徐世達(dá)，陳治洋，雷 剛

(東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

松動(dòng)圈理論最早由采礦專家提出，20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展完善，并在最近十幾年得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。井下巷道的開挖不可避免地打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)集中應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度時(shí)，巖體發(fā)生破壞，應(yīng)力集中向巖體深處轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，巷道周圍形成的破裂帶即為松動(dòng)圈。松動(dòng)圈是礦山巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。因此，準(zhǔn)確確定巷道圍巖松動(dòng)圈對(duì)于降低支護(hù)成本、保障礦山安全具有重要意義。

目前，常用的巷道圍巖松動(dòng)圈測試方法主要有聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法、鉆孔攝像法等，但聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、鉆孔攝像法等需要鉆孔，在局部區(qū)域測量圍巖松動(dòng)圈時(shí)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是聲波法，但很難大面積推廣[2]。地質(zhì)雷達(dá)法是近二十年發(fā)展起來的新方法，具有分辨率高、快速、經(jīng)濟(jì)、靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，在隧道工程和礦山工程中得到了廣泛應(yīng)用。

楊永杰等[3]采用地質(zhì)雷達(dá)探測了華豐礦巷道圍巖松動(dòng)圈，并優(yōu)化了巷道圍巖錨桿設(shè)計(jì)；姜德義等[2]采用地質(zhì)雷達(dá)研究了地質(zhì)偏壓隧道圍巖松動(dòng)圈分布變化規(guī)律，揭示了隧道圍巖破壞模式和初襯開裂原因，并提出了治理措施；蔣邦友等[4]依據(jù)探地雷達(dá)松動(dòng)圈探測機(jī)理，確定了圍巖松動(dòng)圈范圍，據(jù)此對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化；伍永平等[5]基于巷道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測結(jié)果，改進(jìn)了巷道斷面形狀，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖穩(wěn)定性控制；齊彪等[6]基于地質(zhì)雷達(dá)探測和圍巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，制定了巷道圍巖穩(wěn)定綜合分類表與巷道支護(hù)方案選擇標(biāo)準(zhǔn)；舒忠磊等[7]采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)荊西隧道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行了探測，揭示了突水突泥災(zāi)害對(duì)圍巖松動(dòng)圈的影響；曹樹剛等[8]基于巷道松動(dòng)圈雷達(dá)測試和圍巖破壞3DEC模擬，優(yōu)化了巷道支護(hù)方案；宋宏偉等[9]基于地質(zhì)雷達(dá)揭示了巷道斷面不同部位松動(dòng)圈厚度的差異；陳秋南等[10]通過隧道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測頻譜分析，確定了隧道松動(dòng)圈范圍；郭亮等[11]采用地質(zhì)雷達(dá)研究了偏壓隧道圍巖松動(dòng)圈分布特征，為隧道的支護(hù)、施工提供了技術(shù)支持。

本文采用SSP地質(zhì)雷達(dá)測試與聲波測試相結(jié)合的方法探測阿舍勒銅礦深部采區(qū)巷道圍巖松動(dòng)圈厚度，驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)探測巷道圍巖松動(dòng)圈的可行性，并基于地質(zhì)雷達(dá)大面積探測礦山巷道松動(dòng)圈分布，供礦山巷道支護(hù)參考借鑒。

1 阿舍勒銅礦概況

阿舍勒銅礦位于新疆阿勒泰地區(qū)，是我國第二大銅礦，銅工業(yè)儲(chǔ)量近92萬t。阿舍勒銅礦Ⅰ號(hào)礦體銅金屬量占礦床總儲(chǔ)量的97.43%，礦體走向長度853 m，目前開采深度約為900 m，礦體東翼平均厚度為45 m，西翼平均厚度為20 m，傾角為55°～85°，具有走向長度短、埋藏深、儲(chǔ)量大和水平厚度大等特點(diǎn)。礦體賦存于阿舍勒組第二巖性中亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r上部。礦體形態(tài)嚴(yán)格受地層及向斜構(gòu)造控制，橫斷面呈“魚鉤”狀，水平斷面呈“鐮刀”狀。礦體總體呈南北向分布，阿舍勒銅礦礦石品位2.43%，主要礦物為黃銅礦，鋅和硫共生。礦體頂板主要為下亞段的玄武熔巖層，底板為上亞段的英安質(zhì)沉凝灰?guī)r、含礫沉凝灰?guī)r。

