李官集鐵礦采場動態地壓監測及數值分析

李正勝 李洪軍

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083;2. 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083;3.華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州450045)

目前，國內外地下開采厚大礦體，多向高階段、高分段、大型化、無軌化方向發展，為提高鑿巖效率，降低能耗和改善作業環境，采礦的進路或分層隨之加大，采場的控頂高度相應提高并向已采空間移動。由于采礦工程自身載荷形式、施工因素等具有特殊性，使得目前乃至相當長的時期內，都難以通過解析計算的方法得到與工程實際完全相吻合的關于礦山壓力方面的穩定性定量結果［1-3］。特別是對于厚大礦體高分段開采形成的超高礦柱，忽略優勢節理帶來的非均質影響，往往會使預測結果產生很大的誤差［4-5］。

李官集鐵礦位于山東省汶上縣郭倉鄉北部的李官集地區，屬于“三下礦體”，礦體傾斜度較大，礦區內斷裂節理構造發育，有3 組斷裂構造構成礦區的主體構造骨架，部分斷裂帶對礦體影響較大，礦體賦存條件復雜，采場采用點柱式分層充填的大面積連續開采方法。優勢結構面的存在，使急傾斜礦體在點柱法開采過程中的地壓活動規律呈現出復雜性，通過單一的地壓監測難以準確預測采場動態地壓規律［6-7］。本研究在地壓實時監測獲得監測采場在開采過程中地壓變化的基礎上，充分考慮礦體中優勢結構面的影響，利用3DEC 建立含有監測采場的模型，按照礦山實際的開采和充填步驟進行數值模擬獲得礦山在開采過程中地壓值的變化，結合地壓的實際監測變化量和數值模擬得到的地壓值匹配分析得到了點柱法開采李官集鐵礦的地壓變化規律，指導礦山安全生產。

1 動態地壓監測

1.1 測量方案

李官集鐵礦主要采用點柱式分層充填法(又稱點柱法)開采［8］，分為南北礦段，所研究的三采場位于南礦段，南礦段一共5 個采場。由于目前處于開采初期，主要分析對三采場地壓影響較大的二、三和四采場。其他采場剛開始開采，它的開采狀況不予考慮。目前，三采場的開采狀況是:開采和充填了一分層，二分層已經開采完畢由于某種原因還沒有來得及充填，這3 個采場的開采順序大致是:依次開采二、三和四采場，然后依次充填二、三和四采場。二、三和四采場布置圖見圖1。

圖1 采場布置Fig.1 The position of the stopes

地壓監測所用的監測礦體和圍巖體的應力變化的儀器為ZYJ－2 型應變式鉆孔應力計，可做礦巖連續監測記錄。監測充填體壓力變化所用的儀器是YZ－2 型液壓枕，用于測定巷道支架、巷道圍巖和充填體的受力狀態。地壓監測的內容主要有:監測采場中的間柱、點柱、充填體和上下盤圍巖在李官集鐵礦點柱法開采過程中的壓力變化。監測儀器主要布置在位于礦體一分層的三采場，各個監測點的布置見圖2。

圖2 地壓監測點布置Fig.2 The position of monitoring points

圖2 中編號“ZK”表示鉆孔應力計的點號，編號“YZ”為液壓枕的點號。其中，點號“ZK －1”用于監測下盤圍巖體在豎直方向上的壓力變化;點號“ZK－2”和“ZK－3”用于監測采場中部點柱在豎直方向上的壓力變化;點號“ZK－4”和“ZK－5”用于監測上盤圍巖體在豎直方向上的壓力變化;點號“ZK－7”用于監測間柱在水平方向上的壓力變化;點號“ZK －6”、“ZK－8”和“ZK －9”用于監測間柱在豎直方向上的壓力變化;點號“YZ－1”用于監測充填體在礦體走向方向上水平方向壓力的變化;點號“YZ－2”用于監測充填體在礦體厚度方向上水平方向壓力的變化;點號“YZ－3”用于監測充填體在豎直方向上的壓力變化。

