金川矿山深部巷道围岩松动圈厚度测试与分析

曹平^{1, 2}，陈冲^{1, 2}，张科^{1, 2}，蒲成志^{1, 2}，刘涛影^{1, 2}

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 湖南省研究生创新基地，湖南 长沙，410083)

摘要：为了分析金川深部巷道底臌形成过程以及支护对巷道稳定性的影响，运用声波单孔探测法，使用水做耦合剂，对巷道围岩松动圈进行测试。根据测出的深度-孔深曲线和各测孔漏水情况得出3个断面松动圈厚度以及围岩破碎程度。研究结果表明：初次支护设计对围岩松动圈有重要影响，巷道开挖支护一段时间后，松动圈厚度趋于稳定，返修后巷道围岩松动圈厚度不会有很大变化。巷道顶板和底角的围岩松动圈比两帮的厚，特别是底角处的松动圈较厚，在巷道两帮传递的集中应力的作用下，易发生破碎与移动，对于巷道围岩稳定性也有较大的影响。因此，使用锚索或者长度大于2.5 m的锚杆支护顶底角，对于延长巷道使用期限、减少返修周期具有重要意义。

关键词：深部开采；松动圈；破碎围岩；底臌；巷道支护

中图分类号：TD353          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)08-2839-06

Measurement and analysis of deep roadway surrounding rock loose zone in Jinchuan mine

CAO Ping^{1, 2}, CHEN Chong^{1, 2}, ZHANG Ke^{1, 2}, PU Chengzhi^{1, 2}, LIU Taoying^{1, 2}

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Hunan Province Innovation Base for Graduate Students, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to analyze the deformation process of the floor heave and the effect of support on the stability of roadway, based on acoustic single-hole probe method, and using water as a coupling agent, measurement of deep roadway surrounding rock zone was made in Jinchuan mine. The thicknesses of there roadways surrounding rock loose zone and their degree of fragmentation were gotten after analyzing the curve of depth-speed of sound and hole leaks. The results show that the initial support design is important in the expansion of surrounding rock loose zone, after the excavation and support of the roadway, its thickness of surrounding rock zone will tend to be constant and won’t change too much even after resupported. The loose zones in the roof and bottom corner are thicker than those in the sidewall, especially ones in the apex angle and bottom corner. Under the concentrated stress from the sidewall, the surrounding rock in the apex angle and bottom corner are easy to crush and mobile. So it is important to use anchor or anchor cable whose length is greater than 2.5 m to brace them. This design is meaningful to make longer use of the roadway.

Key words: deep mining; loose zone; fractured surrounding rock; floor heave; roadway support

