深凹露天轉地下采場地壓及位移監測研究

李航空，蔡美峰，王云飛，任海賓，杜振斐

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京100083）

首鋼礦業公司杏山鐵礦為一座露天生產礦山，經過近40年的開采，目前已形成上口尺寸900m×630m，下口尺寸410m×20m的深凹露天坑。2004年底，杏山鐵礦露天開采已近尾聲，但－33m水平以上露天境界外還殘留一部分掛幫礦體，－33m水平以下深部還有豐富的礦產資源。為此，杏山鐵礦需先對掛幫礦體進行回采，繼而轉入深部開采。掛幫礦體開采的主要對象是大杏山掛幫礦體。該礦體賦存標高為100～－33m，可采儲量為584．29萬t，采用無底柱分段崩落法進行開采。

露天開采期間的大規模開挖，給周圍礦巖體已形成較大的應力擾動，以壓應力釋放為主，局部可能產生應力集中［1］。在此基礎上，采用無底柱分段崩落法進行地下開采，使采場長期處于多變的應力環境中，形成更為復雜的應力場，從而引起巷道圍巖的進一步變形破壞。為及時了解和掌握巷道圍巖的應力應變情況，分析判斷其穩定性，有必要在回采進路中進行采場動壓和巷道斷面收斂監測，以便掌握采動應力分布特征及采場圍巖變化規律，從而有助于優化礦山開采設計和指導礦山安全生產。

1 監測儀器、測量原理及布置形式

本次應力監測采用天地科技股份有限公司開發研制的ZYJ型鉆孔應力計，它是近幾年發展起來的一種巖體應力變化測試技術，具有靈敏度高、讀數方便、簡單等特點，在地下圍巖應力監測中得到廣泛的應用。

1.1 ZYJ－25型鉆孔應力計

（1）結構及測量原理

ZYJ－25型鉆孔應力計，主要由包裹體、應力枕、油管、壓力表、注油咀等組成，它采用充液膨脹的鉆孔應力枕特殊結構形式，是專用于煤、巖體內相對應力變化的測量儀器。

安裝時，用安裝桿將探頭緩慢推入Φ45～Φ55mm的鉆孔內，并加壓，使探頭緊貼孔壁。當巖體內的應力發生變化時，鉆孔內應力通過應力枕兩面的包裹體傳遞到應力枕，轉變為應力枕內的液體壓力，該壓力經油管傳遞到壓力表，壓力表指針便 可指示出孔內的應力值。

（2）布置形式

ZYJ－25型鉆孔應力計，可以監測任一方向的應力變化，我們可以根據實際監測的需要，選擇其安裝方式。本次監測主要針對垂直方向上的應力變化情況，故將鉆孔應力計布置在回采巷道兩幫水平孔內，埋深2～3m。安裝時，應力枕水平放置，使包裹體處于上下位置。

1.2 收斂計

收斂計可直接測出兩點之間的絕對位移之和（即收斂值），是測量精度較高、使用方便且應用廣泛的一種儀器［2］。本次采用的是QJ85型收斂計，主要運用在巷道施工中的斷面收斂量測，可直觀精確地量測出巷道的變形量，為支護方案選擇提供依據。

（1）結構及測量原理

QJ85型收斂計，主要由掛鉤、鋼尺、百分表、調節螺母等組成［3］，可測出巷道周邊兩固定點在連線方向上的位移變化，所測得的數值是兩固定點在其連線方向上位移量之和。為求出每一測點的位移量，可采用閉合三角形法分析解算，如圖1所示［4］。為了便于分析計算，作如下假設：

① 圍巖變形均發生在與巷道軸線相垂直的斷面內。②頂點A處在巷道中心線附近位置，只有豎向位移，認為ΔAx＝0。③ 幫上兩個測點B、C在同一水平上，兩點的豎向位移量忽略不計，即：

