復(fù)雜空區(qū)群殘留礦體回采頂板下沉監(jiān)測(cè)分析

黃道欽

(廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦, 廣西 南丹縣 547207)

廣西華錫集團(tuán)銅坑礦是一座有三十多年開(kāi)采歷史的有色金屬大型地下礦山，開(kāi)采的“三大礦體”自上而下依次為細(xì)脈帶礦、91#礦體和92#礦體。由于多年對(duì)“三大礦體”的開(kāi)采，目前尚存眾多大小不一的采空區(qū)，組成復(fù)雜的空區(qū)群，導(dǎo)致井下圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜多變，留下大量破碎難采的礦柱群和周圍礦體，地壓控制極為困難，嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)對(duì)大量采空區(qū)的治理，銅坑礦井下地壓活動(dòng)趨于平緩。根據(jù)礦山生產(chǎn)需要，近期加快了各區(qū)域復(fù)雜難采殘留礦體的回采，但由于受前期地壓活動(dòng)破壞影響，92#礦體礦柱群Ⅱ采區(qū)及附近區(qū)域的大部分礦柱呈破碎狀況，造成Ⅱ采區(qū)回采在生產(chǎn)施工和安全管理上存在相當(dāng)大的難度。鑒于92#礦體礦柱群破碎難采的復(fù)雜性，有必要加強(qiáng)地壓監(jiān)控和災(zāi)害預(yù)防工作。

1 Ⅱ采區(qū)巷道沉降破壞的主要原因

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

采準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，層理、節(jié)理及裂隙較發(fā)育，地層為灰-灰黑色薄-中層狀硅質(zhì)巖，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、條帶及致密塊狀構(gòu)造。礦體厚大、連續(xù)性好，礦體產(chǎn)狀為北高南低。

1.2 巖石性質(zhì)

92#礦體礦柱群Ⅱ采區(qū)礦體垂直標(biāo)高為505～405 m，礦體平均厚度為54 m左右。礦體頂板南高北低，即由南往北傾伏，傾角為28°左右。礦體分布為頂、底部?jī)刹糠郑喉敳?74～505 m為91#礦體，呈層狀分布，礦體薄，圍巖為小扁豆灰?guī)r；底部礦體為405～470 m之間的92#礦體，呈現(xiàn)條帶狀分布，硅質(zhì)巖夾石嵌入較多，圍巖相對(duì)穩(wěn)固。91#礦體與92#礦體之間的部分隔離的圍巖為寬條帶灰?guī)r及泥灰?guī)r，巖層裂隙發(fā)育，整體穩(wěn)定性差，自承能力弱。

1.3 采區(qū)分布特點(diǎn)

Ⅱ采區(qū)整體處于91#礦體與92#礦體開(kāi)采巖層移動(dòng)線上，也是兩個(gè)礦體間尚存的未開(kāi)采的礦柱，在礦體分布上處于非常重要的位置，采區(qū)周邊多為采空區(qū)和垮落帶。采區(qū)東面為已垮通地表的T110-T111采空區(qū)；北面為R3采空區(qū)和92#礦體礦柱群Ⅰ采區(qū)；西面為地壓破壞較嚴(yán)重T503采空區(qū)；南面為T310采空區(qū)。因受采空區(qū)和地壓破壞影響，Ⅱ采區(qū)494 m西端唯一進(jìn)路破碎嚴(yán)重，由于多年的壓應(yīng)力集中破壞和周邊回采擾動(dòng)，上覆巖層的壓力向下傳遞，該區(qū)域主要以巷道塑性沉降、底臌開(kāi)裂等破壞形式發(fā)展。

2 巷道沉降監(jiān)測(cè)規(guī)范要求與適用方法

(1) 巷道沉降規(guī)范與測(cè)量?jī)x器的精度要求。沉降規(guī)范遵循國(guó)家及礦山井巷工程測(cè)量有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。井下水準(zhǔn)測(cè)量分為兩級(jí)：I級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)井下高程測(cè)量的首級(jí)控制，其精度較高；II級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的精度較低，作為I級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)間的加密控制，主要滿足礦井日常生產(chǎn)需要。Ⅱ采區(qū)聯(lián)道頂板觀測(cè)路線為Ⅱ級(jí)水準(zhǔn)支線，可采用一次儀器高往返觀測(cè)，各測(cè)站的高差互差不應(yīng)大于5 mm。為保證觀測(cè)簡(jiǎn)單易行、提高觀測(cè)精度和工作效率，根據(jù)《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/12898-2009)中三等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求對(duì)Ⅱ采區(qū)巷道頂板進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)表1。

(2)適用方法的確定。通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析研究，決定針對(duì)井下區(qū)域性的地壓活動(dòng)采用巷道頂板沉降觀測(cè)等地壓監(jiān)測(cè)及控制手段，進(jìn)行全面的監(jiān)控分析，以達(dá)到安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)合理回收礦石資源的預(yù)期效果。

表1 三等水準(zhǔn)觀測(cè)的主要技術(shù)要求

3 巷道頂板沉降監(jiān)測(cè)

井下水準(zhǔn)測(cè)量與地面水準(zhǔn)測(cè)量相比,其原理、實(shí)測(cè)方法和計(jì)算公式均完全相同,但井下水準(zhǔn)測(cè)量時(shí),因點(diǎn)設(shè)在頂板上,出現(xiàn)水準(zhǔn)尺倒立現(xiàn)象,所以記錄時(shí)應(yīng)用符號(hào)注明“ˉ”號(hào)，井下巷道頂板測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量的巷道布設(shè)掛點(diǎn)，兩測(cè)點(diǎn)間必須通視，水準(zhǔn)尺倒立掛置巷道頂板，尺底(零刻度)端頂住水準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)依次進(jìn)行觀測(cè)(見(jiàn)圖1)。

