松动圈的圈层结构,在中深孔爆破作用下,由于围岩自身破碎,围岩位移随深度增加并非都是逐渐减小的变化规律,部分位置围岩最大位移甚至出现在围岩最深部测点处,且研究区域部分测点表现为向围岩深部移动的特征。

2) 从软岩巷道收敛变形监测结果可以看出,水平软岩巷道流变特性明显,且以水平收敛为主,水平方向收敛大于垂直方向收敛,主要表现为两帮侧压内挤变形；最大变形量发生在10 中段1＃测点位置；软岩巷道变形尚处于减速变形阶段,变形速率有减缓趋势,部分地段趋于稳定阶段,但累计收敛量仍然呈现缓慢上升趋势,软岩巷道稳定状态良好。 试验段巷道中10 中段2＃测点的收敛速率介于0.02 ～0.5 mm/d 之间,属于欠稳定巷道；1＃测点巷道收敛速率大于0.5 mm/d,属于不稳定巷道,必须在原有支护结构的基础上及时增加新的支护结构,才能防止安全事故的发生。