沂南金礦地壓規(guī)律監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊素俊,趙興東,張洪波,萬(wàn)記龍

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 遼寧沈陽(yáng) 110004;2.山東黃金集團(tuán)股份有限公司沂南金礦, 山東沂南市 276300)

沂南金礦地壓規(guī)律監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊素俊1,趙興東1,張洪波2,萬(wàn)記龍2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 遼寧沈陽(yáng) 110004;2.山東黃金集團(tuán)股份有限公司沂南金礦, 山東沂南市 276300)

礦山壓力顯現(xiàn)是與礦山開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)所誘發(fā)的微破裂萌生、發(fā)展以至貫通等巖石破裂失穩(wěn)問(wèn)題相關(guān)的。借助地質(zhì)力學(xué)手段以及應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)沂南金礦-330,-342 m中段采場(chǎng)及巷道圍巖進(jìn)行了變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)。運(yùn)用壓力盒觀測(cè)整個(gè)采礦過(guò)程中圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律,總結(jié)該礦地質(zhì)力學(xué)特征及其應(yīng)力分布規(guī)律;應(yīng)用多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)整個(gè)采礦過(guò)程中巷道圍巖深部位移變化規(guī)律,探討采礦活動(dòng)誘發(fā)圍巖松動(dòng)范圍的變形規(guī)律,掌握了采礦活動(dòng)全過(guò)程的圍巖變形變化規(guī)律,為選擇合適的采礦方法以及地壓管理方法提供了科學(xué)依據(jù)。

巖層失穩(wěn);壓力顯現(xiàn);地壓監(jiān)測(cè);壓力盒;多點(diǎn)位移計(jì)

0 引 言

沂南金礦位于沂南縣界湖鎮(zhèn)金場(chǎng)村內(nèi),目前開(kāi)拓深度達(dá) 500余米。礦體傾角在 14°左右,為緩傾斜分支多層礦體,在垂直方向兩礦體間距為 40 m左右,采礦方法為房柱法和全面法,空區(qū)采用廢石回填,實(shí)現(xiàn)廢石不出坑。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜,為沉積變質(zhì)矽卡巖型礦床,巖石變質(zhì)程度高、蝕變物充填節(jié)理內(nèi)部,造成巖體被節(jié)理切割破碎,在層間節(jié)理之間、以及巖體內(nèi)巖塊之間全部充填有蝕變物[1],此蝕變物在無(wú)水作用下具有一定強(qiáng)度,在水的弱化作用下該蝕變物失去強(qiáng)度,造成巖體失穩(wěn)破壞。

圖1 巷道底臌

圖2 巷道兩幫收縮

近年來(lái),隨著開(kāi)采深度的增加,礦區(qū)巖體蝕變程度增加、節(jié)理裂隙發(fā)育,地壓顯現(xiàn)明顯,致使在主要平巷掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)各種地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,諸如:巷道兩幫收縮或片幫、頂板下沉以至冒落、巷道底臌以及支護(hù)破壞等現(xiàn)象 (圖1～圖4)。上述地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象使巷道斷面縮小,導(dǎo)致部分地段的正常生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行,制約著井下生產(chǎn)任務(wù)的完成,并且嚴(yán)重威脅著設(shè)備及工人的人身安全。目前,針對(duì)此種地壓形式采取的支護(hù)形式主要有混凝土砌碹、工字鋼支架、漿砌塊石以及管縫錨桿配合金屬網(wǎng)支護(hù)等。這些支護(hù)方法不能完全有效地控制地壓顯現(xiàn),在高壓力段同樣造成兩幫收縮變形破壞。所以運(yùn)用特定的手段對(duì)整個(gè)采礦過(guò)程中的圍巖應(yīng)力及位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),據(jù)此探討并總結(jié)礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)特征和應(yīng)力分布規(guī)律,了解采礦活動(dòng)誘發(fā)圍巖松動(dòng)范圍的變形規(guī)律,掌握采礦活動(dòng)全過(guò)程的圍巖變形變化規(guī)律,對(duì)礦山的安全、高效生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[2]。

