采場(chǎng)充填體下新開挖出礦巷道頂板安全厚度的確定

采場(chǎng)充填體下新開挖出礦巷道頂板安全厚度的確定

0采盤區(qū)間隔離礦柱的開采要求銅薄荷是一種特殊的硅卡巖銅材料，具有100多年的銅金礦床儲(chǔ)量。礦體開采方案是將礦體劃分成盤區(qū),盤區(qū)長(zhǎng)為礦體的寬度,寬82m;再將每個(gè)盤區(qū)間隔劃分成18m寬的礦房和礦柱,相鄰盤區(qū)之間暫留18m寬的隔離礦柱。礦體采用3個(gè)步驟回采,第1步為回采盤區(qū)礦房采場(chǎng),第2步為回采盤區(qū)礦柱采場(chǎng),第3步為回采盤區(qū)間隔離礦柱。冬瓜山銅礦盤區(qū)隔離礦柱的礦量占礦山地質(zhì)總儲(chǔ)量近20%,由于隔離礦柱的回采是在盤區(qū)采場(chǎng)回采充填完畢后進(jìn)行的,兩側(cè)均是膠結(jié)充填體,其回采條件變化較大,因此為安全高效回采盤區(qū)隔離礦柱,在充分利用原有井巷作為其采準(zhǔn)切割和回采工程的基礎(chǔ)上,還需開掘新的出礦巷道。新開掘的出礦巷道在一側(cè)盤區(qū)充填體的下方,對(duì)出礦巷道的參數(shù)選擇、施工和支護(hù)提出了更高的要求,尤其是對(duì)巷道頂板安全厚度以及支護(hù)方式提出了更為嚴(yán)格的要求。陳慶發(fā)、張子飛和呂兆海等對(duì)復(fù)雜條件下巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了測(cè)試,根據(jù)測(cè)得的圍巖松動(dòng)圈大小分別對(duì)巷道頂板位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),提出相應(yīng)的礦壓控制措施和巷道支護(hù)方式。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,松動(dòng)圈測(cè)試作為巷道內(nèi)部變形的監(jiān)測(cè)手段,為有效評(píng)價(jià)巷道穩(wěn)定狀態(tài)及巷道變形支護(hù)提供了科學(xué)的指導(dǎo)。本文利用RSM-SY5非金屬聲波檢測(cè)儀對(duì)冬瓜山-760m、-790m水平已有的出礦穿脈和出礦進(jìn)路圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試,以期為確定盤區(qū)充填體下開挖的新出礦巷道所需預(yù)留的頂板安全厚度和選擇巷道支護(hù)方式提供理論依據(jù)。1松動(dòng)試驗(yàn)的原理1.1巷道圍巖結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)圈是指在地下空間開挖時(shí),原巖中三維應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破,圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布,由三維應(yīng)力組件轉(zhuǎn)變?yōu)榻贫S應(yīng)力,巷道周邊徑向應(yīng)力消失,環(huán)向應(yīng)力集中,且圍巖強(qiáng)度明顯下降。當(dāng)集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí),巷道周邊巖體首先被破壞,產(chǎn)生裂隙,并向深部擴(kuò)展;達(dá)到一定深度,集中應(yīng)力小于或等于巖體強(qiáng)度時(shí),巖體重新達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài),破壞停止。破裂的圍巖逐漸形成松動(dòng)帶,由于該區(qū)域圍巖體均已屈服,故稱為塑性松動(dòng)圈,簡(jiǎn)稱松動(dòng)圈。其主要特征是松動(dòng)圈內(nèi)應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度均有較明顯的下降,巷道圍巖裂隙擴(kuò)張?jiān)龆?出現(xiàn)明顯的塑性滑移。諸多經(jīng)驗(yàn)表明,巷道松動(dòng)圈大小決定了巷道的穩(wěn)定性以及支護(hù)方式的選擇和支護(hù)的難易程度,松動(dòng)圈越大,巷道穩(wěn)定性越差,支護(hù)也就越困難。1.2圍巖滑動(dòng)圈范圍探測(cè)方法超聲波在巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物中的傳播參數(shù)(聲時(shí)值、聲速、波幅、衰減系數(shù)等)與巖土介質(zhì)和結(jié)構(gòu)物的物理力學(xué)指標(biāo)(彈性模量、密度、強(qiáng)度等)之間存在較大的相關(guān)性(式(1))。