基律纳山地下矿的岩石支护系统的大规模动态测试
收稿日期：2015年6月12日/接受日期：2016年2月29日/在线发布：2016年3月17日
作者2016.本文在Springerlink.com上公开发布
摘要：在LKAB Kiirunavaara矿进行了一系列五次大规模动态试验，使用爆炸物在支撑系统上产生动态载荷。这样做的目的是开发一种地面支撑的原位试验测试方法。此外，评估了安装的岩石支撑系统对强动态载荷的响应。测试包括地面运动测量，裂缝调查，地面和支持运动成像，以及变形测量。结果表明，负荷与爆炸物使用量之间的关系在降低或涉及爆炸气体对试验结果的影响方面起着重要作用。此外，试验中使用的爆炸物类型对减小气体膨胀效应有很大影响。与在其他国家进行的类似大规模试验相比，测量了更高的峰值粒子浓度。然而，诱导损坏的程度仅限于支撑系统后面的破裂区域和喷射混凝土中裂缝的传播。使用测量的峰值粒子速度计算传递到测试壁的裂缝区域的动能。通过测量支撑元件的伸长/偏转并将这些测量结果与先前进行的实验室测试相关联，估算Swellex，增强喷射混凝土和焊接网的能量吸收。支撑系统吸收的最大估计能量与最大估计动能的比较表明，由于支撑系统仍然起作用，能量部分地反射回周围的岩石。本文介绍了测试1,2,4和5中的测量结果，并讨论了用于设计测试的方法。
关键词：现场动力学实验 峰值粒子速度 岩石支护系统 钢筋喷射混凝土 焊接网
符号列表：
AI加速度计标识（–）
D尺寸（–）
直流电荷直径（mm）
DC1装药直径（位于炮孔中部）
（毫米）
DC2装药直径（位于炮孔末端）
（毫米）
E能量（kJ/）
气体压力传感器标识（–）
i观测钻孔标识（–）
JA联合变更号（–）
JR接头粗糙度值（–）
ml局部震级（–）
Q岩体质量（–）
Rc标称反射系数（–）
TI同轴电缆标识（–）
t破坏深度（m）
v粒子速度（m/s）
Z1输入阻抗（欧姆）
Z2输出阻抗（欧姆）
Q岩体密度（kg/m3）、
1引言
由地震事件引起的问题需要实施补救措施以减轻相关的地震活动风险。 可以减少地震活动风险的三项措施被描述为减少人员暴露，改变矿山设计，布局和提取顺序，以及使用动态强大的地面支持系统（Potvin等人，2010）。 然而，使用能够承受强大动态载荷以最大限度地减少相关损坏并提高工作场所安全性的地面支撑系统已被证明是最有利的。
岩石支护的传统设计方法主要包括：（1）识别潜在失效模式；（2）将可用承载力与驱动力/需求（包括动态组件）进行比较。通过计算安全系数或破坏概率，可以估计岩石支护的需求量。不幸的是，人们认为由于对支撑系统的需求和支撑系统的能力都不能令人满意地定义（Stacey 2012），因此无法使用这种方法在地震荷载条件下设计支撑系统。
为了量化适合动态载荷条件的岩石支撑系统的性能，考虑了四种主要类型的动态试验，包括通过爆破进行的模拟大规模试验，对钢筋施加冲击载荷的跌落试验设施，应用动态载荷的实验室试验 关于核心样本，以及案例研究的被动监测和反向分析（Hadjigeorgiou和Potvin 2008）。
本文着重于开发岩石支撑的原位测试方法，即确定导致测试墙和/或支撑系统失效的动态载荷，并评估在强动态载荷下岩石支撑系统的性能。一些原位
过去曾进行过测试。例子是（1）在澳大利亚西部的地下矿井中进行的许多模拟岩爆实验（Heal等人2005; Heal和Potvin 2007; Heal 2010）。这些测试旨在评估完整地面支撑系统在受到强烈地面运动时的现场性能。 （2）Andrieux等。 （2005年）在弗雷泽镍矿进行了大规模试验，旨在研究在由三种不同的地面支持系统支撑的漂移附近发生的大型岩爆的影响，特别是评估薄喷雾是否 - 衬垫系统有可能在岩爆条件下成功使用。 （3）Ansell（2004）进行了现场试验，其中喷射混凝土板暴露于岩体内引爆的炸药的振动，旨在研究抗压强度的增长，并确定喷射混凝土的最终压缩和粘合强度， （4）Archibald等。 （2003）对衬管支撑系统进行了一系列试验，并研究了喷射岩石衬砌在以爆破作为动载荷减轻岩爆损害方面的应用。 （5）Espley等。 （2002）在175 Orebody研究设施进行了大规模试验，旨在评估在爆炸引起的动态载荷和地震相关环境中表面支撑系统（薄喷射衬垫和喷射混凝土）的响应。 （6）Hagan等。 （2001）在南非进行了大规模试验，旨在通过更好地了解矿山开挖现场对地震活动的响应来提高矿工安全。