圖1 井下水準(zhǔn)測(cè)量

(1) 基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)。觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)選擇在觀測(cè)聯(lián)道以外且影響較小的主斜道頂板，作為長(zhǎng)久性基準(zhǔn)點(diǎn)。在每次觀測(cè)前均應(yīng)檢核基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，如果發(fā)現(xiàn)高程變異超過(guò)允許精度則立即采取處理措施。如觀測(cè)期間測(cè)區(qū)發(fā)生巖層移動(dòng)、頂板明顯沉降等外界強(qiáng)烈因素時(shí)，亦應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，采取處理措施。

(2) 沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)。沉降測(cè)量點(diǎn)布設(shè)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以全面反映巷道頂板變形特征，考慮到觀測(cè)精度，從主斜坡道至Ⅱ采區(qū)聯(lián)道頂板較穩(wěn)定的巖體上平均每30 m布設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，包括基點(diǎn)在內(nèi)共計(jì)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。沉降觀測(cè)點(diǎn)具體位置見(jiàn)圖2。

(3) 觀測(cè)方案。遵循水準(zhǔn)測(cè)量的基本法則，以基準(zhǔn)點(diǎn)作為后視，1#觀測(cè)點(diǎn)為前視，在兩測(cè)點(diǎn)大致等距離位置擺置水準(zhǔn)儀器，調(diào)整水平氣泡居中，保持兩測(cè)點(diǎn)在同一條水平線上，瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺直接讀取后視與前視的測(cè)量值。

前視點(diǎn)高程=后視點(diǎn)高程+后視讀數(shù)-前視讀數(shù)(1)

依次計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)沉降值。每次觀測(cè)應(yīng)記載沉降量、沉降速度、時(shí)間及其它有關(guān)異常情況。

圖2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

(4) 觀測(cè)數(shù)據(jù)及處理。根據(jù)監(jiān)測(cè)情況并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)，對(duì)變形最大的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2；巷道頂板沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖3。

表2 變形最大值統(tǒng)計(jì)情況

圖3 頂板沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

4 下沉特征與穩(wěn)定性分析

4.1 觀測(cè)成果分析

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，沉降觀測(cè)點(diǎn)K1-K3(測(cè)點(diǎn)位于地壓影響范圍外)沉降變化幅值平緩；K4、K5觀測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)位于地壓破壞聯(lián)道內(nèi))沉降幅值波動(dòng)較大。整體上看，頂板沉降變化按4個(gè)階段發(fā)展，該沉降變化趨勢(shì)與井下巷道圍巖、礦柱檢查情況相吻合。

巷道下沉主要特征：

第一階段：前期地壓活動(dòng)穩(wěn)定后，破壞影響區(qū)域支承壓力趨于固定值，該聯(lián)道整體性能表現(xiàn)穩(wěn)定，巷道礦柱無(wú)新地壓破壞現(xiàn)象發(fā)生。

第二階段：待Ⅱ采區(qū)巷道開(kāi)拓后，爆破擾動(dòng)破壞松動(dòng)圈巖體的結(jié)構(gòu)，巖體抗拉強(qiáng)度降低，破碎巖層難以承載高強(qiáng)度的壓力，當(dāng)巷道圍巖強(qiáng)度小于礦柱支承應(yīng)力時(shí)，礦柱兩側(cè)出現(xiàn)壓剪破壞，這段時(shí)期內(nèi)，頂板呈緩慢下沉狀態(tài)。

第三階段：在掘進(jìn)過(guò)程中，伴隨斷面縮小，圍巖連帶移動(dòng)反映到巷道中，會(huì)使個(gè)別區(qū)域頂板巖層局部上升，出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象，沉降量逐漸增加，巷道頂板出現(xiàn)冒塊、脫層現(xiàn)象。

第四階段：圍巖、礦柱進(jìn)一步加劇破壞時(shí)，巖石支承能力急劇下降，巷道頂板下沉呈加速度發(fā)展直至整體垮塌。

4.2 穩(wěn)定性分析與預(yù)警

從巷道頂板沉降觀測(cè)結(jié)果研究頂板圍巖的失穩(wěn)規(guī)律，及時(shí)進(jìn)行安全防護(hù)措施。當(dāng)頂板沉降量達(dá)50 mm時(shí)，發(fā)出黃色預(yù)警，對(duì)巷道兩側(cè)進(jìn)行混凝土鋼筋支護(hù)，并采取高強(qiáng)錨桿噴漿支護(hù)；當(dāng)沉降量達(dá)150 mm時(shí)，發(fā)出橙色預(yù)警，提出間接性作業(yè)方案，盡量減少作業(yè)時(shí)間，提前做好安全撤離路線；當(dāng)沉降量達(dá)200 mm時(shí)，發(fā)出紅色預(yù)警，禁止人員進(jìn)入聯(lián)道，并做好地壓破壞預(yù)報(bào)預(yù)警分析。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)復(fù)雜空區(qū)群殘留礦體回采頂板進(jìn)行沉降觀測(cè)，對(duì)頂板穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行有效的監(jiān)控。當(dāng)回采巷道頂板存在不安全因素時(shí)，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并掌握頂板變形、演變過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)，提出了危險(xiǎn)情況的黃色、橙色和紅色3級(jí)預(yù)警及相應(yīng)對(duì)策，同時(shí)在采場(chǎng)開(kāi)拓施工過(guò)程中，及時(shí)提出施工整改方案并做好安全防護(hù)措施，有效解決了礦山大型礦體復(fù)雜條件下破碎區(qū)安全監(jiān)控關(guān)鍵性技術(shù)難題。

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