金鳳礦業(yè)地壓效應監(jiān)測及地壓控制方法研究

王軍民 李秀昌 姜廣龍 馬慶飛

(1.湖南黃金集團有限責任公司;2.遼寧金鳳黃金礦業(yè)有限責任公司)

遼寧金鳳黃金礦業(yè)有限公司(簡稱金鳳礦業(yè))自2001年投產(chǎn)以來，經(jīng)過近10年的開采，330、300、270、240和210 m水平采場礦石的開采已基本結(jié)束，轉(zhuǎn)入到采空區(qū)礦柱和難采礦體的回收工作。目前，礦床開采主要在180和150 m水平中段采場，礦體形態(tài)向下收縮，礦石儲量減少，礦山進入到后期生產(chǎn)階段。由于上述多個水平采場開采結(jié)束采空區(qū)數(shù)量和規(guī)模較大，由地壓顯現(xiàn)引起的主要運輸巷開裂變形、礦柱壓裂和采空區(qū)頂板冒落等現(xiàn)象日趨頻繁，同時礦石品位和價值高的殘留礦柱仍然具有很大回收價值。因此，需要研究采空區(qū)的地壓活動規(guī)律并加強采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測，進而采取適當?shù)牡貕嚎刂拼胧?/p>

1 地壓效應監(jiān)測方法

1.1 巷道支護壓力監(jiān)測

巷道支護壓力的監(jiān)測如圖1所示，通過監(jiān)測巷道支護立柱反力來反映采場地壓活動［1］。依據(jù)中國建筑工業(yè)出版社1997年4月出版的《建筑材料手冊(第4版)》，東北紅松順紋抗壓強度為32.8 MPa，考慮到浸水和偏心受力影響，計算時取棚腿立柱所用坑木抗壓強度為10 MPa。以坑木抗壓強度乘以實際安裝反力計的木支護立柱直徑，得到該立柱抗壓承載力，即抗力值。考慮到一定的安全儲備，取2/3立柱抗壓承載力值作為預警值。壓力變化速率預警值按每日承載力的0.5%選取，為發(fā)現(xiàn)壓力突變采取加強措施留下充足時間。監(jiān)測中，當?shù)貕涸诹⒅袭a(chǎn)生的壓力效應及變化速率預警值小于該立柱實際預警值時，立柱處于安全工作狀態(tài)。反之為不安全，需要采取加強措施。

1.2 圍巖裂縫監(jiān)測

為掌握圍巖變動開裂情況，采用了丹東三達儀

圖1 巷道支護立柱反力計監(jiān)測方法

器有限公司生產(chǎn)的GLF型25 mm量程裂縫計進行定量觀測，如圖2所示。在被測裂縫兩側(cè)鉆直徑孔，間距305 mm，深50 mm，灌入水泥漿液，插入套管和裂縫計，并保持與被測面平行。待水泥固結(jié)后，使用頻率讀數(shù)儀測量初始值。

圖2 裂縫計構(gòu)造與安裝

裂縫計監(jiān)測讀數(shù)值為頻率，根據(jù)廠家為每只裂縫計提供的標定曲線，將頻率轉(zhuǎn)換成裂縫寬度變化的數(shù)據(jù)。

1.3 采空區(qū)頂板圍巖沉降觀測

采場及空區(qū)頂板圍巖的穩(wěn)定性關(guān)系到礦石開采中人員與設備安全，以及空區(qū)和礦區(qū)整體穩(wěn)定［2-4］。在目測觀察不能定量，采用水準儀誤差較大，4～6 m高程偏差達到2 mm的情況下，需要研制精度較高、簡便易行的監(jiān)測裝置來滿足生產(chǎn)對觀測和空區(qū)管理的要求。依據(jù)該礦區(qū)單礦體緩傾斜、層厚4～6 m高程、底板穩(wěn)固的條件，提出研制重錘式百分表頂板沉降觀測儀，用以采場與空區(qū)頂板圍巖的沉降監(jiān)測［5-6］，如圖3所示。