2 深部巷道圍巖松動(dòng)圈深度探測

2.1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)是探測地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。雷達(dá)向巖石介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)巖體深處巖層或目標(biāo)體反射后由雷達(dá)接收。巖體中的節(jié)理、裂隙等會(huì)引起電性差異，地質(zhì)雷達(dá)通過記錄電磁反射波信號(hào)的信息，便可獲得不同形式的剖面圖，判斷出異常體的位置、幾何形態(tài)等。地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖見圖1[9]，反射界面深度z可用式(1)求得。

z=(t2v2-x2)1/2/2

(1)

式中：t為電磁波走時(shí)；v為電磁波傳播速度，數(shù)值上等于電磁波在真空中的傳播速度與介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)二次方根的比值；x為雷達(dá)發(fā)射天線與探頭間的距離。

圖1 電磁波測試原理Fig.1 Measuring principle of electromagnetic wave

井下巷道圍巖松動(dòng)圈內(nèi)有許多裂隙，巖體呈松弛狀，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波在其內(nèi)部傳播，當(dāng)電磁波經(jīng)過松動(dòng)圈與完整巖體的交界面時(shí)，由于電性差異，將產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁波反射。因此，可以根據(jù)雷達(dá)接收到的電磁波反射圖像來確定巷道圍巖松動(dòng)圈的范圍，即松動(dòng)圈厚度。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備

本次測試?yán)走_(dá)采用南非Reutch Mining公司生產(chǎn)的Sub Surface Profiler(SSP)便攜式地質(zhì)雷達(dá)。SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)可以快速準(zhǔn)確地辨別距表面6 m范圍內(nèi)的巖體構(gòu)造，一般可探測深度達(dá)8 m，重量小于4.5 kg，采用可充電電池供電，便于攜帶，現(xiàn)場成像。SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)主要由探頭、平板電腦和手柄三部分組成。其中，探頭包含圓滾輪和支架，圓滾內(nèi)置有雷達(dá)發(fā)射器和接收傳感器。SSP雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)通過無線通訊輸入便攜平板電腦，現(xiàn)場操作人員可即時(shí)獲取巖體構(gòu)造特征。

2.3 深部巷道圍巖松動(dòng)圈厚度探測

采用SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)探測-200 m、50 m中段巷道圍巖松動(dòng)圈厚度，測試位置為巷道兩幫距地面1 m高處，測試時(shí)手持SSP雷達(dá)手柄，將手柄與巷道幫壁盡量保持垂直，勻速沿巷道方向行走。雷達(dá)增益設(shè)置為40 dB。同時(shí)，在50 m中段分別選取穿脈巷道、沿脈巷道兩處測點(diǎn)，利用RSM-SY5(T)型數(shù)字超聲波儀探測圍巖松動(dòng)圈范圍。聲波測孔直徑50 mm，下傾5°。

3 探測結(jié)果分析

3.1 地質(zhì)雷達(dá)探測可靠性分析

圖2是阿舍勒銅礦50 m中段選取的兩處SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)探測與聲波測試對(duì)照測試結(jié)果。依據(jù)聲波測試松動(dòng)圈判定標(biāo)準(zhǔn)，未經(jīng)擾動(dòng)的穿脈巷道波速在孔深1.4 m處達(dá)到最小，相鄰采場已開采的沿脈巷道波速在孔深1.9 m處達(dá)到最大，判定穿脈巷道、沿脈巷道測點(diǎn)松動(dòng)圈厚度分別為1.4 m和1.9 m。圖2(a)顯示巷道表面向巖體深處的1.1 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育程度較高。在巷道表面至巖體深處1.4 m時(shí)，仍然有明顯的裂隙；當(dāng)超過1.4 m時(shí)，巖體無明顯連貫性較好的裂隙，因此依據(jù)SSP雷達(dá)探測圖可以判定該處巷道圍巖松動(dòng)圈約為1.4 m。圖2(b)顯示巷道幫壁1.9 m深度存在與巷道方向相同的連貫裂隙，因此判定該處巷道圍巖松動(dòng)圈厚度為1.9 m?；赟SP便攜式地質(zhì)雷達(dá)探測的巷道圍巖松動(dòng)圈與基于聲波測試的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度基本一致，因此，采用SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)，能夠快速、準(zhǔn)確地測試出巷道圍巖的松動(dòng)圈厚度。