该研究包括实验和数值模拟（Hildyard和Milev 2001a，b），通过爆炸，近场和远场地震监测模拟地震源（Milev等人，2001年），高速视频拍摄得出弹射速度（Rorke和Milev 1999），研究爆炸前后的岩体条件（裂缝，节理，岩石强度等），以估计强烈地面运动造成的破坏程度和类型（Reddy和Spottiswoode 2001）并评估动态载荷下的支撑性能（Haile和Le Bron 2001）。 （7）Tannant等。 （1994a）在加拿大Bousquet＃2矿进行了模拟岩爆试验，以评估动态载荷下一系列地面支撑系统的性能，但特别是比较喷射混凝土和网格与纤维增强喷射混凝土的性能。 （8）Tannant等。 （1994b）在加拿大的CANMET实验矿进行了试验，目的是使用三个应变测量的标准端锚机械岩石锚杆来研究锚杆对附近爆破的响应，并且（9）Ortlepp（1969,1992）进行了大规模的测试比较常规和屈服岩栓的原位性能。尽管模拟地震事件测试存在困难和不确定性，但该方法作为岩爆支持能力的重要测试仍然提供了最大的有效性，即使它不模拟岩爆（Stacey 2012）。
在Lulea°技术大学针对深度采矿问题的研究计划的框架内，使用爆破作用对岩石支撑进行原位动态测试，在由LuossavaaraKiirunavaara Aktiebolag（LKAB）拥有和运营的Kiirunavaaraunderground矿进行地震源。 测试的主要目的是开发一种大规模的原位测试方法，以评估岩石支撑性能。 这是通过将岩石支撑系统暴露于爆破产生的地震波并具有不同能量水平来完成的。Oneissue在设计大型动态试验时特别注意的是尽量减少爆炸产生的气体膨胀的破坏性影响。 因此，监测气体压力的影响，研究气体膨胀造成的损害对试验结果的影响，并在可能的情况下进行岩石喷射，并获得定量数据进行建模。 应用不同的技术（第3.2节中描述的细节）来估计地面的速度和变形，负荷中的气体压力以及新的裂缝和/或沿着柱内预先存在的接缝分离/滑动等损伤的发展。 收集的现场数据和损伤映射用于评估不同电荷浓度对测试墙和支撑系统的影响。 基于所收集的数据，估计传递到测试墙的破裂区域的动能以及由支撑元件和表面支撑吸收的能量，并且比较和讨论结果。
2.测试场地描述
位于瑞典北部的Kiirunavaara矿是一个矿石矿，其矿体几乎向北倾斜，向东倾斜60。 它长约4公里，平均厚度为80米。 Kiirunavaara矿采用的采矿方法是大规模的放顶煤开采。下盘主要由前寒武纪老年人遗址组成，内部称为正长斑岩。 悬垂墙由流纹岩组成，内部表示为石英斑岩。 主要的铁矿石由位于正长岩斑岩和石英斑岩之间的磁铁组成（Malmgren 2005）。
位于瑞典北部的Kiirunavaara矿是一种铁矿石，其矿体几乎触及南北，下沉60°到了东方。它长约4公里，平均厚度为80米。 Kiirunavaara矿采用的采矿方法是大型采空区。下盘主要由内部表示为syeniteporphyry的前寒武纪的trachyandesite组成。悬挂墙由流纹岩组成，内部标记为石英斑岩。主要的铁矿石由正长岩斑岩和石英斑岩之间的磁铁矿组成（Malmgren 2005）。
在741米水平的完成的生产块9中的横切口93和95之间的相邻支柱被选择用于测试1-5。所有测试都计划在选址进行，因为（1）没有采矿活动发生在水平，（2）支柱仅喷射（3）许多具有相似岩体条件的横切可供进一步测试和（4）在该区域进行了全面的地质调查。柱子的宽度约为18米，横切口宽约7米，高约5.2米。根据安德森（Anddersson，2010）的观点，测试区域的岩石类型传统上被称为正长岩斑岩，包括结核变种（Geijer 1910），主要由变异特征和变化程度的粗糙岩石（Ekstro-m和Ekstro-m 1997）组成。 。图1显示了横切93和95中的位置和岩石类型，其中进行了测试1-5。
该地区的岩体非常块状，估计地质强度指数（GSI）值大多在40-50范围内，联合质量从良好到可接受（Andersson 2010）。 然而，横切93中的南部支柱（测试2的位置）更多地连接并且包括特定的粘土填充物，其将GSI值局部地降低到30。 在整个区域存在滴水，表明岩体是水力传导的。
该地区的特点是在很多方向上都有密集的结构网络。在横切93中绘制了80个关节。最显著的斜坡设置与横切93平行，向南倾斜55–80，并与横切垂直，具有次垂直倾斜（Andersson，2011年）。在横切95中，绘制了65个关节。横切主要由以下接缝构成：（1）EW倾斜50-80 s，（2）NS半垂直和（3）NW倾斜70-90 ne。接缝间距一般在1-3 m范围内。但是，观察到接缝集（3），在交叉95（进行试验4）北壁的一个区域内，间距为0.1 m，这对清理块体沉降产生了主要影响（Andersson 2011）。图2显示了横切93和95中显著接头组的极点密度图。
