顶板诱导崩落工程覆岩裂隙的空间分布规律与共轭现象

陈庆发，林开汕，吴家有，周科平，高峰

(1.广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁，530004；2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

一般来说，岩体的力学性质、质量、变形破坏特征均由结构面和结构体控制[1-5]，覆岩内的裂隙连通面则是控制顶板诱导崩落工程中覆岩稳定性的结构面。覆岩的变形与破坏与覆岩内部存在的裂隙密切相关，其变形破坏过程实质上就是内部裂隙产生、扩展、相互作用直至贯通破坏的动态演化过程[6]，因此，研究顶板覆岩中裂隙的空间分布规律具有重要意义。

针对覆岩裂隙，BAECHER 等[7]提出采用结构面圆盘模型代替覆岩裂隙进行研究；谢和平等[8]提出适用于采动岩体裂隙的分形研究；张永波等[9]对采动岩体中裂隙分形规律进行了研究；王川婴等[10-11]提出钻孔裂隙结构面的正弦特征和函数表达式；周科平等[12-14]对顶板覆岩裂隙的产状、数量进行了统计分析；刘小平等[15]使用垂直地震剖面直达地震波研究了采动岩体裂隙特征及各向异性。在裂隙分布状态研究中，钱鸣高等[16]对覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征进行了研究；张金才等[17]提出了采动岩体覆岩中裂隙场“横三区”和“竖三带”的理论；YU 等[18]对覆岩裂隙分布及演化特征进行了分形描述；崔聪等[19]通过三维软件模拟发现上覆岩层“三带规律”的水平应力符合“压应力—拉应力—压应力”的变化。已有的关于岩体中裂隙空间分布的研究多数仅对裂隙产状相关的参数进行统计分析或是使用分形理论对某一区域的裂隙分布进行计算分析，对煤矿的覆岩裂隙带进行划分，但对金属矿山的覆岩整体中的裂隙空间分布规律没有详尽研究。

以广西铜坑矿92 号矿体连续采矿顶板诱导崩落工程为背景，通过在554 m高度硐室布置的预裂炮孔和放顶炮孔向下进行裂隙探测。以探测所得的裂隙数据为基础，构建裂隙赋存的三维数字模型，并从东西方向、深度方向、回采方向，综合开展顶板诱导崩落工程覆岩裂隙空间分布规律分析。

1 工程概况

1.1 工程背景

广西铜坑矿是一座大型地下矿山，矿体主要赋存于硅质岩中。含有矿体的硅质岩抗压强度最大达153 MPa，矿石坚硬，普氏系数为15.6，属于普氏I 级和II 级坚固岩石[20-21]，凿岩性差，爆破性好，矿体与围岩无明显界限。

矿区开采至今已有30 多年的历史，其上部细脉带和91 号矿体基本开采完毕，92 号矿体已成为开采的主矿体。无间柱连续采矿技术与工艺的发展和完善为92号矿体的开采提供了一条新的途径，但矿山使用无间柱连续采矿技术开采矿体后产生了大量采空区。若不对连续采矿后留下的大量采空区进行及时处理，则可能引发大规模的地压活动，威胁着矿山安全生产[22]。

在空区处理的技术上，92号矿体的品位较低，若完全采用充填的方式，则存在较大的技术难度。92 号矿体为缓倾斜矿体，矿体水平面积较大，采用诱导崩落矿体顶板技术处理空区较可行，即通过布置预裂硐室和放顶硐室，超前诱导顶板崩落，并在顶板覆岩中产生诱导次生裂隙，进而产生更多的连通结构面，使系统产生一个不可逆的力学失稳的过程，从而达到处理采空区的目的[23-25]。

1.2 工程布置

选取铜坑矿92 号矿体中T112～T115 为试验研究矿块。在东西方向上，以554 m高度处布置的西预裂硐室、放顶硐室、东预裂硐室划分覆岩；取回采步距为16 m，由北往南，按4个回采段(记为1段、2段、3段和4段)进行顶板诱导崩落工程施工。

连续采矿顶板诱导崩落工程布置在554 m水平位置，该水平至顶板下采空区的平均厚度约为35 m。东、西两端离开采边界3 m 各布置预裂硐室1 间，在硐室中间以1.1 m的间距布置单排预裂孔，硐室宽4 m，高3.8 m。单元内北端离开采边界3.5 m布置切割硐室，在硐室内以孔距4.0 m、排距4.5 m布置2列炮孔，切割硐室宽5 m，高3.8 m。在单元中央布置诱导放顶硐室，在硐室内以孔距4.0 m、排距4.0 m 布置2 列炮孔，诱导放顶硐室宽5 m，高3.8 m。根据矿内已有的钻孔设备特点以及工程地质条件，采用直径为165 mm的孔作为处理顶板的钻孔是比较合适的。

