地下礦山軟巖巷道地壓監(jiān)測(cè)及其顯現(xiàn)規(guī)律研究

郭 斌 王立杰 耿 帥，2 王福全 尹愛(ài)民 楊金光

（1.河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司，河北 邢臺(tái) 054100；2.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

開(kāi)掘巷道形成空洞，破壞了原巖應(yīng)力的平衡，應(yīng)力重新分布，形成次生應(yīng)力場(chǎng)[1-2]，圍巖中次生應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力小于巖石極限強(qiáng)度，或應(yīng)變小于巖石極限應(yīng)變時(shí)，巷道不需支護(hù)即能保持穩(wěn)定，否則需人工支護(hù)。當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力和變形變化到一定程度超過(guò)圍巖強(qiáng)度及支護(hù)阻力時(shí)，造成支護(hù)變形破壞。

某鐵礦為一埋藏較深的矽卡巖型磁鐵礦床，井下不穩(wěn)固圍巖主要是矽卡巖和蝕變閃長(zhǎng)巖，根據(jù)已經(jīng)開(kāi)采的-170 m、-230 m水平等工程揭露，大部分礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水性較強(qiáng)，軟巖遇水泥化，穩(wěn)定性較差。隨著時(shí)間的推進(jìn)，井下部分巷道地壓顯現(xiàn)，陸續(xù)出現(xiàn)巷道底臌變形、側(cè)幫向內(nèi)擠壓、頂部支護(hù)體下沉、錨桿脫落和漿皮開(kāi)裂脫落等情況。另外還存在支護(hù)成本高、返修率高、支護(hù)難度高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。為此，亟需進(jìn)行巷道圍巖應(yīng)力和變形機(jī)制監(jiān)測(cè)[3-6]，了解巷道圍巖的變形和壓力變化規(guī)律，分析構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，揭示矽卡巖、蝕變閃長(zhǎng)巖巷道地壓顯現(xiàn)機(jī)制，根據(jù)不同地壓顯現(xiàn)機(jī)制，指導(dǎo)優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，研究針對(duì)性的支護(hù)方案，保障采掘安全及支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1 地壓監(jiān)測(cè)方案

1.1 測(cè)區(qū)選擇

由于-230 m水平為首采中段，對(duì)于安全生產(chǎn)極為關(guān)鍵，因此在-230 m水平下盤(pán)沿脈巷道中選擇典型斷面安裝地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備。共選取5個(gè)區(qū)域，本研究以其中3#測(cè)區(qū)為例進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)方案描述。3#測(cè)區(qū)巷道左側(cè)為矽卡巖，頂部和右側(cè)為大理巖，巷道斷面約為4.8 m×3.85 m。巷道開(kāi)挖造成圍巖的擾動(dòng)范圍一般為5倍的巷道直徑[7]，因此井下巷道圍巖擾動(dòng)范圍直徑約為24 m，半徑約為12 m，據(jù)此將巷道周圍11 m內(nèi)圍巖作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。地壓監(jiān)測(cè)以應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)為主，監(jiān)測(cè)儀器的選擇遵循經(jīng)濟(jì)可靠靈敏，便于安裝等原則。

1.2 巷道圍巖壓力監(jiān)測(cè)

巷道圍巖壓力監(jiān)測(cè)選用錨桿應(yīng)力計(jì)，斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。在兩幫和頂部各施工1個(gè)6 m深鉆孔作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鉆孔孔徑75 mm。每個(gè)鉆孔中埋設(shè)4個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)，測(cè)量巷道圍巖內(nèi)部徑向壓力的變化。4個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)距離巷道表面分別為0.5 m、1.5 m、3 m、4.5 m。3個(gè)鉆孔共計(jì)12個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)。

1.3 巷道變形量監(jiān)測(cè)

為了便于分析巷道圍巖內(nèi)部壓力和變形的變化規(guī)律，與壓力監(jiān)測(cè)斷面得到的壓力變化規(guī)律相互印證，在對(duì)應(yīng)的巷道斷面進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)主要采用多點(diǎn)位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置方案與壓力監(jiān)測(cè)方案相同。在兩幫和頂部各施工1個(gè)6 m深鉆孔作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鉆孔孔徑128 mm。每個(gè)鉆孔中埋設(shè)4個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)，測(cè)量巷道圍巖沿鉆孔軸向的位移[7]?？變?nèi)位移計(jì)布置方式和間距如圖2所示，4個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)距離巷道表面分別為1 m、2 m、3 m、4 m，孔底為固定點(diǎn)，3個(gè)鉆孔共計(jì)12個(gè)位移計(jì)。

