某鐵礦開采擾動下礦壓變化規(guī)律研究

劉 艷，蔡美峰，楊志軍，王 瀟，李航空

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

某鐵礦露天開采自1965～1968年進(jìn)行短期生產(chǎn)，1981年恢復(fù)生產(chǎn)，至2007年2月露天開采結(jié)束。為了實現(xiàn)露天轉(zhuǎn)地下的不停產(chǎn)過渡，該礦采用露天-地下聯(lián)合開采的過渡方案，于2006年9月開始進(jìn)行掛幫礦開采。露天掛幫礦體開采和地下開采，均使用無底柱分段崩落法進(jìn)行。

-45m水平是該礦露天與地下聯(lián)合開采的一個關(guān)鍵水平，主斜坡道和主要聯(lián)絡(luò)巷道都布置在該水平中。由于在露天開采過程中的大規(guī)模開挖，已經(jīng)給周圍巖體造成了較大的應(yīng)力擾動，其中，以壓應(yīng)力釋放為主，局部可能產(chǎn)生應(yīng)力集中[1]。在地下開采過程中，使用無底柱分段崩落法繼續(xù)開采，將會形成更為復(fù)雜的應(yīng)力場，從而引起巷道圍巖的進(jìn)一步變形破壞。因此，對該水平開采擾動下的礦壓變化規(guī)律進(jìn)行研究，是非常有必要的。

1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)

1.1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

該礦位于華北地臺北緣燕山沉降帶中部，馬蘭峪-山海關(guān)復(fù)背斜的次級構(gòu)造單元中，礦區(qū)內(nèi)主要斷層為F9斷層，是礦區(qū)的主要結(jié)構(gòu)面。該斷層走向20°～50°，傾向NW，傾角83°；走向長500 m，寬8～10 m，傾向延伸可達(dá)700～800 m，屬于正斷層。由于受F9斷層破壞，礦床被分割為大小兩部分。斷層帶內(nèi)可見壓碎巖，斷層角礫巖，擦痕。綠泥石化、片理化發(fā)育，局部有巖脈穿插。礦區(qū)內(nèi)F9斷層穿過-45 m水平的主運輸巷道，圍巖受區(qū)域構(gòu)造影響嚴(yán)重。

1.2 -45m水平巖體結(jié)構(gòu)

分析-45m水平巖體的地層特性可以看出，該水平主要是由黑云混合片麻巖和混合花崗巖組成，而且?guī)r石質(zhì)量都為IV～V，且節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體的穩(wěn)定性比較差。

2 巷道圍巖應(yīng)力監(jiān)測

當(dāng)巷道開挖以后，會引起附近圍巖內(nèi)應(yīng)力的重新分布，其分布狀況與開采技術(shù)條件以及巖體的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)[2-4]。在進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性分析時，通過對開采擾動下礦壓的變化規(guī)律進(jìn)行研究，從而了解巖體內(nèi)應(yīng)力的大小、方向、分布狀態(tài)以及它的變化規(guī)律。經(jīng)實踐研究證明，對采場地壓進(jìn)行監(jiān)測，可以很好的評價開采巷道的穩(wěn)定性，推斷采場進(jìn)入危險狀態(tài)的時間、位置[5-6]。

本文主要針對-45m水平，采用動壓監(jiān)測手段對開采擾動下的礦壓變化情況進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 監(jiān)測原理

鉆孔應(yīng)力監(jiān)測是通過測量由采動影響導(dǎo)致的巖層內(nèi)部應(yīng)力場的變化，從而研究采場地壓作用規(guī)律的一種重要手段[7]。該方法可以為巷道圍巖穩(wěn)定性評價及支護(hù)設(shè)計優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，對礦山安全生產(chǎn)具有非常重要的指導(dǎo)意義。本研究中選用具有靈敏度高、讀數(shù)方便等特點的ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計對地下圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

在安裝鉆孔應(yīng)力計進(jìn)行監(jiān)測時，用安裝桿將探頭緩緩?fù)迫胫睆綖?5～55 mm的鉆孔內(nèi)，并通過加壓使探頭緊貼孔壁。當(dāng)巖體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生變化時，鉆孔內(nèi)應(yīng)力通過應(yīng)力枕兩面的包裹體傳遞到應(yīng)力枕，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力枕內(nèi)的液體壓力，該壓力經(jīng)油管傳遞到壓力表，壓力表即可顯示出孔內(nèi)的應(yīng)力值。