具体工程布置如图1 所示(其中h为高度)。当采空区顶板暴露面积达到一定程度后，采用人工爆破强制诱导工程耦合诱导顶板围岩失稳崩落的方法，在采场北端拉槽、削帮(削边壁)，东西两侧布置预裂孔，中间强制爆破，采用一次微差爆破成型工艺，即在采空区上方顶板围岩先实施空区两侧预裂爆破，控制顶板围岩裂隙发育和扩展范围，然后在采场空区中心利用爆破强制崩顶，形成诱导空间，实施强制爆破诱导工程弱化顶板围岩，最终实现诱导顶板崩落。

图1 顶板诱导崩落工程设计剖面图Fig.1 Longitudinal profile of the roof induced caving engineering design

1.3 现场监测钻孔布置

结合现场实际情况，对顶板诱导崩落工程后的顶板覆岩产生的裂隙带宏观状态进行数字式全息钻孔摄影探测和分析。在东、西硐室中分别选取监测钻孔，所选取的钻孔应满足：1) 测量钻孔在覆岩分布上具有代表性；2) 均匀分布在回采顶板上；3) 部分测孔贯穿顶板覆岩。具体测点监测钻孔的布置如图2所示。以554 m水平为基准，向下建立深度方向的坐标轴。根据以上的监测钻孔布置要求，将顶板诱导工程实施区域在纵向上分成1～4段不同的回采段；在横向上，根据554 m水平布置的西预裂硐室、放顶硐室、东预裂硐室划分，以此来探讨顶板诱导崩落覆岩裂隙空间分布规律。

图2 现场探测钻孔布置示意图(h=554 m)Fig.2 Schematic diagram of on-site detection drilling layout (h=554 m)

2 裂隙模型的生成

利用数字全息模拟技术，可得到钻孔内壁裂隙的真实影像[26]。使用3DMine数字软件，对顶板诱导崩落工程覆岩裂隙数据进行统计，并构建预裂钻孔裂隙赋存模型，见图3。

图3 预裂钻孔裂隙赋存模型示意图Fig.3 Schematic diagram of pre-crack borehole fracture occurrence model

3 覆岩裂隙空间分布规律分析

3.1 沿东西方向上的分布规律

顶板诱导崩落工程实施后，覆岩裂隙因受到回采扰动和强制爆破耦合诱导的共同作用，得到充分发育，使得裂隙产状特征在东西方向上有了质的变化。沿东西方向上分别统计西预裂硐室、放顶硐室、东预裂硐室的钻孔内探测所得裂隙倾角θ的分布情况，见图4。

由图4可知，裂隙倾角以急倾斜为主，并且各个硐室钻孔内赋存裂隙的倾角有着高度的相似性。裂隙倾角在80°以上的裂隙数占各自硐室布置钻孔中探测裂隙数量的75%及以上，其中，西预裂硐室、放顶硐室、东预裂硐室钻孔内裂隙倾角在80°以上的裂隙数分别占各自硐室探测裂隙数量的75%，75%和87%；裂隙倾角在50°以下的裂隙数占各自硐室探测钻孔中裂隙数量的10%及以下，其中，西预裂硐室、放顶硐室、东预裂硐室钻孔内裂隙倾角在50°以下的裂隙数分别占各自硐室探测钻孔中裂隙数量的10%，7%和3%。综上，各硐室钻孔中的裂隙倾角分布总体上呈现出高度的一致性，以急倾斜的倾角为主。

图4 沿东西方向上各硐室探测的裂隙倾角分布Fig.4 Inclination angle distribution of the cracks detected in each chamber along the east-west direction

分析裂隙沿东西方向上的倾向特征，选取处于不同硐室内的监测钻孔X44，B16 和D44，对钻孔中的裂隙倾向分布进行统计，并绘制对应的玫瑰图(见图5)[27]。

图5 沿东西方向上部分钻孔的倾向分布玫瑰图Fig.5 Rose diagram of the trend distribution of partial boreholes in the east-west direction

结合图5所示3个硐室探测钻孔内的裂隙数量与倾向分布可知，裂隙倾向分布总体上呈现出两帮裂隙倾向于集中、崩顶硐室裂隙倾向于发散的特点，裂隙数量分布由东至西呈现出由少至多的分布规律，如在X44 内钻孔裂隙数量为246 条，B16 钻孔内裂隙数量为144 条，D44 钻孔内裂隙数量为109条。