1 運(yùn)用壓力盒監(jiān)測(cè)圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

1.1 壓力盒工作原理

圖4 支護(hù)破壞現(xiàn)象

圖3 巷道頂板冒落

壓力盒是用來(lái)量測(cè)巖土以及其他工程中某一方向上 應(yīng)力變化規(guī)律的儀器,在地下礦山中通常用壓力盒量測(cè)采礦過(guò)程中的垂直應(yīng)力以及水平應(yīng)力變化規(guī)律[3]。本研究應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)采用的是液壓枕測(cè)力計(jì),此測(cè)力計(jì)是以充滿(mǎn)油液的封閉枕體作為受壓元件制成的,主要由壓力表盤(pán)和液壓枕兩部分組成(見(jiàn)圖5),枕體壓力盒由上下蓋板壓模對(duì)焊而成。在測(cè)試過(guò)程中,枕體的上下面均處于三向應(yīng)力狀態(tài),只是枕體四周處于二向應(yīng)力狀態(tài),如在垂直方向發(fā)生地壓活動(dòng),壓力盒將進(jìn)入工作狀態(tài)并及時(shí)顯示地壓變化情況 (見(jiàn)圖6),為掌握其地壓活動(dòng)規(guī)律提供依據(jù)[4]。

圖5 液壓枕測(cè)力計(jì)

圖6 枕體受力工作狀態(tài)

1.2 壓力盒安設(shè)方法

為了便于進(jìn)行對(duì)比,壓力盒安設(shè)在不同的地質(zhì)條件以及受采礦活動(dòng)影響不同的地點(diǎn)。本研究在-330 m中段的 A7、N9等位置以及 -342 m中段的左 1、左 4等位置分別安裝 1個(gè)壓力盒。壓力盒安裝在上下 2根立柱之間,立柱用高強(qiáng)度鋼管制作而成,其中一根立柱用直徑不同的 2根鋼管組成,在這2根鋼管的一端分別開(kāi)螺紋,使其能夠正好咬合而實(shí)現(xiàn)上下伸縮,以便把壓力盒牢固地安設(shè)在待測(cè)地點(diǎn)。為了使液壓枕受力均勻,不致因應(yīng)力太大而使立柱鉆入巖石內(nèi),在立柱的兩端各焊上一塊厚度為10 mm的鋼板,安裝時(shí)先把該處的頂?shù)装逭?然后把液壓枕擠在兩立柱之間并用工具旋轉(zhuǎn)螺紋段,使壓力盒被緊壓在兩立柱之間,而且液壓枕處于一定的初始受力狀態(tài)。

1.3 壓力盒監(jiān)測(cè)結(jié)果

每隔一段時(shí)間記錄壓力表讀數(shù)并錄入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表中,僅以 -330 m中段 N9位置的數(shù)據(jù)記錄為例(見(jiàn)表1)。

表1 壓力盒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),安裝在 -330 m中段N9位置的壓力盒的示數(shù)從初始的 12 kN上升到了 105 kN,而安裝在 -342 m中段左 1位置的壓力盒的示數(shù)僅從初始的 20 kN上升到 28 kN,兩者變化相差很大。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn),前者在垂直方向上處于 -305 m中段采空區(qū)和 -342 m中段之間,水平方向上處于西南主運(yùn)和北主運(yùn)的交叉地帶,由于在其周?chē)嬖诖罅康拈_(kāi)挖空間,所以此處壓力顯現(xiàn)很明顯,而后者僅處于單條巷道開(kāi)挖邊界,所以壓力不是很明顯。

2 運(yùn)用多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)圍巖位移變化規(guī)律

2.1 多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)試原理

本次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)使用 KDW-1型機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)。該多點(diǎn)位移計(jì)由測(cè)點(diǎn)錨固頭、測(cè)量鋼絲和孔口測(cè)讀裝置組成(見(jiàn)圖7)。埋設(shè)在鉆孔內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)錨固頭與孔壁緊密連接,巖層移動(dòng)時(shí)能夠帶動(dòng)各測(cè)點(diǎn)錨頭一起移動(dòng),測(cè)點(diǎn)的位移狀態(tài)通過(guò)與之固定的位移傳遞鋼絲引至巖體外部。各組錨頭安裝在不同的位置,當(dāng)巖石、礦體發(fā)生位移時(shí),不同層次的測(cè)點(diǎn)位置移動(dòng)量由標(biāo)尺指示[5]。

圖7 多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)孔結(jié)構(gòu)

當(dāng)淺部范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí) (如 1.5 m),淺部標(biāo)尺位置不變,深、中部位置的標(biāo)尺向內(nèi)移動(dòng),表明巖體淺部有移動(dòng),移動(dòng)量由標(biāo)尺指示,當(dāng)中部范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)(如 4 m),淺部、中部標(biāo)尺位置不變,深部的標(biāo)尺向內(nèi)移動(dòng),移動(dòng)量由標(biāo)尺指示[6],據(jù)此可測(cè)出巖層移動(dòng)量。

