某鈾礦井采場(chǎng)頂板地壓監(jiān)測(cè)與對(duì)比分析

陳 剛，袁道和

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512329)

礦山頂板事故是礦山的多發(fā)事故之一，它嚴(yán)重影響職工的人身安全，影響企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，金屬礦山的頂板事故一般占井下各類(lèi)事故的40%，居礦山井下傷亡事故之首[1-4]。

某鈾礦井為常規(guī)地下開(kāi)采礦井，采礦方式為傳統(tǒng)的人工鑿巖爆破、電耙+有軌礦車(chē)出礦，目前已開(kāi)采至-150 m中段。隨著開(kāi)采深度增加，在傳統(tǒng)開(kāi)采方式下，地壓活動(dòng)逐漸頻繁，生產(chǎn)采場(chǎng)常有冒頂、偏幫現(xiàn)象發(fā)生，給生產(chǎn)帶來(lái)很大的安全隱患。同時(shí)，為了提高采礦效率，該礦山計(jì)劃在下一步的生產(chǎn)中將采礦方法調(diào)整為無(wú)軌采礦法。

無(wú)軌采礦和常規(guī)采礦方法相比，無(wú)軌采礦設(shè)計(jì)的采場(chǎng)面積是常規(guī)采場(chǎng)的3倍多，采場(chǎng)空頂面積大大增加?？枕斆娣e的增加勢(shì)必加劇頂板的不穩(wěn)定性，給直接在頂板下作業(yè)的人和設(shè)備帶來(lái)安全隱患；但無(wú)軌采礦法的機(jī)械化作業(yè)方式又縮短了生產(chǎn)周期，使得頂板空頂時(shí)間變短，頂板圍巖應(yīng)力在一個(gè)回采循環(huán)內(nèi)很難達(dá)到極限，這又降低了頂板不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。

為此，針對(duì)該礦井-150 m中段的傳統(tǒng)矸石充填法和無(wú)軌采礦法采場(chǎng)，利用圍巖應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量手段，對(duì)2種采礦方法下的頂板穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，以期為今后礦山的回采作業(yè)安全管理提供參考。

1 圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方案

1.1 監(jiān)測(cè)方法

2種采礦方法的工藝對(duì)比見(jiàn)表1。根據(jù)采場(chǎng)頂板、圍巖應(yīng)力(壓力)產(chǎn)生的機(jī)制及表現(xiàn)形式，可以將穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方式分為原巖應(yīng)力(壓力)變化測(cè)量、變形位移測(cè)量以及內(nèi)部微破壞監(jiān)測(cè)，如圖1所示[5-8]。

表1 2種采礦方法工藝對(duì)比

結(jié)合采場(chǎng)實(shí)際情況(采場(chǎng)面積、工作面布置、鉆孔孔徑和回采周期等)和巖石力學(xué)方面因素，對(duì)礦井地壓監(jiān)測(cè)方式和監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了選型，確定試驗(yàn)采場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)方式采用原巖應(yīng)力(壓力)變化測(cè)量和變形位移測(cè)量，采用“應(yīng)力+壓力+位移”的測(cè)量方法，即采用以應(yīng)力監(jiān)測(cè)為主、以壓力和位移監(jiān)測(cè)為輔的多參數(shù)監(jiān)測(cè)方法。

圖1 常用地壓監(jiān)測(cè)方式與方法

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

影響采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的因素很多，如回采深度、巖石性質(zhì)、頂板暴露形狀和大小、是否支護(hù)、采空區(qū)與采場(chǎng)相互位置關(guān)系等。而采場(chǎng)穩(wěn)定性是多因素耦合作用的結(jié)果。因此，在監(jiān)測(cè)布點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量選取對(duì)采場(chǎng)安全開(kāi)采影響最大的位置[9-11]。通過(guò)分析-150 m中段在生產(chǎn)的4個(gè)采場(chǎng)，統(tǒng)籌考慮地壓監(jiān)測(cè)的代表性和施工的便捷性，選擇位于居中位置的12-4采場(chǎng)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，并在采場(chǎng)內(nèi)外的合理位置布置鉆孔應(yīng)力計(jì)、壓力計(jì)和位移計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示[12-13]，具體測(cè)點(diǎn)布置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 12-2采場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表2 某鈾礦-150 m中段采場(chǎng)地壓監(jiān)測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