設初始基線長度為：LAB，LBC，LAC

任一時刻基線長度：LA′B′，LB′C′，LA′C′

從圖1可以看出，AO⊥BC，O為垂足，則O到各點的初始距離分別為H、XB、XC，由勾股弦定理可以求得：

同理，可以求出任一時刻O點到各點的距離h、XB′、XC′。于是各測點的位移為：

（2）布線方式

巷道斷面收斂監測，實際上就是測量巷道兩幫、頂底板之間的相對位移。本次監測采用安裝、測試簡便、精度較高且具有可驗證性的雙三角形布線方式，如圖2所示。通過測線BC、DE的變化，可得出巷道兩幫的相對變形；通過測線AB、AC、AD、AE的變化，可了解頂板的位移情況。

圖1 測量原理圖

圖2 布線方式圖

2 測點布置

實踐證明，對采場地壓及位移進行監測，能夠很好的評價巷道的穩定性，據此可以推斷采場何時、何處進入危險狀態［5］。為更好的掌握采場地壓變化規律、礦巖體的破壞形式以及巷道圍巖的變形情況，結合回采順序、爆破進度等，我們把測站布置在－33m水平正在回采的4、5進路中。

地壓監測點在每條回采進路中各布置4個，編號分別為1＃、2＃、3＃、4＃。1＃、3＃測點分別布置在巷道的右幫，2＃、4＃測點分別布置在巷道的左幫，兩相鄰測站之間的距離為7m，其中4＃測點距工作面最近。各測點安裝鉆孔高度 （距底板）為1．5m，孔徑Φ45mm，鉆孔深度為2～3m。

收斂監測點在每條回采進路中各布置2個，編號為1＃、2＃，其中2＃測點距工作面距離較近。為了便于監測和結果分析，鉆孔應力計和收斂儀應布置在同一剖面上或附近［6］。在4回采進路中，鉆孔應力計的1＃測點布置在63＃炮孔，2＃測點布置在57＃炮孔；收斂計的1＃測點布置在62＃炮孔，2＃測點布置在58＃炮孔；在5回采進路中，鉆孔應力計和收斂計的1＃、2＃測點共同布置在70＃和65＃炮孔中。

各測站具體布點位置，見圖3。

3 監測結果分析

3.1 采場地壓監測結果分析

采場地壓監測從2009年12月12日到2010年的1月18日，歷經38d。隨著工作面的不斷向前推進，各進路的鉆孔應力計先后被損毀。現將監測到的數據歸納整理，并以距工作面距離為橫軸，以應力計讀數為縱軸，作折線圖4～圖9（由于篇幅限制，各測點鉆孔壓力曲線圖不便一一列出）。

圖3 －33m水平測點布置圖

圖4 5－1＃測點壓力觀測曲線

圖5 5－2＃測點壓力觀測曲線

分析圖4、圖5可知，5進路1＃、2＃鉆孔應力計開始安裝時，壓力值有所下降，但下降量不大。這是由于鉆孔應力計安裝時，設定的初始壓力偏高，鉆孔圍巖變形較大，應力有所釋放造成的。經過一段時間后，壓力迅速增加，稍后逐漸下降，最后趨于穩定，這剛好與采場地壓顯現規律相符，即應力升高區、應力降低區和應力穩定區［7］。采場應力的峰值點在39～42m之間，此處的回采巷道應該加強防護，以免造成安全事故。

圖6 5－3＃測點壓力觀測曲線

圖7 4－1＃測點壓力觀測曲線

圖8 4－3＃測點壓力觀測曲線

圖9 4－4＃測點壓力觀測曲線

圖6～圖9，應力計的讀數均是先緩慢下降，然后逐漸趨于穩定。結合5進路地壓顯現規律，不難看出，這是由于鉆孔應力計安裝時，距工作面的距離較近，處在應力降低區或穩定區的緣故。

總之，巷道圍巖體中的豎直壓力變化幅度，總體上不算太大，都在5．2 MPa以下。這說明受爆破擾動后，采場應力突出不是很明顯，局部的應力集中不會對巷道的穩定性造成太大的影響。