圖3 重錘式百分表頂板沉降觀測儀原理

2 地壓效應監(jiān)測及分析

依據(jù)礦區(qū)地壓活動特點，采用定性分析地壓活動的力學原因和定量監(jiān)測力學效應相結(jié)合的分析方法，在受地壓作用的主要運輸巷道、穿脈巷道、斜井、工程交叉點、采空區(qū)內(nèi)部及邊緣布置測點，采用振弦式反力計、裂縫計及頻率讀數(shù)儀監(jiān)測方法，以及自行研制的采空區(qū)頂板沉降觀測儀，進行支護壓力、裂縫擴張和采空區(qū)頂板圍巖沉降變形監(jiān)測。

依據(jù)支護反力、裂縫擴張和頂板沉降監(jiān)測結(jié)果，采空區(qū)地壓轉(zhuǎn)移對鄰近巷道形成的應力集中，以及礦體圍巖穩(wěn)固性條件，局部礦巖破碎特點進行地壓活動性質(zhì)分析，該礦區(qū)地壓活動為采動變形地壓和松散地壓。這2種地壓同時作用的部位，地壓危害較大，如處于地壓集中區(qū)內(nèi)的180 m水平主運輸巷地段，150 m水平石門巷道與主運輸巷交匯處的圍巖錯動，335、336采場空區(qū)頂板與礦柱局部垮塌等部位。

目前生產(chǎn)主要中段，180 m水平、150 m水平主運輸巷受兩側(cè)采場空區(qū)地壓轉(zhuǎn)移影響，形成局部壓力集中區(qū)，巷道支護變形和圍巖破壞較嚴重，局部地段危及到供礦安全產(chǎn)生。進行支護加固后，巷道穩(wěn)固性得到加強。通過對處于610、611采場和712、710、709采場頂?shù)字课坏?80 m水平主運巷布置測點，進行支護反力和圍巖裂縫擴張監(jiān)測，結(jié)果表明:在2010年8月至2012年12月2年多時間中，最大支護立柱壓力增加23.42 kPa，實際承受壓力37.14 kPa，預警壓力142.49 kPa，處于安全范圍。但壓力隨時間呈緩慢上升趨勢。局部圍巖裂縫最大寬度增加值超過裂縫計25 mm量程，表明承載壓力和圍巖破碎在加大，但未影響巷道的整體穩(wěn)定。通過對150 m水平714采場與809、810采場結(jié)合部，以及712采場底柱部位的主運巷進行支護反力和圍巖裂縫擴張監(jiān)測，結(jié)果表明:最大支護立柱壓力增加12.05 kPa，實際承受壓力14.11 kPa，預警壓力110.05 kPa，處于安全范圍。圍巖裂縫最大寬度增加值未超過9 mm，未影響巷道穩(wěn)定性。對地壓活動顯現(xiàn)突出的監(jiān)測區(qū)域，雖然存在采動變形地壓和圍巖破碎松散地壓的作用，但支護反力監(jiān)測結(jié)果表明，巷道處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，能夠滿足采礦作業(yè)和供礦運輸要求。

為掌握采場及空區(qū)頂板圍巖的穩(wěn)定性，保障礦石生產(chǎn)中人員與設備安全，以及空區(qū)對礦區(qū)整體穩(wěn)定，采用自行研制的采空區(qū)頂板沉降觀測儀，選擇不同中段水平208采場、502采場、335采場和609采場進行空區(qū)頂板圍巖沉降監(jiān)測，以及對240 m至180 m水平斜井頂板沉降進行監(jiān)測，結(jié)果表明:335采場空區(qū)頂板累計沉降最大，達到45.4 mm。在2011年1月至2012年12月監(jiān)測期間，頂板沉降曲線表現(xiàn)為由平直轉(zhuǎn)為加速沉降，再變?yōu)閯蛩俪两档囊?guī)律。空區(qū)內(nèi)礦柱受地壓作用劈裂現(xiàn)象嚴重，存在圍巖冒落危險。502、208、609采場沉降較小，最大沉降為11.45 mm，采空區(qū)頂板穩(wěn)固。240～180 m斜井圍巖破碎，受水侵害嚴重，頂板與側(cè)幫均不穩(wěn)定，承載力低，尤其受上部集中地壓作用，存在頂板沉降迅速增大的趨勢。