用聲波法測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的原理是基于聲波在圍巖中傳播速度的變化,圍巖應(yīng)力越大,巖體越致密,裂隙越少,聲波在巖體的傳播速度就越快,反之亦然。圍巖若未受爆破影響,完整性好,其縱波速度高;圍巖若受爆破影響大,節(jié)理裂隙多或較破碎,其縱波速度低。因此,可以根據(jù)松動(dòng)圈理論,測(cè)出離孔口不同深度處的波速,并繪制出波速-深度曲線,再結(jié)合圍巖具體情況便可得出圍巖松動(dòng)圈的厚度及其分布情況。由于縱波具有傳播速度快、能量高、現(xiàn)場(chǎng)容易實(shí)現(xiàn)等特性,因此利用縱波進(jìn)行圍巖松動(dòng)范圍探測(cè)。根據(jù)彈塑性介質(zhì)中波動(dòng)理論,應(yīng)力波縱波波速Vp與巖石彈性模量E(GPa)、泊松比σ、密度ρ(g/m3)之間的關(guān)系式為RSM-SY5聲波儀通過專用一發(fā)雙收換能器在鉆孔中測(cè)量巖土孔壁滑行波的波速,從而判斷圍巖的破碎程度,反映的是環(huán)向裂隙特征。圖1為單孔測(cè)試工作原理示意圖,發(fā)射換能器F在鉆孔中發(fā)射的超聲波沿鉆孔壁滑行傳播,當(dāng)分別測(cè)得從F發(fā)射的聲波到達(dá)接收換能器S1、S2的時(shí)間為t1、t2時(shí),聲波速度Vp為其中,ΔL為接收換能器S1、S2之間的距離,m;t1、t2分別為聲波到達(dá)接收換能器S1、S2的時(shí)間,s。將各測(cè)點(diǎn)所得的波速值繪制成孔深L與波速Vp的關(guān)系曲線,根據(jù)曲線中的波速變化劃分松動(dòng)圈范圍。2并用銅銅路圍巖松動(dòng)圈測(cè)試點(diǎn)2.1mm5084線盤區(qū)采場(chǎng)充填體仿真模型冬瓜山銅礦采用3步驟回采,其采場(chǎng)劃分示意圖如圖2所示。盤區(qū)第1步和第2步采場(chǎng)回采完畢后,進(jìn)行膠結(jié)充填。為充分利用原盤區(qū)采場(chǎng)采礦方法、爆破落礦和出礦的現(xiàn)場(chǎng)施工和管理經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)盤區(qū)隔離礦柱仍具備與盤區(qū)采場(chǎng)相同的大直徑深孔落礦階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ɑ夭杉夹g(shù)條件,采用長(zhǎng)進(jìn)路雙采場(chǎng)塹溝式底部結(jié)構(gòu)(圖3)。50~54線盤區(qū)作為冬瓜山首采盤區(qū),截至2012年4月,其第1步驟采場(chǎng)基本回采充填完畢,僅50盤區(qū)50-19、50-20采場(chǎng)處于采準(zhǔn)階段,52盤區(qū)52-1、52-19采場(chǎng)尚未動(dòng)工,54盤區(qū)54-1、54-3、54-5、54-17、54-19這5個(gè)采場(chǎng)未動(dòng)工。因此綜合考慮,將52線隔離礦柱作為首采隔離礦柱,本文也是圍繞回采該條礦柱進(jìn)行底部結(jié)構(gòu)方案研究。根據(jù)盤區(qū)采場(chǎng)回采的底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,52線隔離礦柱內(nèi)部已有1條服務(wù)于兩側(cè)采場(chǎng)的出礦穿脈,為充分利用該巷道,將該巷道用作隔離礦柱回采底部結(jié)構(gòu)中的塹溝巷道。為構(gòu)成完整的出礦系統(tǒng),保證鏟運(yùn)機(jī)高效運(yùn)行,需開掘新的出礦巷道和出礦進(jìn)路。巷道斷面為三心拱,寬和高分別為4.2m和3.8m,進(jìn)路長(zhǎng)約15m,出礦巷道處于50線盤區(qū)一側(cè)充填體下方,運(yùn)用DIMINE軟件進(jìn)行三維建模(圖4)。由于新開掘出礦巷道和出礦進(jìn)路均處于-760m和-790m2個(gè)水平,故進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試的巷道也主要選擇在-760m和-790m水平的原出礦穿脈和出礦進(jìn)路,并最終確定對(duì)這2個(gè)水平的8個(gè)巷道斷面進(jìn)行測(cè)試。2.2斷面滑動(dòng)圈測(cè)試孔布置在已選定的-760m和-790m水平的8個(gè)巷道斷面各分別布置3個(gè)測(cè)孔,共24個(gè)測(cè)孔,每個(gè)孔深2.2~2.5m,直徑38~42mm。斷面松動(dòng)圈測(cè)試孔布置如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)將傳感器和聲波儀連接好,啟動(dòng)程序并設(shè)置好參數(shù),把探頭放入已鉆好的測(cè)孔;孔口用橡皮囊堵住,以清水作為耦合劑,用水泵向孔內(nèi)注水直至灌滿整個(gè)孔為止,然后密切觀測(cè)波形的變化;波形穩(wěn)定后進(jìn)行采樣、保存。