弓長嶺井下礦上盤運(yùn)輸巷道讓壓開拓方法研究

付 煜 任鳳玉 宮國慧 陳繼宏

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司弓長嶺礦業(yè)公司，遼寧 遼陽111007)

弓長嶺井下礦是我國地下開采最早的礦山之一，礦體為沉積變質(zhì)型磁鐵礦床，由6 條近似平行礦體組成，傾角60° ～85°，厚度5 ～30 m，走向長度4 850 m［1-2］，分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)3 個采區(qū)，其中，中央?yún)^(qū)已開采至－280 m 中段，采深超過500 m，應(yīng)用無底柱分段崩落法開采，階段高度60 m，分段高度12 m。隨著開采深度的逐漸增加，地壓活動越來越頻繁［3-8］，－280 m 上盤運(yùn)輸巷道遭受地壓破壞嚴(yán)重，雖然在掘進(jìn)的過程中采用高強(qiáng)度的鋼筋混凝土墻及金屬拱架支護(hù)，但仍然無法控制劇烈的地壓活動，支護(hù)后巷道多處出現(xiàn)頂板開裂下沉、墻體內(nèi)推折斷、底鼓等現(xiàn)象，經(jīng)過多次維修，才能勉強(qiáng)維持使用，嚴(yán)重地影響礦山的正常生產(chǎn)。

為避免地壓活動對上盤運(yùn)輸巷道破壞事故再次發(fā)生，保證－340 m 上盤運(yùn)輸巷道的正常生產(chǎn)運(yùn)行，亟需尋求一種有效的地壓控制方法。本研究對－280 m 上盤運(yùn)輸巷道破壞情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，分析了上盤巖性對巷道穩(wěn)定性的影響，揭示出上盤運(yùn)輸巷道破壞的直接原因是楔形體壓力作用，根據(jù)上盤回采邊界和巷道破壞邊界的相對位置關(guān)系，確定讓壓角，劃分塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。在此基礎(chǔ)上，提出讓壓開拓方法，將－340 m 上盤運(yùn)輸巷道布置在彈性變形區(qū)，讓開楔形體壓力的的作用，避免上盤運(yùn)輸巷道遭受地壓破壞，保證礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

1 地壓顯現(xiàn)部位及成因

1.1 －280 m 上盤運(yùn)輸巷道破壞部位調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，－280 m 上盤運(yùn)輸巷道受地壓破壞的部位主要分布在12B ～15 剖面線之間，破壞長度410 m(如圖1)。

圖1 －280 m 上盤運(yùn)輸巷道地壓顯現(xiàn)部位Fig.1 Position of the ground pressure in hanging haulage roadway of －280 m level

1.2 巖體力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

－280 m 中段礦巖中存在多條小斷層，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，受斷層的切割作用，礦巖交錯而生。礦巖種類主要分為上盤綠泥片巖(H)，下盤角閃巖(Am)，磁鐵礦(Fe4、Fe5、Fe6)、平爐富礦(Rm)和高爐富礦(Rd)。對礦巖進(jìn)行了點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)及穩(wěn)定性分級，得到巖體基本質(zhì)量指標(biāo)如表1 所示。

表1 －280 m 中段礦巖基本質(zhì)量指標(biāo)Table 1 The basic quality designation of the rock in －280 m level

1.3 巖性對巷道穩(wěn)定性影響

分析巖性對巷道穩(wěn)定性的影響，－280 m 上盤運(yùn)輸巷道巖體為綠泥片巖，從表1 巖體穩(wěn)定性分級可以看出，綠泥巖不穩(wěn)定，單軸抗壓強(qiáng)度僅為49.30 MP，屬于軟巖，巷道掘進(jìn)后，受地壓作用，巷道出現(xiàn)頂板剝皮冒落、墻體片幫斷裂、底鼓等現(xiàn)象，雖然對破壞部位采取了高強(qiáng)度的鋼筋混凝土和金屬拱架支護(hù)方式，多處巷道碹體支護(hù)厚度達(dá)到0.5 m，但隨著時間的推移，剛性支護(hù)的抗復(fù)雜變形能力弱的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來，軟弱破碎巖體的變形仍在持續(xù)，巷道多處發(fā)拱頂開裂下移、墻體內(nèi)推斷裂及片幫等現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了礦山的正常生產(chǎn)。

