金屬礦山沖擊地壓的監測及預警

王忠豪

（中國地質大學（北京）工程技術學院， 北京 海淀 100089）

由于棉花坑礦井-100m以上淺層資源的逐漸耗竭，礦產資源開發向深部推進已成必然趨勢。隨著礦體開采深度的增加，地壓活動將越來越頻繁，礦石和礦巖的穩固性受構造、節理、裂隙、水文等條件影響，開采過程中發生過大變形甚至垮落，形成頂板事故的可能性增加。[1]本文通過現場調研采場實際情況，利用FLAC 3D進行建模，并在采場安裝應力監測儀，將監測數據和FLAC 3D模擬情況相擬合，驗證模型精準后利用模型進行開挖預警工作。

1 現場情況調研

1.1 采場構造

根據礦方生產情況，選取12-2采場為模擬采場。12-2采場位于井下150m，目前采場長約100m，寬約5m，高約5m。根據FLAC 3D建模要求，擴充建立了長約150m，寬約25m，高約125m的長方體模型。通過觀察測量，確定了采場內的裂隙帶，根據上述采場實際情況利用CAD繪制出下圖，黃色線條（注釋為50）是裂隙帶在頂板及上方的表現。

圖1 采場及擴展后長高視注釋圖

1.2 監測點布控

通過工人反應經常發生冒頂偏幫的位置和實際裂隙情況進行選點，選點完成后進行鉆孔，鉆孔深度為2.5m，鉆孔直徑為42mm，鉆孔完成后安裝應力監測儀。安裝應力監測的俯視布點圖如下。

圖2 采場頂板的應力監測布點圖

2 FLAC 3D建模

2.1 巖石力學性質

通過收集棉花坑礦井水文地質資料，得到-150m礦井中礦石及礦石周邊圍巖的大致構造和巖石力學參數（見表1），并以此為依托，利用數值模擬軟件FLAC 3D（5.0）進行建模，不斷修正完善后建立了長150m寬25m高125m的長方體模型。

表1 巖石力學性質參數表

絹云母化中粒黑云母花崗巖 33.3 25.0 50 50 4.1 2.71硅化不等?；◢弾r31.1 21.4 49 48 5.3 2.62赤鐵礦化硅化碎裂花崗巖 29.8 20.5 52 60 10.5 2.64礦石赤鐵礦化硅化碎裂巖19.5 13.4 50 50 4.6 2.64

2.2 現階段開挖模擬

圖3 現階段開挖的模型視圖

第一次開挖后想重新達到力學平衡較難，為了避免計算不收斂，故在計算時將步驟設為10000步。

圖4 開挖第一階段最大不平衡力

從上圖可以看出隨著計算的進行，最大不平衡力已經降為0，說明模擬收斂正確，之后便可以對模型Z軸方向的位移云圖和應力云圖進行分析。

2.3 現階段開挖應力分析

圖5 開挖第一階段ZZ軸方向XZ平面的應力云圖

圖6 開挖第一階段ZZ軸方向YZ平面的應力云圖

通過分析現階段開挖ZZ軸方向的XZ平面和YZ平面的應力云圖可以直觀的看出開挖時遇到組2和組3及組3和組4的接觸面時會引起應力集中，這說明開挖遇到不同力學性質的圍巖、礦石或者遇到有裂隙發育的情況下會引起應力變化，而這些位置往往是發生冒頂偏幫的高發區域，這也是下一步現場實驗的重要監測區域。[2]

3 現場監測數據驗證

圖7 一號機監測數據

圖8 三號機監測數據

圖9 五號機監測數據

通過現場監測數據來看，監測情況和模擬情況基本吻合，證明現階段開挖的模擬正確，可以進行后續的開挖模擬并預警。

4 后期模擬開挖及預警

圖10 后期開挖的模型視圖

圖11 后期開挖的模型視圖

隨著開挖深度的增加，采空區巖體應力的重新分布相較于第一階段更加容易，所以計算步數不再需要像開挖第一階段一樣長。此次模擬開挖第二到第五階段均采用了3000步，收斂后對開挖第五階段進行模擬。

圖12 開挖第五階段Z軸方向的XZ平面的應力云圖

圖13 開挖第五階段Z軸方向的YZ平面的應力云圖

從開挖第五階段Z軸方向的應力云圖中可以看出，頂板和底板中部位置是應力集中點，和第一階段一樣，在開挖時遇到組2和組3及組3和組4的接觸面時會引起應力變化，在進行生產時應該注意上述接觸面附近位置的支護工作，切勿盲目開采。[3]

5 結束語

隨著礦山開采深度的增加，沖擊地壓的發生概率加大，造成的后果也更加嚴重，因此在進行生產開挖之前進行模擬預警工作是十分必要的。本文通過對棉花坑礦井12-2采場進行FLAC 3D模擬，并通過現場應力監測進行數據擬合，證明了模型的精確性，并模擬后續開挖的狀態，得到了后續開挖應力激變點，并以此預警，為后續的支護工作提供幫助。