3.2 開采擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈厚度的影響

50 m中段巷道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測結(jié)果表明，開采擾動(dòng)前，穿脈、沿脈巷道圍巖松動(dòng)圈厚度無明顯差異，為1.4～1.7 m。但采場開采擾動(dòng)對(duì)該采場的穿脈巷道、上下盤沿脈巷道圍巖松動(dòng)圈厚度有明顯影響。圖2(a)是50 m中段未開采采場穿脈巷道松動(dòng)圈雷達(dá)探測圖像，圖3是開采采場穿脈巷道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測圖像。受開采擾動(dòng)的巷道圍巖松動(dòng)圈范圍明顯增大，在距離巷道幫壁1.9 m深度，形成了明顯的裂隙，表明開采擾動(dòng)后的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度為1.9 m。

圖2 SSP地質(zhì)雷達(dá)探測與聲波探測結(jié)果對(duì)照?qǐng)DFig.2 Results comparison of SSP geological radar detection and sound wave test

在不同位置的沿脈巷道中也觀察到了同樣的現(xiàn)象。圖4是50 m中段沿脈巷道松動(dòng)圈探測圖像。采場開采擾動(dòng)后，沿脈巷道圍巖松動(dòng)圈厚度增大至2.0 m，明顯大于開采擾動(dòng)前的1.4～1.7 m；開采擾動(dòng)后的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度為1.6～2.0 m。

圖3 開采擾動(dòng)后50 m中段穿脈巷道雷達(dá)探測圖像Fig.3 Radar graph of branch drift after mining disturbance at the 50 m level

圖4 開采擾動(dòng)后50 m中段沿脈巷道雷達(dá)探測圖像Fig.4 Radar graph of main drift after mining disturbance at the 50 m level

3.3 -200m中段巷道圍巖松動(dòng)圈

阿舍勒銅礦-200 m中段目前正施工采準(zhǔn)工程，無采場分布。圖5是-200 m中段巷道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測圖像。盡管未經(jīng)開采擾動(dòng)，但該處巷道松動(dòng)圈已接近1.9 m。綜合-200 m中段巷道圍巖松動(dòng)探測結(jié)果，該中段松動(dòng)圈厚度為1.6～1.9 m，明顯大于50 m中段開采擾動(dòng)前的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度。

圖5 -200 m中段巷道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測圖像Fig.5 Radar graph of drift at the -200 m level

目前國內(nèi)大多數(shù)礦山支護(hù)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或者簡單依據(jù)區(qū)域、巷道類型劃分支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，未能依據(jù)礦山開采過程中巷道圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展演化規(guī)律制定針對(duì)性的支護(hù)方案，浪費(fèi)支護(hù)材料，無法達(dá)到理想的支護(hù)效果。隨著便攜式雷達(dá)探測技術(shù)的發(fā)展，礦山能夠更快捷、經(jīng)濟(jì)、有效地識(shí)別松動(dòng)圈范圍，進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，改善支護(hù)效果。

4 結(jié) 論

1) 基于SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)探測的巷道圍巖松動(dòng)圈與基于聲波測試的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度基本一致，采用SSP便攜式地質(zhì)雷達(dá)，能夠快速、準(zhǔn)確地探測巷道圍巖的松動(dòng)圈厚度。

2) -200 m中段巷道圍巖松動(dòng)圈厚度為1.6～1.9 m，明顯大于50 m中段開采擾動(dòng)前的巷道圍巖松動(dòng)圈厚度。

3) 開采擾動(dòng)明顯加深了采場臨近巷道圍巖松動(dòng)圈厚度。阿舍勒銅礦50 m中段開采擾動(dòng)前，巷道圍巖松動(dòng)圈厚度為1.4～1.7 m，開采擾動(dòng)后為1.6～2.0 m。