1.2 監測數據分析

地壓監測儀器每5 min 自動記錄1 次讀數，以天為單位對地壓監測數據進行分析，為了充分掌握采場動態地壓規律，選取監測時間段為500 d。提取有代表性的監測點數據進行分析。其中，點柱上的測點ZK－2 和ZK－3 及圍巖體的測點ZK－1 和ZK－4 的應力監測數據見圖3，間柱上的測點ZK －6，ZK －8和ZK－9 的監測數據見圖4。

圖3 點柱和圍巖測點地壓數據Fig.3 The ground pressure data of the pointed pillars and host rock

圖4 間柱測點地壓數據Fig.4 The ground pressure data of the barrier pillars

圖3 為一分層開采后點柱和圍巖體的地壓數據，其中，ZK－2 和ZK －3 為點柱上的監測點，ZK －4 為上盤巖體的監測點，測點ZK －1 為與ZK －4 對應的下盤上的監測點。從中可以看出，與圍巖體相比，點柱的應力集中程度更高。點柱的測點中ZK －2 比ZK－3 的應力值明顯要高，說明點柱ZK －2 的應力集中程度更高。隨著三采場開始開挖第二分層，下部的巖體由于應力釋放而應力值減小，各個測點的應力值不同程度的下降，隨后，應力值緩慢上升中保持穩定，這是由于隨著二采場和四采場二、三分層的開采，使三采場的應力值由于兩側的巖體開挖而升高，但是應力值增量很小，并趨于穩定，說明周圍采場的開采對三采場的點柱應力影響并不大，但是三采場自身的開挖對測點的應力值影響較大，應力集中區域由點柱向圍巖轉移。圖4 表示間柱上測點的豎向應力值在開挖過程中的變化，測點ZK －8 位于間柱的中央，應力集中程度相對更高，測點ZK －8 的應力值較ZK －9 和ZK－6 的大。隨后，各個測點的應力值有不同程度的下降，二采場二分層的開采，使應力集中區域向上部巖體轉移，四采場二分層的開挖使應力值有少許上升，三采場二分層的開采，再次引起間柱的應力釋放，應力值再次下降。四采場的二分層開挖引起各個測點的應力值有所回升。隨后，隨著四采場三分層的開挖，各個測點的應力值有所回升，只是增量很小，基本保持恒定。可見，對二、三采場的間柱來說，四采場的開挖增加了監測點的應力集中程度，對其應力值的影響較大，二、三采場的開挖引起應力釋放而應力值減小，應力集中程度向上部轉移。

2 采場地壓數值模擬分析

結合地壓現場監測數據，按照現場礦山開采的具體步驟，建立包含有三采場及相鄰的二采場和四采場的幾何模型，選取和現場地壓監測對應的監測點。

2.1 礦體模型建立

采用3DEC 軟件進行數值模擬試驗［9-10］，礦體中按照結構面的調查結果，按照優勢方向設置一組結構面，傾角為75°，傾向為礦體的傾向，北偏西45°，整個模型范圍為420 m×300 m×400 m，其中X 方向垂直礦體走向，Y 方向沿礦體走向，礦體模型見圖5，模型中采場位置見圖6，對比研究數值模擬的結果和現場監測的數據，分析李官集鐵礦的地壓運移規律。

圖5 礦體模型Fig.5 The ore body model

圖6 模型中采場位置Fig.6 The position of the stopes in the model

通過現場地質調查，巖石力學試驗特性及其工程地質條件等因素，并結合以上經驗估算，得到巖體的計算模擬物理力學參數如表1 所示。結構面的力學參數，參考規范［11］，具體選用數值見表2。開采步驟嚴格按照采場實際的開采和充填順序，模型在加載原巖應力后，計算至平衡，第一分層開采中每個采場計算1 000 步，然后每個采場分5 次進行開采，每次計算200步，每個采場充填時每次計算1 000 步，共計20 000步。測點每50 步提取1 個應力值進行分析。點柱上的測點ZK－2 和ZK－3 及圍巖體的測點ZK－1 和ZK－4 對應的應力監測值見圖7，間柱上的測點ZK －6，ZK－8 和ZK－9 對應的應力監測值見圖8 。