1.4 監(jiān)測(cè)儀器工作原理

（1）錨桿測(cè)力計(jì)。采用JTM-V1000A系列振弦式錨桿測(cè)力計(jì)，當(dāng)被測(cè)巷道內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，錨桿受到拉伸或壓縮，同步產(chǎn)生變形對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出所受應(yīng)力。

（2）多點(diǎn)位移計(jì)。采用JTM-V7000J多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行巷道圍巖的變形監(jiān)測(cè)，當(dāng)被測(cè)巷道發(fā)生位移變形時(shí)，多點(diǎn)位移計(jì)的錨頭帶動(dòng)拉桿產(chǎn)生位移變形，同步產(chǎn)生對(duì)應(yīng)變形的振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出變形量[8-10]。

1.5 數(shù)據(jù)采集及傳輸

數(shù)據(jù)采集箱安裝在錨桿測(cè)力計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)斷面附近，多臺(tái)數(shù)據(jù)采集箱可以串接至礦山井下環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中的各中段環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，經(jīng)環(huán)網(wǎng)光纖傳輸至地表集控中心的主機(jī)上。在地表實(shí)現(xiàn)對(duì)井下巷道圍巖的受力和變形進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和危害預(yù)警。

2 地壓監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)讀取及計(jì)算方法

水泥漿凝固后打開(kāi)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)反復(fù)出現(xiàn)3次以上時(shí)，此頻率為初始頻率f0，使用頻率計(jì)算荷載、位移時(shí)，公式如下：

式中，F(xiàn)為錨桿應(yīng)力計(jì)荷載，kN；L為多點(diǎn)位移計(jì)位移量，mm；K1、K2為系數(shù)，kN/Hz2、mm/Hz2，見(jiàn)表1和表2；f0為初始頻率，Hz；fi為實(shí)時(shí)頻率，Hz。

?

?

2.2 壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，荷載傳感器掃描頻率為1 min/次，以持續(xù)時(shí)間為55 d計(jì)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析研究，得出相應(yīng)的荷載變化過(guò)程線性圖如圖3、圖4和圖5所示。

從-230 m水平下盤(pán)沿脈巷道監(jiān)測(cè)斷面圍巖內(nèi)錨桿軸力的日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，圍巖測(cè)點(diǎn)的錨桿軸力受開(kāi)挖擾動(dòng)影響逐漸增大，在一定時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定。左幫矽卡巖測(cè)點(diǎn)的荷載變化較大，最大荷載達(dá)6.4 kN；0.5 m、1.5 m、3.0 m測(cè)點(diǎn)受拉力，4.5 m測(cè)點(diǎn)受壓力。頂部大理巖測(cè)點(diǎn)的荷載變化較小，最大荷載達(dá)2.0 kN；0.5 m、1.5 m、4.5 m測(cè)點(diǎn)受拉力，3.0 m測(cè)點(diǎn)受壓力。右?guī)痛罄韼r測(cè)點(diǎn)0.5 m、1.5 m、3.0 m測(cè)點(diǎn)的荷載幾乎無(wú)變化，4.5 m測(cè)點(diǎn)荷載一直增大，最大荷載為16 kN，此處應(yīng)受右側(cè)新掘巷道影響加劇了圍巖的松散破壞狀態(tài)。

2.3 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，位移傳感器掃描頻率為1 min/次，按持續(xù)時(shí)間為55 d計(jì)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析研究，得出相應(yīng)的位移變化過(guò)程線性圖如圖6、圖7和圖8所示。