3.2 巷道斷面收斂監測結果分析

根據巷道斷面收斂數據求出各點的位移量，以ΔA、ΔA′的平均值表示頂板下沉量，ΔB、ΔC的位移之和與ΔD、ΔE的位移之和的平均值表示兩幫的移近量，最后以時間 （d）為橫軸，位移（mm）或速率 （mm／d）為縱軸，分別作頂板下沉量、下沉速率和兩幫的移近量、移近速率隨時間變化曲線，見圖10～圖13。

圖10 頂板下沉量曲線圖

圖11 頂板下沉速率曲線圖

圖12 兩幫移近量曲線圖

圖13 兩幫移近速率曲線圖

分析圖10～圖13可知，5進路1＃、2＃巷道斷面收斂，大致經歷了3個階段：變形急劇增長、變形緩慢增長和變形基本穩定。在變形急劇增長階段，頂板下沉速率最高達到了0．46mm／d，兩幫移近速率超過了0．6mm／d；隨著時間的推移，變形緩慢增長，增長率逐漸下降，收斂變化率平均在0．2～0．4mm／d之間；當收斂變化率在0．2mm／d以下時，即認為巷道圍巖是穩定的。

5進路1＃、2＃斷面各測點頂板下沉速率、兩幫移近速率最大，分別發生在第13d和第9d，即離工作面的距離分別為42m和40m，剛好處在應力峰值點區間，這與采場地壓監測情況相符。

5進路各測點頂板下沉量、兩幫移近量均比4進路的略大，這是因為采動引起的局部應力集中，造成巷道變形較大，而4進路斷面始終處于應力降壓區或穩定區，其巷道變形受應力影響較小一些。

綜合圖10～圖13可知，礦體回采時，巷道的位移是以收斂為主，多數表現為頂板的微小下沉和兩幫的微小移近；頂板下沉在4．36mm范圍內，兩幫移近量在10．41mm范圍內，可見，兩幫的移近量大于頂板的下沉量，且前者一般是后者的2倍左右。這一方面是因為早期露天開采期間的大規模開挖，大大消減了上覆巖層的重量；另一方面是因為本礦采用無底柱分段崩落采礦法，在對上一分層進行回采的同時，也使下分層的頂板壓力得以釋放。

綜上所述，巷道圍巖總體是穩定的，表明目前所采用的采礦方法、采礦結構參數 （15m×15m）對礦山生產是合理、可行的。

4 結論及建議

鉆孔應力計和收斂計作為采場地壓和巷道收斂變形的監測手段，在杏山鐵礦掛幫礦體無底柱分段崩落法開采中，有效的監測了采場地壓及位移變化規律，從而可據此有效地評價巷道的穩定狀態，以確定何時、何處進入危險狀態，來指導礦山安全生產。從監測結果來看，采場應力、位移變化較小，對當前巷道的穩定性不會造成大的影響，但隨著開采深度的不斷加深以及采場圍巖性質的改變，整個采場應力勢必將重新分布。因此，在今后的生產中，有必要繼續加強礦壓監測工作。

［1］ 何姣云，任高峰．露天轉地下開采巷道變形監測及灰色預測 ［J］．礦業研究與開發，2006，26 （5）．

［2］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕．巖石力學與工程 ［M］．北京：科學出版社，2002．

［3］ 趙奎，袁海平．礦山地壓監測 ［M］．北京：化學工業出版社，2009．

［4］ 李曉紅．隧道新奧法及其量測技術 ［M］．北京：科學出版社，2002．

［5］ 馮仲仁，張興才，張世雄，等．大冶鐵礦巷道變形監測研究 ［J］．巖石力學與工程學報，2004，23（3）．

［6］ 朱春來，白玉兵，侯克鵬．基于云錫塘子凹31－1＃礦體的采場動壓及位移監測研究 ［J］．云南冶金，2004，33（6）．

［7］ 蔡美峰．金屬礦山采礦結構設計優化與地壓控制—理論與實踐 ［M］．北京：科學出版社，2001．