3 采空區(qū)地壓控制方法研究

針對目前礦房礦石已基本回采，轉(zhuǎn)入邊角難采礦體的回收作業(yè)，采空區(qū)暴露面積大，頂板沉降較快的情形，進行格構(gòu)式鋼柱支撐方案和施工圖的設計與研究［7-8］。在天然礦柱起主要支撐作用時，用鋼柱支撐對采場頂板承載能力進行補充，維護頂板圍巖穩(wěn)定，確保安全生產(chǎn)，用鋼架替代部分礦柱。選擇201采場典型空區(qū)，進行頂板圍巖荷載分析和鋼柱支撐施工圖設計。

3.1 頂板圍巖冒落載荷估算

如圖4所示，頂板冒落范圍按圓弧形體積計算。冒落拱的拱腳水平距離為2倍鋼柱中心間距，或1倍鋼柱中心間距加上鋼柱支撐柱中心到采場邊界圍巖的距離。冒落拱矢高h=4 m;冒落半徑R=8 m;鋼柱高度H=8 m。

圖4 頂板冒落拱計算簡圖

1個格構(gòu)式鋼柱支撐的頂板冒落圍巖體積為

1個鋼柱承受的冒落拱巖石重力設計荷載值為

式中，k為恒載分項系數(shù)，取1.2;γm為大理巖重度，取28 kN/m3。

3.2 鋼架承載力驗算

根據(jù)圖5、圖6所示，通過對此鋼架的承載力計算，得出鋼柱支撐為頂板提供的支承力PS為7 067.3 kN。考慮到柱間頂板圍巖具有自承能力的特性，巖梁除了產(chǎn)生重力外，還能夠承受上部荷載作用。在豎向荷載作用下，頂板圍巖處于一定的應力水平，但尚未達到破壞應力，還能繼續(xù)承載。為表達圍巖的這種自承性質(zhì)，本研究引入了自承度概念，即架設支架時，圍巖應力與自承抵抗應力的百分比值，用參數(shù)符號ξ表示，并借助巖石聲發(fā)射實驗測定。

對于正常礦柱間距，取

式中，ξ為自承度;σL為架設支架時的圍巖應力，N/mm2;σR為圍巖具有的自承抵抗應力，N/mm2。

如圖4所示，冒落拱的圍巖重力G為14 636.2 kN，圍巖自承載力PR應為

按照80%自承度，由式(4)得

圖5 采空區(qū)頂板鋼柱支撐立面

圖6 采空區(qū)頂板鋼柱支撐A－A剖面

鋼柱支撐為頂板提供的支承力PS，加上圍巖自承載力PR，采空區(qū)頂板總承載力PZ達到

大于冒落拱巖石重力14 636.2kN，滿足要求。

4 結(jié)論

(1)選取合適的監(jiān)測方法和儀器能夠準確地反映采礦活動對工程產(chǎn)生的地壓影響效應，為礦山生產(chǎn)與安全提供有價值的反饋信息。

(2)依據(jù)支護反力、裂縫擴張和頂板沉降監(jiān)測結(jié)果，采空區(qū)地壓轉(zhuǎn)移對鄰近巷道形成的應力集中，以及礦體圍巖穩(wěn)固性條件，局部礦巖破碎特點進行地壓活動性質(zhì)分析，金鳳礦業(yè)礦區(qū)地壓活動為采動變形地壓和松散地壓，這2種地壓同時作用的部位，地壓危害較大。

(3)采用自行研制的采空區(qū)頂板沉降觀測儀進行監(jiān)測，為安全生產(chǎn)和掌握空區(qū)頂板穩(wěn)定狀況、反饋空區(qū)安全信息提供了有效手段。

(4)頂板圍巖荷載分析和鋼柱支撐為采空區(qū)頂板的支撐及穩(wěn)定性管理提供了新方法和處理措施。

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