從-230 m水平下盤(pán)沿脈巷道監(jiān)測(cè)斷面圍巖內(nèi)位移的日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，圍巖測(cè)點(diǎn)的位移受開(kāi)挖擾動(dòng)影響逐漸增大，在一定時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定。左幫測(cè)點(diǎn)的位移變化較大，最大位移達(dá)48 mm；頂部和右?guī)臀灰埔谱兓^小，最大位移分別為2.6 mm和0.28 mm，說(shuō)明巷道穩(wěn)固性較差。各測(cè)點(diǎn)孔口處的位移量最大，孔底最小。受開(kāi)挖擾動(dòng)影響，變形急劇增長(zhǎng)，最高變化率達(dá)1 mm/d，持續(xù)超30 d，此后變形逐漸穩(wěn)定。

2.4 錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

巷道圍巖應(yīng)力和位移是巷道圍巖應(yīng)力和形狀發(fā)生變形最直接的反映，通過(guò)監(jiān)測(cè)采掘階段圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，了解巷道圍巖的變形和壓力變化規(guī)律，把握采掘過(guò)程中結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)巷道現(xiàn)有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究。-230 m水平3#測(cè)區(qū)巷道圍巖現(xiàn)有支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，采用KMG500-20-2400型錨桿，錨桿長(zhǎng)度1 800 mm，錨桿間距1 000 mm，網(wǎng)片?6 mm，網(wǎng)度200 mm×200 mm。利用前述-230 m水平3#測(cè)區(qū)所測(cè)得的巷道圍巖左幫、頂板、右?guī)妥畲笞冃瘟考板^桿應(yīng)力荷載，結(jié)合礦山已有地質(zhì)資料和礦巖強(qiáng)度特征及巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，以確定合理的錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距和錨桿排距。

首先，根據(jù)3#測(cè)區(qū)巷道圍巖松動(dòng)圈厚度最大值及松動(dòng)圈支護(hù)理論，選取錨桿最佳長(zhǎng)度為2 400 mm；然后，利用FLAC3D軟件建立符合現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件的巷道支護(hù)三維數(shù)值模型，根據(jù)上述地壓監(jiān)測(cè)獲得的巷道圍巖變形量和塑性區(qū)面積，以錨桿最佳長(zhǎng)度為定量，錨桿間排距為變量，分別計(jì)算不同錨桿排距下的最佳錨桿間距。最后，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，確定合理的錨桿間排距。經(jīng)過(guò)三維數(shù)值模擬計(jì)算，確定-230 m水平3#測(cè)區(qū)巷道圍巖錨網(wǎng)噴支護(hù)優(yōu)化方案為：錨桿長(zhǎng)度2 400 mm、間距800 mm、排距800 mm。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，優(yōu)化后支護(hù)效果較為穩(wěn)定。表明地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為軟巖巷道合理的支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定提供保障。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一套完整的巷道地壓綜合監(jiān)測(cè)體系，以巷道圍巖壓力監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)為主，實(shí)現(xiàn)在地表集控中心對(duì)井下巷道圍巖的受力和變形進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和預(yù)警。巷道圍巖壓力監(jiān)測(cè)選用錨桿應(yīng)力計(jì)，變形監(jiān)測(cè)選用多點(diǎn)位移計(jì)，實(shí)踐表明，本系統(tǒng)對(duì)捕捉巷道圍巖變形規(guī)律效果顯著，可作為類似工程監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)參考。

（2）通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得不同巖性的巷道圍巖的應(yīng)力和變形機(jī)制。圍巖測(cè)點(diǎn)的錨桿軸力受開(kāi)挖擾動(dòng)影響逐漸增大，在一定時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定；圍巖測(cè)點(diǎn)的變形量受開(kāi)挖擾動(dòng)影響逐漸增大，在一定時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定；各測(cè)點(diǎn)孔口處的位移量最大，孔底最小。

（3）根據(jù)地壓監(jiān)測(cè)所獲得的巷道圍巖左幫、頂板、右?guī)妥畲笞冃瘟亢湾^桿應(yīng)力荷載，結(jié)合礦山已有地質(zhì)資料和礦巖強(qiáng)度特征及巷道圍巖松動(dòng)圈厚度范圍，利用FLAC3D建立符合現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件的巷道支護(hù)三維數(shù)值模型，進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，確定-230 m水平3#測(cè)區(qū)巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)優(yōu)化方案為：錨桿長(zhǎng)度2 400 mm、間距800 mm、排距800 mm。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，優(yōu)化后支護(hù)效果較為穩(wěn)定。表明地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為軟巖巷道合理的支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定提供保障。