12-4采場(chǎng)總采高45 m，其中前15 m采用上向矸石充填法開(kāi)采，剩余30 m采用無(wú)軌采礦法開(kāi)采。因此，利用1套穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)網(wǎng)，收集整理了2種采礦方法下的采場(chǎng)頂板應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析了不同采礦方法下的頂板穩(wěn)定性。

2.1 傳統(tǒng)上向矸石充填法

2.1.1 應(yīng)力分析

采場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要分布在采場(chǎng)頂板(6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))和下部沿脈中(共3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因壓力計(jì)故障，僅剩2個(gè)有效監(jiān)測(cè)點(diǎn))。下部沿脈中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要作為整個(gè)采場(chǎng)頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)的對(duì)照點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，ZK01、ZK02、ZK03的應(yīng)力在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)無(wú)較大變化，這是由于3個(gè)點(diǎn)位布置在采場(chǎng)頂板的兩端，該位置因有兩邊圍巖的支撐，應(yīng)力分布均勻。但受礦山斜坡道掘進(jìn)放炮影響，3個(gè)點(diǎn)位的應(yīng)力均存在小幅度的波動(dòng)，說(shuō)明采動(dòng)放炮作業(yè)對(duì)圍巖應(yīng)力變化有一定影響。ZK01的應(yīng)力在監(jiān)測(cè)后期壓力陡降至0 MPa，這是因?yàn)樵摬蓤?chǎng)無(wú)軌開(kāi)采的聯(lián)絡(luò)道口正位于ZK01安裝位置，隨著聯(lián)絡(luò)道與采場(chǎng)的貫通，ZK01監(jiān)測(cè)點(diǎn)不復(fù)存在。ZK04、ZK05、ZK06位于采場(chǎng)頂板的中部，也是整個(gè)采場(chǎng)的應(yīng)力集中區(qū)域，在深部高地壓的作用下，地壓活動(dòng)明顯。ZK04的應(yīng)力在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期呈緩慢上升的趨勢(shì)，2個(gè)月間壓力升高了約0.5 MPa，說(shuō)明在上部高地壓和采動(dòng)放炮頻繁擾動(dòng)下，頂板圍巖在開(kāi)挖后始終未達(dá)到應(yīng)力平衡。ZK05和ZK06的應(yīng)力在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)呈下降趨勢(shì)，且ZK05處應(yīng)力在第43天至第50天間有一個(gè)陡降變化，說(shuō)明該處圍巖在頻繁放炮擾動(dòng)下出現(xiàn)了下沉。據(jù)采場(chǎng)安全員反饋，該區(qū)域頂板出現(xiàn)1條裂縫，現(xiàn)場(chǎng)情況與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

圖3 采場(chǎng)頂板6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化

2個(gè)對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化如圖4所示。ZK07和ZK08作為對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置在采場(chǎng)下部的沿脈中?？梢钥闯?，2處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明采場(chǎng)下部圍巖在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間變化后，其應(yīng)力達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。

圖4 2個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)照點(diǎn)的應(yīng)力變化

2.1.2 應(yīng)變分析

CJ01是布置在采場(chǎng)內(nèi)的位移沉降變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄了采場(chǎng)頂板在2個(gè)月內(nèi)的下沉變化量，CJ01的相對(duì)位移變化如圖5所示。可以看出，采場(chǎng)頂板在第1個(gè)月雖然也在下沉，但變化幅度較緩，平均下沉速率為0.056 mm/d。但在不斷采動(dòng)放炮擾動(dòng)以及斜坡道、聯(lián)絡(luò)道掘進(jìn)面的接近下，使得采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，在第2個(gè)月平均下沉速率為0.108 mm/d，是第1個(gè)月的1.9倍。該結(jié)果與前述應(yīng)力監(jiān)測(cè)和宏觀觀察結(jié)果相符。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ01相對(duì)位移變化