2.2 多點(diǎn)位移計(jì)安裝方法

在 -330,-342 m中段選擇若干個(gè)地方安裝多點(diǎn)位移計(jì) ,每個(gè)地方都打 30°、60°和 90°3個(gè)不同角度的孔 (見(jiàn)圖8),每個(gè)孔內(nèi)各安裝 1個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)。安裝時(shí)在巷道周?chē)鷾y(cè)點(diǎn)處打好安裝位移計(jì)用鉆孔后,對(duì)孔進(jìn)行吹洗,并測(cè)量深度。先安裝長(zhǎng)錨頭、然后安裝中錨頭、最后安裝短錨頭,用安裝桿或鉆桿把錨頭送至設(shè)計(jì)位置,送入時(shí),用手拉緊測(cè)繩。將 3根測(cè)繩穿過(guò)每個(gè)測(cè)點(diǎn),再穿過(guò)彈簧和標(biāo)尺,將基準(zhǔn)座與標(biāo)尺的某一刻度對(duì)齊后把孔芯緊固螺絲與鋼絲繩連接牢固。

圖8 多點(diǎn)位移計(jì)安裝位置

2.3 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

每隔一段時(shí)間記錄多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)并錄入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表中,-330 m中段N14位置的數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2。

表2 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,安裝在 -330 m中段 N14位置的多點(diǎn)位移計(jì)變化比其他位置大得多,分析其原因是因?yàn)樵撎幨窃诙帱c(diǎn)位移計(jì)安設(shè)前幾天才新開(kāi)挖的空間,其巖體正處于二次應(yīng)力平衡的過(guò)程中,所以圍巖位移比較明顯。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)各個(gè)壓力盒和多點(diǎn)位移計(jì)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析可以得出如下結(jié)論:

(1)安裝在垂直或水平方向上受采礦活動(dòng)影響大的地方的壓力盒和多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)明顯比受采礦活動(dòng)影響小的地方的數(shù)據(jù)變化大;安裝在地質(zhì)條件比較復(fù)雜、巖石比較破碎的地方的壓力盒和多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)明顯比地質(zhì)條件比較好的地方的數(shù)據(jù)變化大。這說(shuō)明地壓活動(dòng)受巖體應(yīng)力、巖性以及地質(zhì)構(gòu)造的影響,是在巖體中回采礦石破壞原巖應(yīng)力平衡的必然結(jié)果。

(2)安裝在新開(kāi)挖的地方的壓力盒和多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)據(jù)明顯比開(kāi)挖后時(shí)間長(zhǎng)的地方的數(shù)據(jù)變化大;安裝在新開(kāi)挖地方的壓力盒和多點(diǎn)位移計(jì)初期的數(shù)據(jù)變化比較大,后期逐漸趨于平緩。這說(shuō)明在巖體中進(jìn)行采礦,擾亂了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài),在采場(chǎng)或巷道周邊形成二次應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)二次應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力達(dá)到某一特定值時(shí)巖層便發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致地壓活動(dòng),其結(jié)果是形成二次應(yīng)力平衡狀態(tài)。

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(4)該裝置的電磁鐵部分必須配備隔爆元件,以防止失爆事故的發(fā)生。

2.2 效果分析

以往掘進(jìn)工作面因噴霧問(wèn)題造成工作面粉塵濃度達(dá)到 1～3 g/m3,最大達(dá)到 5 g/m3,嚴(yán)重威脅工人的健康,而使用新型噴霧裝置后,噴漿過(guò)程中最大的粉塵濃度僅為 0.5 g/m3左右,充分實(shí)現(xiàn)了降塵的效果。

3 結(jié) 論

礦井粉塵治理是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱巨的任務(wù),不僅關(guān)系到職工的身心健康,而且還影響到煤礦的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等一系列問(wèn)題。采取有效技術(shù)措施抑制和消除懸浮于空氣中的粉塵,是防治粉塵危害的根本方法。通過(guò)實(shí)踐證明,新型噴霧裝置大大提高了工作面的防塵效果,杜絕了因人為因素造成的工作面空氣質(zhì)量下降的現(xiàn)象,使噴漿時(shí)的粉塵濃度由5 g/m3降到 0.5 g/m3,收到了較好的效果,對(duì)煤礦煤巷掘進(jìn)及工作面回采時(shí)的降塵也有很強(qiáng)的借鑒意義。

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2010-10-10)

楊素俊 (1985-),男,內(nèi)蒙古卓資人,碩士研究生,研究方向?yàn)閹r層失穩(wěn)及其控制,Email:yangsujun1202@163.com。

(

2010-07-30)

作者簡(jiǎn)介:李培春 (1981-),男,安徽淮北人,助理工程師,從事煤礦鉆掘工區(qū)生產(chǎn)技術(shù)管理工作。