軟巖巷道監(jiān)測設計與應用研究

趙爾丞

( 蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州730000)

礦山開采會遇到各種復雜的地質(zhì)條件，其中的地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量的膨脹性黏土礦物的松、散、軟、弱層。當巷道穿越此類軟巖時，不但會增加巷道維護費用而且降低巷道穩(wěn)定性。為了弄清巷道變形規(guī)律以及圍巖應力變化特征，就必須建立監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)軟巖區(qū)域巷道的適時監(jiān)控。巷道監(jiān)測在礦山中應用較為普遍，通過獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而為支護方案優(yōu)化提供保障。劉泉聲等［1］對淮南朱集礦軌道巷兩幫進行了收斂、拱頂沉降、底臌和錨索拉力的現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了該處巷道圍巖變形和錨索拉力的變化趨勢。路世豹等［2］通過對二礦區(qū)地下巷道的長期變形監(jiān)測，提出二次支護與巷道破壞后的重新支護宜強不宜弱的論點與地壓控制措施。劉鋒珍等［3］針對一些新建礦井施工后，巷道變形嚴重，在變形數(shù)值模擬及施工巷道變形監(jiān)測的基礎上，制定相應的支護預案。王黎明等［4］探討了將三維激光掃描技術應用于山東金嶺鐵礦巷道快速變形監(jiān)測中，并提出了初步方案。肖海平等［5］將灰色系統(tǒng)理論模型預測結果與礦山變形監(jiān)測結果對比，很好地預測出了礦山的變形趨勢。高井祥等［6］研究了用全站儀進行礦區(qū)三維變形監(jiān)測。曹野［7］建立了長期實時監(jiān)測的金屬礦山巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測、診斷、預警體系。唐禮忠等［8］針對冬瓜山銅礦深部開采巖爆問題，建立了連續(xù)監(jiān)測巖爆的微震監(jiān)測系統(tǒng)。劉建坡等［9］結合紅透山銅礦深部地壓的特征，也建立了相應的微震監(jiān)測系統(tǒng)，用于礦山深部開采安全預測。劉培正等［10］采用FLAC3D研究殘留礦柱回采，并指導現(xiàn)場監(jiān)測點的優(yōu)化布置。

本研究設計了軟巖區(qū)域巷道變形和應力監(jiān)測的方案，某礦山頁巖區(qū)域巷道的監(jiān)測實踐驗證了方案的可行性，為頁巖區(qū)域巷道支護工作提供了寶貴的資料。

1 監(jiān)測系統(tǒng)建立

1.1 監(jiān)測必要性及作用

考慮到圍巖地質(zhì)條件的復雜性，巷道開挖過程中采用的施工方法、施工順序、支護措施、支護時機以及圍巖自身性質(zhì)等諸多因素，巷道的設計、施工和監(jiān)測等環(huán)節(jié)對于巷道穩(wěn)定性研究非常重要。當前，礦山巷道的施工普遍采用新奧法，新奧法通過工程類比對巷道支護結構及參數(shù)進行預設計，結合相應的監(jiān)測工作對設計進行修改和完善，確保巷道施工的安全與可靠，監(jiān)測工作對巷道施工的質(zhì)量也起到了檢驗作用。結合監(jiān)測結果，可以對穩(wěn)定性較差區(qū)域及時采取加固措施，確保巷道的長期穩(wěn)定。因此，巷道圍巖的應力應變監(jiān)測是確保軟巖區(qū)域資源開發(fā)的保障。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容及元器件

設計巷道支護方案、分析巷道穩(wěn)定性時，要結合巷道所處地層原巖應力情況，確定合理的支護設計方式，以便巷道開挖支護后能充分發(fā)揮支護效果，在規(guī)定的周期內(nèi)能保證巷道的穩(wěn)定性。同時，分析巷道穩(wěn)定性時，應充分了解巷道不同深度圍巖應力情況，及時了解巖石應力變化。在巷道斷面處布置監(jiān)測斷面和監(jiān)測點安設鉆孔安裝壓力計對巷道圍巖不同深度巖石應力進行實時監(jiān)測，在應力變化大時能及時做出預警。

監(jiān)測內(nèi)容包括圍巖應力監(jiān)測、以及變形監(jiān)測。設計結合軟巖變形破壞特征、施工方法和常用礦山地壓手段，兼顧可靠、經(jīng)濟、簡便的原則，其中軟巖應力監(jiān)測可以采用鉆孔應力計，巷道圍巖位移監(jiān)測采用多點位移計。監(jiān)測方案也需要考慮對巷道施工及運輸?shù)挠绊?，選取典型的軟巖區(qū)域布置監(jiān)測斷面，以距離最短為原則選擇監(jiān)測單元數(shù)據(jù)采集點位置。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域軟巖地質(zhì)條件，設計合適的監(jiān)測系統(tǒng)方案，實時收集監(jiān)測單元采集到的數(shù)據(jù)，用于巷道的穩(wěn)定性分析。