限于篇幅,此處只給出第7個(gè)斷面2#孔的波形圖(圖6)。沿孔口方向每隔0.2m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn),直至對(duì)整孔測(cè)試完畢。2.3不同斷面的vp-l曲線對(duì)8個(gè)斷面共24個(gè)孔測(cè)試完畢后,將每個(gè)測(cè)孔各測(cè)點(diǎn)的波速Vp值作為縱坐標(biāo)、孔深L為橫坐標(biāo),繪制出每個(gè)斷面的Vp-L曲線。限于篇幅,只給出第6個(gè)斷面和第8個(gè)斷面的Vp-L曲線(圖7和圖8)。不同斷面各個(gè)測(cè)孔的松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果如表1所示(其中2個(gè)測(cè)孔質(zhì)量較差,無法順利完成測(cè)試,故沒有數(shù)據(jù))。-760m水平的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度Lp為0.80~1.20m,-790m水平的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度Lp為0.90~1.30m,說明埋深與松動(dòng)圈的大小基本呈正相關(guān)。此外還可以看出,同一斷面頂板的松動(dòng)圈值比兩幫的松動(dòng)圈值略大。3礦山道地板安全厚度的確定和維護(hù)方法的選擇3.1圍巖局部開挖通過對(duì)-760m和-790m水平原出礦穿脈和出礦進(jìn)路進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試,了解了巷道周邊松動(dòng)帶的范圍,確定了巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)域,從而可以指導(dǎo)盤區(qū)充填體下方新開挖出礦巷道所需預(yù)留的頂板安全厚度。由圣維南局部效應(yīng)原理可知,巖體局部開挖僅對(duì)一定范圍有明顯影響,周傳波等對(duì)采礦巷道的圍巖變形機(jī)制進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn),局部開挖影響范圍為塑性松動(dòng)圈大小的3~4倍。此外,結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及工程經(jīng)驗(yàn),李術(shù)才等對(duì)淮南礦區(qū)丁集礦-910m軌道大巷圍巖進(jìn)行破裂化現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),研究發(fā)現(xiàn)其圍巖松動(dòng)圈范圍為1.5~3.0m,完整區(qū)平均深度為5m,在進(jìn)行合理支護(hù)后能有效控制松動(dòng)圈。王其勝等對(duì)馬路坪礦埋深560m的巷道進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其塑性區(qū)范圍約為3m,采用“噴-錨網(wǎng)-噴”方式進(jìn)行支護(hù)后較好地控制了頂板圍巖的變形。結(jié)合以上研究和工程類比,針對(duì)冬瓜山銅礦-760m和-790m新開巷道,最終確定新開挖出礦巷道的頂板安全厚度H應(yīng)不小于4m(圖9),配以合理支護(hù)能夠保證充填體下巷道圍巖的穩(wěn)定。3.2巷道圍巖質(zhì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化巷道支護(hù)的主要目的是控制巷道大的變形,防止圍巖松動(dòng)圈內(nèi)一定程度上裂隙化巖石的垮落。要達(dá)到這樣的目的,首先要阻止巷道圍巖裂隙化圈層的形成,但這往往比較困難。經(jīng)濟(jì)、有效的措施是控制松動(dòng)圈的擴(kuò)大,改善其應(yīng)力狀態(tài),提高圍巖自身的承載能力。不同的支護(hù)方式對(duì)松動(dòng)圈的控制會(huì)產(chǎn)生不同的效果。3.2.1噴錨支護(hù)對(duì)策松動(dòng)圈支護(hù)理論是進(jìn)行巷道支護(hù)的主要依據(jù),根據(jù)不同的松動(dòng)圈對(duì)巷道采取不同的支護(hù)方式。董方庭做了大量的現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試,并對(duì)松動(dòng)圈與巷道支護(hù)難易程度相關(guān)關(guān)系進(jìn)行調(diào)研,結(jié)合噴錨支護(hù)機(jī)理,根據(jù)圍巖松動(dòng)圈厚度和圍巖碎脹變形的大小將圍巖分為小松動(dòng)圈圍巖、中松動(dòng)圈圍巖和大松動(dòng)圈圍巖3類(表2)。