随着对矿产资源的不断开采，地层浅部资源逐渐减少，开采深度逐渐向深部发展，深部开采面临着高地压、高井深^[1]等问题。随着采矿深度的不断增加，地质条件恶化，破碎岩体增多，岩体节理裂隙更加发育、地应力增大、大变形、强流变导致深部巷道的稳定性问题愈加突出。深部软岩巷道的支护虽然经过几十年的发展，取得了许多研究成果，但没有得到根本的解决。国外的巷道开挖支护理论主要以新奥法理论、能量支护理论以及应变控制理论为代表；国内的则有系统开挖理论、轴变理论、联合支护理论、关键部位耦合组合支护理论以及松动圈理论^[2-7]。运用松动圈理论，准确测量巷道松动圈厚度可以掌握巷道开挖对围岩松动圈的影响并对支护系统提出修正。松动圈理论自20世纪70年代发展起来，许多学者对松动圈理论进行了研究并得出了一系列的研究成果，但是很多理论都是建立在假设之上，与实际工程有很大差别，应用范围较窄^[8]，而且大多数理论对松动圈的研究并没有考虑时间因素，而实际工程中，巷道开挖支护后，其松动圈厚度会随时间有所变化。鉴于此，有必要开展关于围岩松动圈的工程应用测试。在深部地层中采挖的巷道，高地应力、构造应力以及断层等因素对其稳定性造成很大影响，即使喷锚网联合支护的前提下，巷道变形破坏严重，易底臌，维修周期短。由于巷道掘进爆破时装药量、围岩类型以及围岩赋存环境的差异，不同地段不同部位巷道围岩破碎程度和范围不一样，而且刚掘进和已返修的巷道的围岩破碎程度和范围也有差异。基于此，应该精确测量巷道围岩松动圈的厚度并分析巷道失稳原因。国内外测量围岩松动圈的方法很多，主要包括地震测法、电阻率法、超声波测法、孔内摄像法等^[9]。超声波测发利用超声波在岩体中的传播速度与岩体围岩裂隙相关的原理，使用“一发双收”探头测定测孔周围的岩石破碎程度，绘制“深度-声波速度”曲线，从而判断围岩松动圈厚度。整个测试设备简单，操作方便，在使用水作为糅合剂时，可以由探测到的声波强度和现场孔壁漏水情况，分析围岩的破碎程度并得出松动圈的厚度。结合松动圈理论，可以有效测试围岩松动圈的厚度并判断围岩的破碎程度，能合理分析巷道壁面破坏以及底臌的原因。甘肃金川矿区是我国最大镍矿资源生产基地，二矿区地下基建已经到达850 m，距离地表达1 km左右。金川深部地区井巷变形破坏严重，在喷锚支护段，巷道侧壁和顶板喷层脱落，锚杆端部破坏并不明显，而是连同围岩一起向巷道临空面发生收敛，只有少量的锚杆端部钢垫板破裂，并没入岩体内部。许多地段的巷道底臌非常严重，导致巷道返修周期短，有的甚至只有1 a。因此，运用声测法准确测量其巷道松动圈厚度，分析其失稳原因对改进巷道支护方式、提高巷道服务年限具有重要的意义，同时，也可以为同类型的矿山起到借鉴作用。

1  声波测试原理及仪器

1.1  松动圈声测法原理

根据弹塑性介质中波动理论，应力波波速^[10]为

           (1)

式中：E为围岩的弹性模量，GPa；ρ为围岩的密度；μ为围岩的泊松比。

从式(1)可以看出，超声波在围岩中的传播参数(声速、声波幅度、衰减系数等)与围岩的物理力学指标(动态弹模、密度、强度等)有关。若围岩裂隙发育程度大、破裂度高，则波阻抗越大、实测声速就越小；反之，若裂隙不发育、破裂度不高，则波阻抗越小、实测声速也就越大^[11]。因此，可以根据松动圈理论，利用超声波测出在巷道周边不同深度的声波速度，并绘制出深度-声波速度曲线图，结合围岩的具体情况，分析、判断围岩松动圈的厚度。

1.2  测试仪器

本次测试使用武汉中科智创生产的RSM—SY7超声波自动循测仪主机和一发双收探头进行单孔测试，并运用其RSM—SY7采集程序和声波测孔分析软件进行了数据采集和分析。测试原理分别如图1所示。

计算声波速度v所使用的计算公式^[11]为

              (2)

式中：t₁为声波从发射探头传到接受探头1的所需时间；t₂为声波从发射探头传到接受探头2的所需时间；L₁为发射探头与接收探头1之间的距离；L₂为发射探头与接收探头2之间的距离。

1.3  测试步骤

(1) 选取要测试的巷道断面并布置测点，然后在测试点处钻孔。

图1  声波测试原理

Fig. 1  Principle of acoustic testing

(2) 将圆管状声波探头置入钻孔底部，给橡胶囊充气堵口，孔内注水以使探头与孔壁有良好的声耦合。

(3) 控制主机开始探测，观测波形变化，波形稳定后即可以进行采样、保存，然后把传感器向外拉到下一个点的位置测试，直至孔口测试完毕。

2  测点布置

测试工作在金川二矿区内完成，选择断面时，为了研究巷道开挖后不同时间段和返修前后的松动圈情况，选择3个断面进行研究。1号断面和2号断面分别位于已使用1 a的为返修和已返修的850分斜坡道上，3号断面位于刚开挖还未进行支护的978探矿道掌子面上。根据巷道施工情况，1号与2号断面进行全断面测试，3号断面只进行半个巷道断面测量。巷道断面测孔分布如图2所示。