1.4 楔形體壓力作用

從巷道支護(hù)后破壞程度來看，軟巖破碎不穩(wěn)只是巷道破壞的內(nèi)在原因，拱頂下沉破壞現(xiàn)象表明巷道外部垂直方向存在一個很大的作用力，引起應(yīng)力集中，是巷道破壞的直接原因。分析得出，中央?yún)^(qū)自－220 m 中段全部改用無底柱分段崩落法開采，開采后形成的采空區(qū)已冒透地表，在礦體上盤形成一個楔形體［9］(見圖2)，如不計(jì)采空區(qū)散體對其垂直向上的支撐力和楔形體邊壁的拉應(yīng)力作用，楔形體壓力可以表示為

式中，P 為楔形體壓力，kN;γ 為上盤巖體容重，kN/m3;a 為楔形體底部長度，m;H 為楔形體高度，m;α為礦體上盤傾角，(°);L 為280 m 上盤運(yùn)輸巷道破壞長度，m;λ 為應(yīng)力有效作用系數(shù)。

圖2 楔形體模型Fig.2 The wedge model

根據(jù)土力學(xué)中的豎向集中荷載作用下地基中的附加應(yīng)力［10］計(jì)算方法(見圖3)，楔形體對上盤運(yùn)輸巷道法向應(yīng)力σz可表示為

式中，σz為楔形體對上盤運(yùn)輸巷道的法向應(yīng)力，MPa;P 為楔形體垂直方向集中力，kN;R 為楔形體豎向應(yīng)力集中應(yīng)力作用遠(yuǎn)點(diǎn)O 到上盤運(yùn)輸巷道的距離，m;θ為R 線與z 坐標(biāo)軸的夾角，(°)。

圖3 豎向集中荷載作用下應(yīng)力計(jì)算示意Fig.3 The illustration of stress calculation under vertical concentrated load

以第14 剖面為例，楔形體高度為H =464 m，底部長度a=21 m，－280 m 上盤運(yùn)輸巷道破壞長度L=410 m，礦體上盤傾角α =78°，巖體為綠泥片巖，容重γ=23 kN/m，考慮側(cè)壁對楔形體的拉應(yīng)力作用以及采空區(qū)散體垂直方向的支撐力作用，應(yīng)力有效系數(shù)λ取0.5，將各個參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得P =1.54 ×108kN。式(2)中，R =22.6 m，θ =22°，代入計(jì)算得σz=114.75 MPa，相比表1 中實(shí)驗(yàn)測得的綠泥巖抗壓強(qiáng)度，楔形體作用在上盤運(yùn)輸巷道的法向應(yīng)力遠(yuǎn)大于綠泥巖的抗壓強(qiáng)度49.30 MPa。從計(jì)算結(jié)果可以看出，如此大的楔形體法向應(yīng)力，僅依靠高強(qiáng)度的剛性支護(hù)無法阻止巷道破壞，需采取其他有效的措施，避免上盤運(yùn)輸巷道的破壞。

此外，從式(1)和式(2)可以得出，楔形體壓力隨采深的平方的增加而增大，當(dāng)采深達(dá)到一定值后，上盤運(yùn)輸巷道承受的楔形體壓力隨采深的增大急劇增大，楔形體對上盤運(yùn)輸巷道法向應(yīng)力σz也會急劇增大，雖然采空區(qū)散體對楔形體有垂直方向的支撐力，但這個力會很小，主要有2 個原因:第一，采空區(qū)的上盤傾角較大，散體壓力的水平分量大而垂直分量小，垂直方向上提供給楔形體的壓力很小。第二，下部采礦活動使散體處于移動狀態(tài)，移動的散體對上盤的橫向支撐力較大，而垂直向上的支撐力將很小。因此，楔形體的垂直方向壓力主要作用在其下部的上盤運(yùn)輸巷道上，引起礦巖應(yīng)力的高度集中，導(dǎo)致巷道的持續(xù)變形與大范圍的破壞。3