X44的钻孔裂隙受到预裂爆破扰动作用以及西硐室所处覆岩厚度较大的影响，裂隙会优先向预裂孔连心线方向发育；D44钻孔由于探测钻孔所处覆岩的厚度较小，预裂爆破之后，裂隙向东西方向发散，但东硐室测量的裂隙倾向于集中在回采方向；B16 钻孔中的裂隙分布由于受到装药结构、炮孔布置的影响，更多地表现出分散性的特点。

由图5可见：西硐室钻孔中的裂隙倾向玫瑰图中的圈数相比于其他硐室钻孔裂隙密集，结合裂隙数据可知，裂隙沿东西方向上的裂隙数量呈现出由少至多的分布规律，其主要原因是覆岩厚度发生变化，以及在回采扰动的影响下，厚度较薄的区域内裂隙更易连通，使得统计到的裂隙数量减少，但裂隙产状发育较明显。

3.2 沿深度方向上的分布规律

根据554 m水平高度处布置的3个硐室，向下统计各个硐室测量钻孔中的裂隙深度，并划分为6组不同的深度区间，分别对应[0,5]，(5,10]，(10,15]，(15,20]，(20,25]，(25,30] m裂隙深度。

假设不同硐室测量钻孔中的裂隙数量总数为nj(j=1， 2， 3)，处于不同深度区间内的裂隙总数为ni(i=1， 2， 3， 4， 5， 6)，在第i个深度区间上的裂隙数量分布比例系数为mi，则有

根据式(1)计算结果分析，绘制出裂隙数量分布比例系数与裂隙深度分组的关系，如图6所示。

由图6可见：在同一硐室内的钻孔裂隙数量符合正态分布，呈现出先增后减的规律。西预裂硐室钻孔内的裂隙分布的深度区间相比于其他2个硐室钻孔内的裂隙深度区间更加广泛。西预裂硐室钻孔内的裂隙数量分布于0～30 m 的深度区间；放顶硐室钻孔内的裂隙数量分布于0～25 m 的深度区间；东预裂硐室钻孔内的裂隙数量分布于0～20 m的深度区间，总体呈现出递减的趋势。

图6 沿深度方向上硐室钻孔裂隙数量分布比例系数统计图Fig.6 Statistical diagram of the distribution proportional coefficient of the number of borehole cracks in the chamber along the depth direction

对裂隙数量分布曲线进行拟合分析，得到深度方向上各硐室探测钻孔中的裂隙数量分布比例系数拟合曲线，如图7所示。

由图7可知，各个硐室探测钻孔中的裂隙数量分布均可用拟合函数表征，且拟合程度较好；位于不同硐室探测钻孔中的裂隙的数量分布比例系数拟合曲线均有1个峰值；位于各硐室探测钻孔中深度区间的裂隙数量分布比例系数存在差异，且分布曲线的趋势也各不相同，主要是各硐室所处区域的覆岩厚度和诱导工程炮孔装药结构不同所导致。

1) 西预裂硐室。图7(a)中，裂隙主要分布在5～30 m 的深度区间内，该硐室探测钻孔内的裂隙数量分布范围最为广泛，这主要是由于西硐室中顶板覆岩厚度比较大。经测量，西硐室所处的覆岩厚度范围为11～32 m；放顶硐室所处的覆岩厚度范围为11～27 m；东硐室所处的覆岩厚度范围为11～20 m。受西预裂炮孔装药结构影响，在西硐室预裂炮孔中探测所得的裂隙数量分布比例系数峰值对应的裂隙深度为15～20 m。

2) 放顶硐室。图7(b)中，裂隙数主要分布区间为5～25 m。与西硐室钻孔裂隙分布相比，放顶硐室中崩顶钻孔探测的裂隙分布所对应的深度区间集中程度更大，这是因为放顶硐室中监测钻孔用于强制崩顶，炮孔装药密度均大于两帮的预裂炮孔的装药密度。

图7 沿深度方向上各硐室的裂隙数量分布拟合图Fig.7 Fitting diagram of the distribution of the number of fissures in each chamber along the depth direction

3) 东预裂硐室。图7(c)中，裂隙主要分布区间为8～20 m。东硐室探测钻孔中的裂隙分布程度最集中，这主要是因为东硐室预裂钻孔所处的覆岩厚度较小，裂隙更易连通，使得东预裂钻孔上裂隙统计数量会比其他2个硐室探测钻孔中测得的裂隙数量更少。沿深度方向上，裂隙数量分布在总体上呈现出先增后减的抛物线型分布规律。而裂隙的倾角、倾向在深度方向上由于受到覆岩岩性和炮孔爆破时产生的扰动影响而未呈现出明显的分布规律。