图2  巷道断面测孔分布图

Fig. 2  Measured holes in roadway sections

3个断面布置的测孔进行单孔测量时每2个测点之间的移距为0.2 m。使用声波仪测量并收集、保存数据。待所有测孔的数据都收集完后，再用声波测孔分析软件进行数据分析、人工判读并得出结果。测试结束后整理得到的2号断面2-3号测孔深度-孔深曲线如图3所示。

图3  2号断面3号测孔深度-孔深曲线图

Fig. 3  Graph of depth-speed of sound in 2-3 hole of No. 2 roadway section

3  测试结果

在1号断面测孔进行第1期测量时，放入声波探测仪后进行注水糅合，大部分水顺着破裂缝隙流走，即使封闭孔口，孔内保水性依然较差。受此影响，在孔径方向向上倾斜的孔内测试数据时，接收端接收到的信号时有时无，有的测点甚至完全探测不到信号，而孔径向下的1-1，1-2，1-3号孔内的测试则没有受到影响。为了得出松动圈的厚度，进行了第2期测量，使用更强的水压，并加强孔口的堵水，得出了其余大部分测孔的数据。2次测试结束后，巷道周边离测孔很远的地方有少量水渗出，其1号巷道的2期测试的数据整理如表1所示。

在2号断面测孔进行第1期测量时，向上倾斜的2-6，2-7与2-8号测孔的数据测试出现和1号断面相同的情况，因此，在第2期测量时对这几个孔经行重新的测量，得出大部分孔的松动圈厚度。但前后2期在2-1号测孔测量数据，往孔注水糅合时，孔内面一直都没有水，无法进行松动圈测量工作，2号巷道的2期测试数据整理如表2所示。

在3号断面测孔进行第1期测量时，向上倾斜的3-4，3-5和3-6号孔封闭孔口并注水糅合后，接受探头不能接收到信号，拿走橡胶囊，孔内只有少量水流出。在第2期测量时，即使使用更强的水压以及加强孔口的堵水性，孔内内面依然不能保有水，无法进行测量。前后2期测量时可以明显地看到巷道周边的破裂缝中有水流出。在向下倾斜的3-1，3-2，3-3号孔内探测数据时，接收探头接收到的信号比1号和2号断面强烈。前后2期测试得到的数据统计并分析后的结果如表3所示。

1号和2号断面测孔布置呈对称分布，1-7号孔的松动圈厚度由于施工原因无法测试，因此肩部的松动圈厚度以1-6号孔中的为准。2号断面巷道经底板中央2-1号测孔水流走速度快，推测巷道底板下面存在断层，2-7号孔的松动圈厚度由于施工原因无法测试，因此，肩部的松动圈厚度以2-6号孔中的为准。3号断面只有右边巷道钻孔测试，所以，巷道松动圈厚度以右边为准，巷道顶部和肩部岩石裂隙贯通，第2期测量时，孔中水流走速度极快，其松动圈厚度大于孔深。分析得出3个断面的巷道松动圈厚度如图4所示。

表1  1号巷道断面松动圈厚度

Table 1  Thicknesses of surrounding rock loose zone in No. 1 roadway section

表2  2号巷道断面松动圈厚度

Table 2  Thicknesses of surrounding rock loose zone in No. 2 roadway section

表3  3号巷道断面松动圈厚度

Table 3  Thicknesses of surrounding rock loose zone in No. 3 roadway section

图4  3个巷道断面松动圈示意图

Fig. 4  Surrounding rock loose zones in there roadway sections

4  分析与讨论

使用声波探测仪进行测试时，1号和2号断面测孔中测试到的信号稳定性比3号断面测孔中测试到的信号稳定性差，在相同发射频率下，其接收探头接收到的信号强度也相对较低，表明1号和2号断面的围岩裂隙多，破裂程度大。由表1~3可知：1号和2号断面的松动圈厚度比3号断面相同部位的松动圈厚度要大，表明巷道在掘进后，松动圈的厚度会随着时间的延长有所变大，最终趋于稳定；2号已返修断面和3号未返修断面相比，松动圈厚度平均减少0.28 m，表明巷道返修后，松动圈厚度并没有很大程度地减小。因此，除地应力和围岩类型外，初次支护设计对于巷道松动圈厚度也有重要影响。