2 地壓防治方案

2.1 讓壓開拓

弓長嶺鐵礦－280 m 中段采用無底柱分段崩落法沿脈開采，上盤綠泥巖松軟破碎，礦體回采后，受上盤楔形體壓力作用，－280 m 上盤運(yùn)輸巷道開挖后應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，當(dāng)應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度極限時，巷道周邊巖石發(fā)生破壞，出現(xiàn)大的塑性變形，造成巷道周邊的非彈性位移，這種現(xiàn)象從巷道周邊向巖體深處擴(kuò)展到某一范圍，在此范圍內(nèi)的巖體稱為塑性變形區(qū)，工程布置在塑性變形區(qū)內(nèi)會發(fā)生嚴(yán)重破壞。而在塑性變形區(qū)以外還存在一定范圍內(nèi)為彈性變形區(qū)，彈性變形區(qū)內(nèi)巖體只發(fā)生彈性變形，并未破壞，工程布置在彈性變形區(qū)內(nèi)只會發(fā)生一定程度的彈性變形，不會引起破壞。因此，如何確定塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)的范圍對上盤開拓巷道的布置至關(guān)重要，從現(xiàn)場調(diào)查可以確定－280 m 上盤開拓巷道的塑性破壞界限，而楔形體是由于礦體開采形成的，利用礦體回采邊界與巷道破壞邊界之間的相互關(guān)系就可以確定塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。定義破壞邊界與上盤回采邊界的連線與水平方向的夾角稱為讓壓角，以讓壓角為界限，將－280 m 中段分為塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)，讓壓角越大，塑性變形區(qū)范圍越大，彈性變形區(qū)越靠近下盤，將上盤運(yùn)輸巷道布置在彈性變形區(qū)內(nèi)可以讓開楔形體壓力［11-12］，但考慮礦體回采運(yùn)輸問題，上盤運(yùn)輸巷道應(yīng)盡量布置在靠近上盤的位置，只要把上盤運(yùn)輸巷道布置在應(yīng)力彈性變形區(qū)就能達(dá)到控制地壓的目的。統(tǒng)計(jì)－280 m 水平上盤運(yùn)輸巷道的破壞邊界與礦體上盤回采邊界位置得出，12B ～15 線讓壓角為74°～78°，其中第14 剖面線的讓壓角最大，為78°(如圖4)。

圖4 第14 線巷道破壞位置剖面Fig.4 Profile of the destructive roadway in the 14th exploration line

利用統(tǒng)計(jì)的讓壓角，將上盤開拓巷道布置在彈性變形區(qū)，讓開楔形體壓力，稱之為讓壓開拓方法。因此，根據(jù)－280 m 中段統(tǒng)計(jì)的讓壓角，可以確定－340 m 上盤運(yùn)輸巷道的布置位置，由于上盤運(yùn)輸巷道為永久工程，并且?guī)r體為綠泥巖，不穩(wěn)固，為安全起見，取最大讓壓角78°，并乘以1.2 的安全系數(shù)，按93°讓壓角確定－340 m 上盤運(yùn)輸巷道的位置。

2.2 現(xiàn)場實(shí)施情況

目前，－340 m 上盤運(yùn)輸巷道已掘進(jìn)800 m 左右(見圖5)，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減少，局部不穩(wěn)部位采取錨桿支護(hù)就可以控制地壓顯現(xiàn)，巷道穩(wěn)定性良好，表明讓壓開拓方法能夠有效解決弓長嶺井下礦地壓顯現(xiàn)問題，減少上盤運(yùn)輸巷道破壞事故的發(fā)生。

圖5 －340 m 中段上盤開拓巷道布置Fig.5 Layout of the hanging wall development roadway in －340 m level

3 結(jié) 論

(1)弓長嶺井下礦中央?yún)^(qū)－280 m 上盤運(yùn)輸巷道地壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在12B ～15 線，高強(qiáng)度的剛性支護(hù)無法阻止巷道的持續(xù)變形破壞，支護(hù)后仍出現(xiàn)頂板下沉、墻體內(nèi)推斷裂、底鼓等現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了礦山的正常生產(chǎn)，亟需采取有效措施控制地壓顯現(xiàn)。

(2)弓長嶺井下礦中央?yún)^(qū)－280 m 上盤運(yùn)輸巷道地壓顯的主要是楔形體壓力作用，楔形體壓力隨著采深平方的增大而增大，導(dǎo)致楔形體對上盤運(yùn)輸巷道法向應(yīng)隨采深的增加不斷增大，是巷道破壞的直接原因。

(3)通過礦體回采邊界與巷道破壞邊界之間的相互關(guān)系確定讓壓角，劃分塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)，將上盤運(yùn)輸巷道布置在彈性變形區(qū)內(nèi)可以避開楔形體壓力，達(dá)到控制地壓的目的。

(4)為減小楔形體壓力對上盤開拓巷道的破壞，－340 m 上盤運(yùn)輸巷道采取讓壓開拓方式，利用最大讓壓角確定巷道的位置，將巷道布置在彈性變形區(qū)，讓開楔形體壓力作用。實(shí)踐證明，讓壓開拓方案能夠很好地解決弓長嶺井下礦地壓顯現(xiàn)問題，達(dá)到控制地壓的目的。

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