3.3 沿回采方向上的分布规律

随着连续采矿顶板诱导崩落工程不断推进，在1段至4段回采方向上，裂隙空间分布也呈现出一定的变化规律。通过对1段X23、2段X37、3段X44、4 段X55 钻孔内的裂隙进行探测，绘制在钻孔内测得的裂隙倾角分布和深度区间上的裂隙数量分布图，即可得到沿回采方向上西硐室探测钻孔的裂隙倾角和深度区间的裂隙数量分布关系(见图8)。

从图8可见：总体上，随着连续采矿下诱导崩落工程沿回采方向不断向前推进(X23～X55)，裂隙的倾角分布特征主要以急倾斜的倾角为主；裂隙分布点大多数集中在图像的上端，而在图像中下部，以零散的裂隙分布点为主。沿回采方向上，裂隙数量分布位置有着向钻孔深度方向下移的变化规律。

图8中，X23监测所得的裂隙数量分布基本上对应3～12 m 的深度区间；X37 钻孔中的裂隙数量分布对应5～20 m 的深度区间；X44 钻孔中的裂隙数量分布对应3～23 m 的深度区间；X55 钻孔中的裂隙数量分布对应14～28 m的深度区间。在倾角方面，图8(b)和(c)中最上端的裂隙点分布密度明显大于图8(a)和(d)中裂隙点分布密度，即沿回采方向，顶板中部钻孔内裂隙大倾角数量比顶板两端钻孔内的裂隙大倾角数量更多。

图8 沿回采方向上西硐室探测钻孔中裂隙分布点变化图Fig.8 Changes in distribution points of fissures in the west chamber probed borehole along the direction of recovery

根据X23～X55 的裂隙点分布图划分不同的倾角区域，对回采方向上的裂隙数据进行归一化处理，并绘制出回采方向上西硐室探测钻孔中裂隙分布统计图，见图9。

由图9可知，随着诱导崩落工程沿回采方向不断推进，在1段X23～4段X55钻孔中，裂隙倾角集中在80°以上，且X55钻孔中的裂隙倾角分布范围相比于其他位置的钻孔裂隙倾角分布范围更广泛；X37和X44钻孔中大倾角裂隙出现更集中(见表1)，其中X37 钻孔中大倾角裂隙的分布比例系数高达0.87。这是因为在诱导崩落过程中，2 段和3 段暴露面处于顶板中间，受到的应力集中更大。

表1 沿回采方向上裂隙倾角分布比例系数Table 1 Distribution proportion coefficient of the inclination angle of the fissure along the stoping direction

由图9还可知，沿回采方向上，在同一个钻孔内的深度方向上，裂隙数量分布比例系数也呈现出先增加、后减少的变化趋势。其中，X44和X55中的裂隙分布点相比于X23 和X37 钻孔的裂隙分布点在深度方向上处于更深的位置，具体见表2。

图9 沿回采方向上西硐室探测钻孔中裂隙分布统计图Fig.9 Statistical diagram of the distribution of fissures in the west chamber probed borehole along the direction of recovery

在表2中，沿回采方向上，在X23钻孔上裂隙数量分布于0～15 m 深度范围内；在X37 钻孔上，裂隙数量分布于5～20 m 深度范围内；在X44 钻孔上，裂隙数量主要分布于10～25 m深度范围内；在X55钻孔上，裂隙数量主要分布于15～30 m深度范围内。可见，裂隙数量分布对应的深度范围沿回采方向上呈现出逐渐下移的趋势，这是受诱导扰动影响所致。

表2 沿回采方向上裂隙数量分布比例系数Table 2 Distribution proportion coefficient of the number of fissures along the stoping direction

裂隙沿回采方向上的分布规律不仅体现在倾角和数量分布上，在倾向上也呈现出一定的规律性。沿回采方向对西预裂硐室、放顶硐室监测钻孔中的裂隙倾向进行统计，并绘制2个区域在回采方向上的裂隙倾向玫瑰图(见图10)。

由图10(a)～(c)可以看到：在西预裂硐室的钻孔内，裂隙倾向分布主要在南北方向附近集中。这是由于在西预裂硐室先进行预裂爆破，使得裂隙向该硐室内的其他预裂孔的连心线方向优先发育，部分裂隙先达到连通，并最终达到控制诱导裂隙的发育范围的效果[28-29]。