3. 爆破设计和仪器
c在Kiirunavaara矿中进行试验的炸药是军用型NSP711，其爆炸速度（VOD）为7931 m / s，密度为1500 kg / m3（试验3除外，其中使用了大量乳液））。 选择这种类型的炸药的原因是与商业炸药相比产气量较低，VOD较高，爆破孔压力导致波浪能量大于气体膨胀，更能控制爆炸物的数量，而众所周知的Jones - Wilkins-Lee（JWL状态方程）参数用于数值分析（Helte等，2006）。 此外，在负荷中钻四个孔以测量负荷中的气体压力。 以下两节将介绍爆破设计和测试中使用的监测仪器。
3.1爆破设计
爆炸的设计旨在模拟距离漂移15米的震级为3级（里氏震级）的地震事件。这类似于截至2010年Kiirunavaara矿区发生的最大地震事件（Malmgren 2010），对岩体和岩石支撑造成了严重破坏。 选择PPV作为表征地震事件的数量。 使用Kaiser等人提出的PPV幅度 - 距离关系计算最大PPV（1996）。 这导致PPV大约在1.5-3.5m / s的范围内。首次试验的爆炸量，爆破孔直径和负荷的初步估计是基于Kiirunavaara矿早期研究的经验（Olsson等人，2009年）导致理论负担为3.3和115毫米爆破孔。
测试在横切的左侧或右侧侧壁进行。爆破孔的长度约为15米，与相邻的下盘漂移的横切面平行钻孔。在测试1,2和5中使用两个不同的电荷直径，每个长度约为5米，以减少试验次数。前5米没有充电也没有堵塞以排出气体并降低气体压力。接下来的5米加5米的炮眼在测试1,2和5中充满两种不同的电荷密度，在测试3和4中只有一种电荷密度。在较高的电荷直径前面的横切壁面积在本文中，“低电荷段”表示为“高电荷段”，而低电荷直径前面的区域表示为“低电荷段”。除了试验3（其中使用本体乳液作为炸药）之外，炮孔中装有NSP711。爆破孔在底部灌注。爆破孔，充电特性和有效负荷总结在表1中。由于爆破孔偏差与测试壁的不规则轮廓相结合，沿着测试侧壁的负荷变化。因此，表1中仅列出了平均或有效负荷。图3中描述了测试布局和爆破设计的示意图，如图3所示。测试1中的四个孔和测试2中的两个孔被钻入测量负担中使用气压传感器的负荷中的气体压力。气压传感器在测试1和2中的位置如图4所示。在所有测试中，测试的岩石支撑由100毫米钢纤维增强喷射混凝土（40千克/立方米钢纤维），75毫米9 75组成。 mm直径为5.5 mm的焊接网，以及长度为3米和1米间距的Swellex螺栓。
3.2监测仪器
测试1,2和5中使用的仪器旨在提供不同目标的数据，包括：
bull;单轴冲击加速度计（PCB 350 B03），用于估算表面速度和位移;
bull;高速摄像机（卡西欧EX-F1）估算块弹射速度;相机能够以每秒1200帧的速度拍摄;
bull;位移探测器（长矛）（Olsson等人，2009年），用于测量岩石支撑面上某些点（预计会有较大的运动）的最大位移和速度;
bull;激光扫描（Leica HDS 6000）测量每次爆炸前后的表面变形;
bull;气压变送器（ED 517），用于测量钻孔中的气体压力和到达估算值;
bull;时域反射仪（TDR 100）同轴电缆，用于检测损坏的发展，例如新的裂缝和/或沿柱内预先存在的接头分离/滑动;
bull;爆炸前后钻孔摄像机（Wouml;hlerVIS2000）的观察孔（64 mm）;
bull;动态位移测量（Sick OD Value激光传感器），用于测量不同时间间隔的位移;
bull;加速度计，位移探针（矛）和气压传感器连接到具有32个通道的数据采集单元。测试1的仪器类型是Dash 2032，采样率为250 kHz，测试2的DataFlex 1000采样率为180 kHz，测试5 PXIe-1073采用PXIe-4300卡（250 kHz采样率）。
表2总结了测试1,2和5中使用的监测仪器，图5a，b显示了这些测试中使用的地面运动监测仪器的布局。 两者之间的加速度计和其他监测仪器的数量略有不同
测试1和2.在测试5中，仅使用三个加速度计，两个在高电荷段的
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