考慮到軟巖的特征，采用振弦式壓力計，在土石壩、土堤、邊坡、路基等工程中應用較為廣泛，可以有效監(jiān)測地質(zhì)軟巖內(nèi)部的壓應力變化，振弦式土壓力計具有智能識別功能及監(jiān)測功能。考慮到地質(zhì)軟巖裂隙發(fā)育，因此，容易受積水影響，因此，監(jiān)測設備的防水型性能必須要好。JTM －V2000B 型壓力計引出的電纜經(jīng)過二次密封，因此，防水能力強，具有穩(wěn)定可靠的監(jiān)測效果，能夠滿足軟巖區(qū)域復雜地質(zhì)條件需要，主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 JTM－V2000B 壓力計主要技術指標Table 1 The main technical specifications of manometer

當被測圍巖應力變化時，壓力計的感應板將產(chǎn)生變形，并傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結構物的壓應力值。在系統(tǒng)監(jiān)測出儀器的頻率、溫度后，根據(jù)記錄的儀器編號等相關參數(shù)，可按下式計算土壓力值:

其中，P 為被測土壓力值，MPa; K 為儀器標定系數(shù)，MPa/Hz2; fi為土壓力計實時頻率，Hz; f0為土壓力計初始( 安裝前) 頻率，Hz; b 為土壓力計的溫度修正系數(shù)，MPa/℃; Ti為土壓力計的實時溫度，℃; T0為土壓力計的初始溫度，℃。

位移監(jiān)測可采用多點位移計，它是一種監(jiān)測深部巖體位移的有效手段，在巖體中鉆孔后，在孔內(nèi)不同深度埋設測點固定錨頭。與錨頭連接的測桿外用護管與灌漿水泥沙漿隔開，上部設位移讀數(shù)裝置來量測沿鉆孔軸線上不同深度的測點位移變化。

巷道開挖后，圍巖內(nèi)部會發(fā)生彈塑性變形，通過埋設的多點位移計可以監(jiān)測到不同深度的位移變化趨勢。如果監(jiān)測點靠近掌子面，還可以獲取測點位移隨開挖面推移的變化情況，多點位移計徑向各點累計變形隨時間增長的變化幅度存在差異，因此可以把圍巖內(nèi)部的變形分成若干區(qū)域，根據(jù)多點位移計埋設點徑向距確定松動圈范圍，判斷圍巖的穩(wěn)定性。

同樣考慮到軟巖的特殊性，可選取VWM 型振弦式多點位移計。它適用于監(jiān)測水工結構物或土壩、土堤、邊坡、隧道等，獲取圍巖深層多部位的位移、沉降、應變、滑移等值，還可同步測量監(jiān)測點的溫度。多點位移計的傳感器為VWD 型振弦式位移計，由位移計加裝配套附件而組成。其中的敏感測量元件與固定機架的材料線膨脹系數(shù)接近，經(jīng)試驗溫度修正系數(shù)甚小，使用中不需要溫度修正。

表2 部分多點位移計主要技術指標Table 2 Main technical specifications of part of multi-point displacement meters

當圍巖變形時，通過多點位移計的錨頭帶動測桿，測桿再拉動拉桿產(chǎn)生位移變形，位移變形傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結構物的變形量。一般的計算公式為

其中，Lm為被測結構物的位移量，mm; K 為多點位移計的測量靈敏度，mm/F; ΔF 為多點位移計實時測量值相對于基準值的變化量，F(xiàn); h 為測桿長度，mm; α為測桿的線膨脹系數(shù)，10－6/℃。ΔT 為溫度實時測量值相對于基準值的變化量，℃; F 為多點位移計的實時測量值，F(xiàn);F0為多點位移計的基準值，F(xiàn)。T 為溫度的實時測量值，℃;

2 監(jiān)測點布置

測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了巷道斷面典型區(qū)域內(nèi)圍巖的應力及變形規(guī)律。巖體應力、位移開挖過程中就開始顯現(xiàn)，巷道表面應力釋放，由初始三維應力狀態(tài)變?yōu)槎S應力狀態(tài)。支護和圍巖的共同作用對圍巖的應力、位移等具有控制作用。在地應力影響下，圍巖流變的時效性，巷道圍巖應力、變形等也一直持續(xù)。