2.2 無(wú)軌采礦法

該鈾礦山對(duì)采礦方法進(jìn)行了改進(jìn)，12-2采場(chǎng)的后續(xù)回采作業(yè)均采用無(wú)軌采礦法。在開(kāi)展地壓監(jiān)測(cè)的第2個(gè)月末，斜坡道和聯(lián)絡(luò)道均已開(kāi)拓到位，采場(chǎng)頂板地壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)(應(yīng)力)隨著回采作業(yè)進(jìn)行也均失效。因此，根據(jù)12-2采場(chǎng)新的回采布置方式，重新在采場(chǎng)中央應(yīng)力集中區(qū)域布置了2個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(ZK09和ZK10)和1個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)(CJ02)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。同時(shí)繼續(xù)收集采場(chǎng)下部ZK07和ZK08對(duì)照點(diǎn)數(shù)據(jù)，并在整理剔除冗余數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)后，從應(yīng)力和應(yīng)變方面進(jìn)行了分析。

圖6 采場(chǎng)頂板2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ02相對(duì)位移變化

ZK09和ZK10位于無(wú)軌采場(chǎng)頂板的中部，也是整個(gè)采場(chǎng)的應(yīng)力集中區(qū)域。從圖6和圖7可看出，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期呈緩慢上升的趨勢(shì)，頂板也在緩慢下沉。這說(shuō)明在采動(dòng)放炮頻繁擾動(dòng)下，頂板圍巖在開(kāi)挖后始終未達(dá)到平衡狀態(tài)。但由于無(wú)軌開(kāi)采的采場(chǎng)頂板空頂時(shí)間約為1個(gè)月，較原留礦法時(shí)間大大縮短，采場(chǎng)頂板在下沉達(dá)到應(yīng)力極限前已被崩落而解除應(yīng)力。在無(wú)軌采礦法下，12-2采場(chǎng)頂板在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)未出現(xiàn)冒頂、脫層現(xiàn)象。

2.3 2種采礦方法的圍巖穩(wěn)定性對(duì)比

2種采礦方法下頂板應(yīng)力對(duì)比如圖8所示?？梢钥闯觯谏舷虺涮罘ㄏ?，12-2采場(chǎng)頂板已空頂4個(gè)月，在剪切力的作用下頂板的應(yīng)力狀態(tài)已由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，故監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力增量為負(fù)，易發(fā)生冒落或脫層；而對(duì)于無(wú)軌采礦法，其頂板為新開(kāi)挖揭露，在剪應(yīng)力的作用下尚未達(dá)到應(yīng)力平衡，應(yīng)力狀態(tài)仍以壓應(yīng)力為主，故監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力增量為正，在該狀態(tài)下，頂板是相對(duì)穩(wěn)定的。

圖8 2種采礦方法下頂板應(yīng)力對(duì)比

2種采礦方法下的頂板應(yīng)變位移對(duì)比如圖9所示,對(duì)照點(diǎn)應(yīng)力變化如圖10所示。從圖9、圖10可看出，由于上向充填法頂板應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，其監(jiān)測(cè)后期的下沉速率明顯高于無(wú)軌采礦法，下沉速率較前期增大了1.9倍，使得采場(chǎng)頂板出現(xiàn)裂縫，采場(chǎng)頂板圍巖的穩(wěn)定性較差。

圖9 2種采礦方法下頂板應(yīng)變位移對(duì)比

圖10 2種采礦方法下對(duì)照點(diǎn)應(yīng)力變化

采場(chǎng)下部的2個(gè)對(duì)照點(diǎn)的應(yīng)力在不同采礦方法下均未出現(xiàn)大的波動(dòng)，說(shuō)明采場(chǎng)下部圍巖早已達(dá)到新的應(yīng)力平衡，不會(huì)隨著回采作業(yè)的變化而變化。

3 結(jié)論

針對(duì)某鈾礦井開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移、回采方法調(diào)整對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，利用應(yīng)力和應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法，對(duì)12-2采場(chǎng)的頂板穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，影響當(dāng)前深部采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的主要因素是高地應(yīng)力下的空頂時(shí)間。頻繁的爆破加劇了頂板的不穩(wěn)定性；而無(wú)軌采礦法較傳統(tǒng)上向矸石充填法大大縮短了空頂時(shí)間，同時(shí)爆破擾動(dòng)也有所減小，使得當(dāng)前采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性得到較大改善。因此，在同等采場(chǎng)規(guī)模下，無(wú)軌采礦法的頂板穩(wěn)定性要優(yōu)于常規(guī)采礦法。