冬瓜山-760m和-790m水平的巷道松動(dòng)圈厚度基本在0.8~1.3m之間,因此屬于中等水平松動(dòng)圈。根據(jù)已有研究以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),新開挖出礦巷道和出礦進(jìn)路的支護(hù)方式采用噴錨聯(lián)合支護(hù);對(duì)出礦口眉線和局部破碎區(qū)域,采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)或“噴錨網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)。3.2.2支出參數(shù)的確定(1)錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)松動(dòng)圈支護(hù)理論經(jīng)過大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明,在中等水平松動(dòng)圈條件下將松動(dòng)巖石用錨桿懸吊在松動(dòng)圈以外的圍巖上可以有效地進(jìn)行支護(hù),其錨桿長(zhǎng)度為其中,L′為錨桿長(zhǎng)度,mm;L1為錨桿外露長(zhǎng)度,通常取50~100mm;L2為錨桿錨入彈塑性區(qū)的深度,常取300~400mm。為使支護(hù)安全可靠,留有安全系數(shù),錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)圍巖松動(dòng)圈厚度取1.3m。經(jīng)過計(jì)算,確定錨桿長(zhǎng)度為2.2m。(2)錨桿間排距及支護(hù)形式對(duì)錨桿間排距的確定,應(yīng)充分利用已有支護(hù)設(shè)備和支護(hù)經(jīng)驗(yàn),礦山現(xiàn)有錨桿直徑為16mm,其設(shè)計(jì)錨固力約為90kN。根據(jù)錨桿支護(hù)松動(dòng)圈理論,錨桿的錨固力應(yīng)不小于錨桿懸吊范圍內(nèi)破碎圍巖的重量,錨桿間排距a為其中,Q為錨桿的設(shè)計(jì)錨固力,取90kN;r為破碎巖層容重,取2720kg/m3;Lp取1.3m;k為安全系數(shù),取1.3。計(jì)算得出,錨桿間排距a應(yīng)不大于1.4m,故最終確定錨桿間排距為1.0m,即錨桿網(wǎng)度為1.0m×1.0m;對(duì)局部破碎區(qū)域和出礦口眉線支護(hù),除打錨桿外,還需掛金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)片為2m×3m,金屬網(wǎng)鋼筋直徑為6mm,網(wǎng)格尺寸為100mm×100mm。最后再進(jìn)行噴漿,達(dá)到100mm的永久噴層厚度。3.3噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)處理通過單孔聲波儀對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)行測(cè)定,并據(jù)此提出對(duì)新開挖出礦巷道和出礦進(jìn)路的支護(hù)方式以及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)。巷道支護(hù)的根本作用是保持和提高圍巖的強(qiáng)度,充分利用圍巖自身強(qiáng)度維護(hù)巷道的穩(wěn)定。-760m和-790m水平的出礦巷道和出礦進(jìn)路經(jīng)噴錨聯(lián)合支護(hù),局部破碎區(qū)域采用噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)后,強(qiáng)化了錨固區(qū)域內(nèi)巖體的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度,提高了巷道圍巖的強(qiáng)度和自身承載能力。現(xiàn)場(chǎng)情況反饋表明,巷道頂板及兩幫圍巖基本無垮落現(xiàn)象,出礦口眉線和局部破碎區(qū)域經(jīng)噴錨網(wǎng)支護(hù)后能有效控制破碎圍巖進(jìn)一步變形,噴漿維護(hù)后巷道表面平整,未發(fā)生大位移。實(shí)踐證明,采用聯(lián)合支護(hù)方式能較好地控制圍巖破碎區(qū)和塑性區(qū)的發(fā)展,從而抑制圍巖變形,保持巷道穩(wěn)定性。4巷道滑動(dòng)圈范圍冬瓜山銅礦埋藏較深,賦存條件特殊,回采技術(shù)條件復(fù)雜,尤其是作為第3步驟的盤區(qū)隔離礦柱回采,對(duì)回采技術(shù)提出了更高的要求。因此,在對(duì)盤區(qū)隔離礦柱回采之前有必要對(duì)深部巷道的圍巖松動(dòng)變化規(guī)律進(jìn)行研究,掌握巷道圍巖的松動(dòng)圈范圍,從而為安全、高效回采隔離礦柱的開拓設(shè)計(jì)和施工積累經(jīng)驗(yàn)。新開挖出礦巷道