圖1 為典型布置方式，在進行現(xiàn)場監(jiān)測時，可以結合巷道圍巖的實際情況進行優(yōu)化布置，從而監(jiān)測穩(wěn)定性最差的特殊區(qū)域。例如緩傾斜薄層狀巖體中，考慮到巷道頂?shù)装逯g變形和沿軟弱夾層剪切滑動變形。頂?shù)装鍦y點布置方式可以不變，但兩幫可采用與巖層方向基本平行的布置方式，這樣就可以充分了解沿軟弱夾層的剪切滑移量。

3 現(xiàn)場巷道監(jiān)測

圖1 典型監(jiān)測點位布置Fig.1 Typical arrangement of monitoring points

某鋁土礦位于河床之下，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜，區(qū)內(nèi)的主要圍巖為泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖等，其中泥質(zhì)灰?guī)r較為穩(wěn)定，但是礦區(qū)泥質(zhì)頁巖、鐵質(zhì)頁巖為典型的軟巖，其節(jié)理、裂隙發(fā)育，黏土物質(zhì)硬化形成的微小顆粒易裂碎，很容易分裂成為明顯的巖層，成分復雜，除黏土礦物外，還含有許多碎屑礦物和自生礦物，因此，選取典型頁巖區(qū)域進行礦區(qū)巷道的監(jiān)測。

采用監(jiān)測站數(shù)據(jù)記錄儀實現(xiàn)自動監(jiān)測，并且進入相關數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測系統(tǒng)同樣具備人工觀測條件，觀測人員可攜帶讀數(shù)儀或筆記本電腦到各監(jiān)測站讀取數(shù)據(jù)。遠程終端采集單元MCU 管理中心數(shù)據(jù)處理部分。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與控制單元MCU －32 型、測量模塊、無線通信模塊GPRS、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件、后方控制計算機組成。自動測量單元型號為MCU －32，包含振弦測量模塊GDA1102、智能測量模塊GDA1105、串口服務器網(wǎng)橋、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件V1.6、傳感器等。

圖2 典型巷道應力監(jiān)測曲線Fig.2 Typical stress monitoring curve in roadway

圖2 為某監(jiān)測點圍巖應力變化的典型曲線，可知該處圍巖的應力較小。由于巷道距離離地表約150 m，本身的地應力不高，因此，巷道支護受地應力影響較小，同時由于軟巖開挖后的塑性變形相對較大，因此，監(jiān)測點的應力會隨著圍巖變形而減小，地應力向圍巖內(nèi)部轉移。表層的軟巖由于變形較大，也會逐漸失穩(wěn)，導致巷道穩(wěn)定性變差。通過軟巖應力的監(jiān)測，獲取了相應的應力值，可以用于指導支護設計及巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算。

圖3 典型巷道位移監(jiān)測曲線Fig.3 Typical displacement monitoring curve in roadway

圖3 為某監(jiān)測巷道兩幫軟巖位移的典型曲線，在開挖后60 d 內(nèi)，軟巖的位移變化較快，尤其是最初的30 d，曲線斜率更陡，隨后逐漸放緩，60 d 以后巷道兩幫的位移逐漸趨于穩(wěn)定。該處巷道地下水不發(fā)育，但是雨季時，由于礦區(qū)位于低洼的河床之下，且斷層、裂隙發(fā)育，因此，巷道開挖后應控制好二次支護的時機，充分發(fā)揮圍巖和支護體的相互作用，確保巷道穩(wěn)定。

4 結 論

(1) 考慮到軟巖地質(zhì)條件的復雜性，在分析支護體與圍巖相互作用機理的基礎上，結合軟巖自身物理力學特征、施工方法等因素，針對軟巖開挖后的應力變化和軟巖變形問題，設計了基于JTM －V2000B 型壓力計和VWM 型振弦式多點位移計的監(jiān)測方案。

(2) 分析了JTM －V2000B 型壓力計和VWM 型振弦式多點位移計的監(jiān)測功能和特點，以及應力和位移監(jiān)測值的確定原則。設計了常規(guī)巷道監(jiān)測點布置方式，同時提出需要結合巷道圍巖的實際情況重點監(jiān)測穩(wěn)定性最差的特殊區(qū)域。

(3) 某鋁土礦的現(xiàn)場監(jiān)測展現(xiàn)了軟巖巷道開挖后的應力和位移變化趨勢。軟巖開挖后的較大塑性變形使表層巖體的應力減小，地應力逐漸向圍巖內(nèi)部轉移，圍巖也向巷道內(nèi)變形，導致巷道斷面縮小，巷道穩(wěn)定性變差。應力和位移的監(jiān)測結果可用于指導巷道支護設計和支護時機確定。

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