图10 沿回采方向上硐室监测钻孔中的裂隙倾向分布玫瑰图Fig.10 Along the stoping direction,the crack tendency distribution rose diagram between the west chamber and the roof chamber

由图10(d)～(f)可见：裂隙的倾向分布呈现出向东西方向发育的发散性，这是因为放顶硐室的钻孔主要是作为强制崩顶炮孔使用，且为了两帮的裂隙能够达到连接、贯通的目的，在钻孔布置、装药结构以及装药量上与西预裂钻孔、东预裂钻孔有明显区别。

4 覆岩裂隙分布带与共轭现象

4.1 覆岩裂隙的分布带

根据3个方向的裂隙空间分布规律与钻孔监测的影像，对覆岩中赋存的裂隙分布带进行分析。

1) 破碎裂隙分布带。该分布带位于顶板覆岩直接上方1～2 m处，由于应力状态由三向应力变为二向应力状态，并是顶板覆岩承受拉应力最大和最集中的区域，裂隙的发育表现为碎裂状，这种裂隙带的发育在孔壁上表现为孔壁岩体被割裂为小的岩块，部分钻孔内的局部地段还出现掉块的现象。

2) 环状裂隙分布带。在顶板覆岩上方10 m处，存在1个由于采空区发展而形成的受拉裂隙带，其中裂隙发育在钻孔孔壁表现为圆形环状裂隙，主要是受拉应力作用所产生的横向拉伸破坏。

3) 倾角裂隙分布带。在顶板覆岩钻孔中裂隙分布主要表现为受压所形成的倾角裂隙。特别是在钻孔的中部，由于回采工作的结束，空区形成，使采场顶板的上方20多米的地方出现受压裂隙带，使得裂隙进一步发育，形成高倾角带，这也是裂隙倾角分布峰值形成的原因之一。

4.2 裂隙分布规律中的共轭现象

通过对覆岩裂隙的空间分布规律与裂隙分布带进行分析，对裂隙结构面的法向量进行三维构建，得到裂隙法向量模型(见图11)。通过对裂隙法向量进行直观描述，将覆岩裂隙可视化显现出来。沿东西方向，裂隙法向量呈现出拱形对称共轭趋势，且法向量均指向空区。

图11 覆岩中裂隙法向量模型Fig.11 Normal vector model of cracks in overlying strata

结合现场监测所得的裂隙分布情况来看，共轭裂隙结构面可划分为共面共轭与对称共轭2种不同的类型，这2种共轭结构面相比于不规则分布的裂隙间更易形成连通的结构面[30]。

在广西铜坑矿连续采矿顶板诱导崩落工程中，东、西预裂硐室的裂隙结构面从宏观分布上来看，主要表现出对称共轭裂隙分布；位于同一个硐室探测钻孔中的裂隙结构面有着共面共轭和对称共轭2种共轭现象。在此次顶板诱导崩落工程中，起到共轭作用的是东西两帮的预裂硐室中的裂隙，且裂隙主要以对称共轭的形式存在，有少部分的共面共轭裂隙，其整体表现形式是拱形状分布。

5 结论

1) 使用数字全息模拟技术对广西铜坑矿连续采矿顶板诱导崩落工程中的钻孔裂隙进行监测，并用3DMine数字软件构建了裂隙三维结构面，形象地展示了裂隙赋存模型。

2) 在东西方向上，覆岩裂隙的倾角分布呈现出高度的一致性，两帮钻孔中裂隙倾向于沿回采方向集中，而崩顶钻孔中的裂隙倾向于发散，裂隙的数量呈现出由多至少的分布规律；在深度方向上，裂隙数量分布呈现出先增后减的抛物线分布趋势，而倾角、倾向无明显的分布规律；在回采方向上，裂隙数量随着诱导崩落工程的推进，在钻孔深度方向显现出逐步减少的分布规律，裂隙倾角分布受到应力集中的影响，处于顶板中部的钻孔中大倾角裂隙产状较多，在预裂钻孔中的裂隙倾向于向回采方向集中，而崩顶钻孔中的裂隙呈现出高度发散的特性。

3) 利用裂隙空间分布规律将覆岩中赋存的裂隙划分成3个分布带，即破碎裂隙分布带、环状裂隙分布带、倾角裂隙分布带。

4) 裂隙共轭现象有共面共轭与对称共轭2种类型。在连续采矿顶板诱导工程中的共轭裂隙以东、西预裂硐室监测钻孔中的对称共轭裂隙为主。