表1 巖體力學參數Table 1 The mechanical parameters of rock mass

表2 結構面力學參數Table 2 The mechanical parameters of structural plane

2.2 測點應力分析

測點測試數據見圖7 和圖8。

圖7 點柱和圍巖測點應力變化Fig.7 The variation of stresses of the pointed pillars and host rock

圖8 間柱測點地壓數據Fig.8 The ground pressure data of the barrier pillars

從圖7 可以看出，開采三采場的第一分層，各個測點的應力值都有增大，并出現一定的波動，測點ZK－2 應力值最終穩定在33.25 MPa，測點ZK －3 應力值最終穩定在27.25 MPa，測點ZK－4 的應力值最終穩定在13.27 MPa，測點ZK －1 應力值最終穩定在16.22 MPa。當四采場一分層開挖后，應力值繼續增大，其中點柱上的應力值增量較大。隨后隨著這3 個采場的充填，應力值略有降低，降低幅度約2% ～5%。隨后，隨著二采場的二分層的開挖，應力值略有回升，當三采場二分層開挖時，應力值都不同程度地降低，四采場二分層的開采及二采場和四采場三分層的開采，應力值略有回升，增量不大。每逢充填后的采場，應力值降低約2% ～5%。從圍巖體和點柱的應力集中程度來看，點柱的應力集中程度明顯更高。圖中曲線在三采場第一分層充填后的曲線形狀和圖1 ～圖4 中現場的監測值在變化趨勢上有較好的穩合，都出現開挖層應力集中，充填層應力局部恢復，擾動層應力釋放而下降的規律。

圖8 顯示間柱上測點的豎向應力值在開挖過程中的變化，二采場一分層開挖后，應力值逐漸上升，當三采場一分層開挖后，由于監測點所在的分層礦體被挖去，應力集中增加，隨著四采場二分層的開挖，應力值進一步上升。在約60 步時，各個測點的應力值有不同程度的下降，此時二采場二分層的開采，使應力集中區域向上部巖體轉移，四采場二分層的開挖，引起該間柱的應力擾動使ZK －8 應力值有少許上升。隨著四采場三分層的開挖，各個測點的應力值有所回升，只是增量很小，基本保持恒定，對二、三采場的間柱來說，四采場的開挖對其應力值增加有影響，增加了其應力集中程度。二、三采場的開挖使其應力值減小，促使其應力集中程度向上部轉移，引起了應力釋放而應力值降低。該應力曲線中在三采場第一分層充填后的曲線形狀和圖4 中現場的監測值在變化趨勢上有較好的穩合。

3 結 論

(1)點柱和圍巖之間在開挖過程中的地壓活動規律為:開采過程中，形成的應力集中區域由點柱向圍巖體逐漸轉移。具體過程為點柱法開采急傾斜礦體中，開挖初期，礦柱和和圍巖一起支撐著上部載荷，礦柱所受應力集中程度遠大于圍巖，隨著開挖高度的增大，點柱下部由于卸載而應力降低，點柱上部由于開挖而壓應力增大，同時圍巖應力逐漸增大，隨著開挖高度的增大，應力集中由點柱向圍巖體逐漸轉移。

(2)上、下盤巖體間在開挖過程中的地壓轉移規律為:地壓整體隨開采向上交替運移，應力集中從下盤向上盤轉移，同一點柱地壓呈現分層轉移規律，開挖層應力增加，回填層應力局部恢復，擾動層應力釋放，并隨開挖進行循環往復。

(3)通過應力監測可以看出，李官集鐵礦采用的點柱法開采急傾斜礦體的采礦方法，開采過程中主要依靠預留下的點柱、圍巖和充填體來支撐上部礦體，礦體的開挖會引起支撐體的應力發生較大的變化，開采中過程中應合理優化采礦步驟，做好安全防護。

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