3号巷道两帮进行松动圈测试时，虽然巷道壁上的破裂缝中有水流出，但从测试结果看，其巷道围岩松动圈厚度小，围岩破碎程度不大，但完整岩块之间充满裂缝，且裂缝未闭合，形成贯通裂隙，导致测孔中水流到巷道侧壁。1号巷道和2号巷道侧壁的围岩破碎程度大，松动圈厚度大，测试时，巷道壁面水极少，表明围岩已被压实。经分析可知，巷道在开挖初期，围岩在高应力作用下变得破裂，其自身起到了天然的卸压作用，有效保护了巷道底板的稳定，因此，巷道开挖初期底臌并不明显。在巷道两帮发生卸压作用的同时，两帮岩体发生破碎，体积变大，在支护后，两帮围岩在受到挤压，逐步被压实，压紧后，应力继续向底板传递，当巷道两帮集中应力超过底板岩体的极限承载力时，地板岩层发生剪切破坏，引发了巷道底臌^[12]。

在第1期的松动圈测试中，3个断面顶板和肩部的测孔封闭孔口后往孔内注水时，绝大部分水顺着围岩裂缝流走，停止注水，拔出堵口橡胶囊，孔中流出的水也极少，即使在第2期探测中，加大水压，加强孔口的堵水性，所测试的信号强度和稳定性也比巷道侧壁和底角的测孔中所探测信号的差，说明巷道顶板和肩部的围岩比巷道底板和地角的岩石更加破碎，裂隙也相对较多。分别对比图6中测出的3个断面的松动圈厚度可知：位于巷道顶板、肩部松动圈厚度比位于两帮、底角的松动圈厚度要大。在金川巷道支护时，应在顶板和底角使用长度大于2.5 m的锚杆进行锚固，必要时可以使用锚索进行加固支护。

对比表1~3中的3个巷道的底角处的松动圈厚度，刚开挖的1号巷道底角松动圈厚度只有1.75 m，且现场观测的巷道底鼓不明显，已返修的2号巷道底角松动圈厚度也小，平均只有1.825 m，其巷道底鼓也不明显。然而，未返修的3号巷道底角松动圈厚度大于2.45 m，厚度大且巷道底鼓明显。表明巷道底角围岩的完整、松动松动圈厚度较小时，能承受较大的承载力，变形和位移小，对底板的影响也小；当巷道底角围岩破碎、松动圈厚度较大时，其能承受的承载力有限。巷道开挖后，由于底角围岩属于应力集中区，于是，在底角基角部位产生塑性滑移线^[13]，岩石破碎，移动较大，其对巷道底臌也有较大的影响。

5  结论

(1) 使用声测法测量巷道松动圈的厚度，当以水作为糅合介质时，可以结合孔中漏水速度判断围岩破碎程度，为巷道支护中锚杆长度的设计提供依据，并优化巷道联合支护方案。

(2) 巷道掘进支护一段时间后，巷道松动圈厚度趋于稳定，即使返修后，巷道松动圈厚度稍微减小，因此，合理的初次支护设计与施工对巷道松动圈厚度具有重要影响。

(3) 巷道底角和顶板的围岩松动圈厚度大，两帮的围岩松动圈厚度小，加强对巷道顶板的支护，加固顶板的围岩，提高其承载能力，能降低从顶板传递给巷道两帮的应力，使两帮对底板岩体的集中力在其极限承载力内，避免其发生剪切破坏；加强对底角的支护，加固底角围岩，提高其承载力，减少其发生塑性滑移的概率。两者都能有效地阻止巷道底鼓的发生。

(4) 巷道掘进后，围岩随着时间的延长松动圈厚度会有所变大，破裂程度也会升高，在后期返修锚固结束后，应该注浆加固围岩，以提高锚固支护效果，缩短维修周期并减少巷道维修费用。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-08-03；修回日期：2013-10-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274249)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014zzts264)

通信作者：曹平(1959-)，男，湖南祁东人，教授，博士生导师，从事岩土工程理论、实验研究；电话：13973128263；E-mail：pcao_csu@tom.com