2.2 測點及布置形式

2.2.1 測點布置

為掌握采場地壓變化規(guī)律，結(jié)合回采順序、爆破進(jìn)度等，主要在-45m水平的J3和J4工作面進(jìn)行了重點監(jiān)測，地壓監(jiān)測點在J3進(jìn)路布置8個，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#；J4進(jìn)路布置4個，分別為9#、10#、11#、12#。其中，2#、4#、5#、7#、10#、12#測點布置在巷道左幫，1#、3#、6#、8#、9#、11#測點布置在巷道右?guī)?，兩相鄰測點之間的距離為7 m。其中，J3進(jìn)路的1#測點距開切眼最近，為20 m；J4進(jìn)路的9#測點距塌陷區(qū)距離最近，僅有6 m。

2.2.2 布置形式

由于ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計可以監(jiān)測任何一個方向的應(yīng)力變化，在本次監(jiān)測中，主要是針對豎直方向上的應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測，故將鉆孔應(yīng)力計布置在回采巷道兩幫的水平孔內(nèi)，埋深為2～3 m。在安裝時，將應(yīng)力枕水平放置，使包裹體處于上下位置。鉆孔布置參數(shù)見表1。

表1 鉆孔布置參數(shù)表

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

2.3.1 監(jiān)測結(jié)果

此次采場地壓監(jiān)測在-45m水平的J3、J4進(jìn)路共設(shè)置12個監(jiān)測點，平均每兩天下井觀測一次。監(jiān)測時間從2010年7月29日到2010年的10月31日，歷經(jīng)37d。其中，5#、10#、11#、12#監(jiān)測點損毀。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，各進(jìn)路的測點先后被損毀。通過將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，得到以距工作面的距離為橫軸，應(yīng)力計讀數(shù)為縱軸的折線圖，見圖1～圖4。(由于-45m水平9#監(jiān)測點距塌陷區(qū)較近，故作應(yīng)力隨時間的變化曲線)。

2.3.2 監(jiān)測結(jié)果分析及預(yù)測

從鉆孔應(yīng)力計的安裝到工作面開始回采(歷經(jīng)14d)，J3、J4進(jìn)路的應(yīng)力計讀數(shù)均有所下降，J3進(jìn)路的應(yīng)力計讀數(shù)最少下降了0.3 MPa，最多下降了0.7 MPa，平均下降了0.54 MPa；J4進(jìn)路的應(yīng)力計讀數(shù)最少下降了0.6 MPa，最多下降了1.3 MPa，平均下降了1.0 MPa。這種情況，主要是由于巷道開挖以后，圍巖體發(fā)生塑性變形，使得應(yīng)力有所釋放造成的。隨著圍巖體逐步趨于穩(wěn)定，應(yīng)力計讀數(shù)也趨于恒定。另外，J4進(jìn)路的應(yīng)力計讀數(shù)下降值幾乎是J3進(jìn)路的兩倍，這進(jìn)一步說明了J4進(jìn)路的巷道圍巖體較為破碎。

圖1 -45m水平3-1#測點壓力觀測曲線

圖2 -45m水平3-2#測點壓力觀測曲線

圖3 -45m水平3-4#測點壓力觀測曲線

圖4 -45m水平4-9#測點壓力觀測曲線

從圖1～圖4上的測點壓力觀測曲線可以知道：-45m水平采場地壓最大峰值點在距工作面33.5m～36.5m之間，這說明采場地壓不僅受回采工藝的影響(炮孔排距、裝藥量、回采順序等)，且還與采場節(jié)理、裂隙、斷層等地質(zhì)因素有關(guān)。

從圖4的壓力觀測曲線上可以看出，9#鉆孔應(yīng)力計讀數(shù)先是緩慢下降，最后降低為0 MPa。這主要是由于9#鉆孔應(yīng)力計距坍陷支護(hù)區(qū)較近(僅有6m)，一方面巷道圍巖較為破碎，另一方面巷道圍巖變形量較大(兩幫移近量最大15.2 mm)，使得圍巖應(yīng)力得以充分釋放。

綜上可知，巷道圍巖體中的豎直壓力變化幅度總體上不算太大，都在6.2 MPa以下，這說明受爆破擾動后，采場應(yīng)力突出不是很明顯，局部的應(yīng)力集中，不會對巷道的穩(wěn)定性造成太大的影響。

3 結(jié)論

通過對巷道圍巖進(jìn)行鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在開采擾動作用下，采場地壓不僅受回采工藝的影響，而且還受到采場節(jié)理、裂隙、斷層等地質(zhì)因素的影響。在目前的開采擾動過程中，采場應(yīng)力突出不明顯，不會對巷道的穩(wěn)定性造成較大影響，但隨著開采深度的增加，今后有必要繼續(xù)對礦壓進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)圍巖應(yīng)力集中大小與分布形式，建議采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)及其他測定地應(yīng)力方法，來預(yù)測預(yù)報頂板來壓的強(qiáng)度和時間，從而更深入的掌握地壓規(guī)律，及時采取有效措施，達(dá)到預(yù)防冒頂、片幫事故，保證礦山生產(chǎn)安全的目的。

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