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硅化不等粒花崗巖31.1 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。