黃海余

(內蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗安全生產監(jiān)督管理局)

?

金屬礦深部開采巷道位移監(jiān)測與圍巖穩(wěn)定性分析

黃海余

(內蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗安全生產監(jiān)督管理局)

針對新城金礦深部開采過程中出現(xiàn)的巷道圍巖穩(wěn)定性問題，采用深部開采位移監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測礦區(qū)深部采場和圍巖變形，基于監(jiān)測信息，綜合分析了圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，揭示了金屬礦深部開采過程中影響巷道穩(wěn)定性的主要因素和巖體損傷與變形規(guī)律：軟弱結構面是影響深部開采巷道穩(wěn)定性的內在因素，開采擾動是影響巷道穩(wěn)定性的外在因素；巖體損傷破壞經歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，巷道變形表現(xiàn)出了“急劇增長—緩慢增長—基本穩(wěn)定”3個階段；淺部圍巖破碎后巷道變形會急劇增大，應及時支護掘進巷道，充填回采結束采場，提高圍巖體的自承力。結果對礦山優(yōu)化開采及地壓管理具有現(xiàn)實指導作用。

深部開采 圍巖變形 位移監(jiān)測 變形速率

隨著淺部礦產資源的日益枯竭，深部開采已成為地下礦山開采的必然趨勢。深部開采過程中巷道和采場圍巖處在高地應力和高熔巖水壓的復合應力環(huán)境中，穩(wěn)定性面臨著巨大的威脅[1-2]。位移監(jiān)測是評估圍巖穩(wěn)定性的重要方式，是揭示礦山采場巖體變形規(guī)律的科學手段，在現(xiàn)場應用中具有直觀性和實用性[3-4]。新城金礦已進入深部海底開采階段，開采深度將超過1 000 m[5]。深部開采過程中地壓顯現(xiàn)加劇，巷道圍巖變形、塌方、冒頂、片幫等事故日漸增多，特別是在-600 m水平以下已出現(xiàn)了顯著的巷道圍巖失穩(wěn)狀況，為了解決新城金礦深部開采中出現(xiàn)的一系列問題，建立基于多種監(jiān)測手段的深部開采位移監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦區(qū)深部圍巖變形的實時監(jiān)測，綜合分析圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，揭示深部海底開采過程中圍巖損傷和變形規(guī)律，對于指導類似深部礦山安全高效開采具有重要的科學和實用價值。

1 巷道概況

新城金礦為海底開采井工礦山，影響深部開采巷道穩(wěn)定性的主要因素為F1、F3斷層等大型軟弱結構面?？拥牢挥贔1斷裂的下盤，北西向構造比較發(fā)育，斷裂帶及附近巖石受擠壓而破碎，掘進時易產生掉塊和塌方。F3斷裂走向北西，傾角接近90°，斷裂帶內巖石破碎，主要由碎石、泥石、高嶺土、砂礫石及黏土充填而成。地下水的長期浸泡使其處于水飽和狀態(tài)，導致填充體物質顆粒之間摩擦力減少，-600 m 水平運輸巷掘進至F3斷層時，急劇增加的地應力使巷道圍巖變形、塌方、事故日益增多。作為銜接采場深部開采的關鍵運輸巷道，-600 m巷道(圖1)的穩(wěn)定性關系到整個采場安全生產。

圖1 -600 m水平運輸巷

2 巷道表面位移監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法

采用煤科院北京建井所生產的JSS30A型伸縮式數顯收斂計對巷道兩幫收斂、頂板下沉等進行監(jiān)測，該儀器的測量精度為±0.1 mm，讀數精度為±0.05 mm，量測基線長0.5～15 m。具體測量原理參照文獻[6]。本次監(jiān)測出現(xiàn)問題較多的-600 m水平巷道北段運輸巷道，具體巷道量測斷面測量基線布置見圖2。

圖2 巷道斷面測線布置

2.2 監(jiān)測點布置

新城金礦采用上向水平充填采礦法[5]，采礦作業(yè)向上推進，圍巖體應力會經歷“平衡—失衡—再平衡”的過程，巷道的穩(wěn)定狀態(tài)會經歷明顯的階段性。為了保證監(jiān)測的長期性和精準性，在充分考慮避讓風管和水管位置、保證儀器讀數和正常監(jiān)測、儀器安裝不影響礦山正常生產工作的前提下，將監(jiān)測點設置在連接采聯(lián)的-600 m中段巷道。主要包括多點位移監(jiān)測點2個，巷道斷面收斂測點4處，各測點具體位置見圖3。

圖3 各測點位置分布

2.3 斷面各測線位移監(jiān)測結果

圖4(a)、圖4(b)為1#和2#斷面測點處測線收斂變形曲線，整個監(jiān)測周期內巷道變形速率最大值為0.08 mm/d，最小為0.04 mm/d，從監(jiān)測的第40 d開始，受-600 m水平主要生產采場的影響，測線收斂變形的速率有所增大，但因采場距該測點較遠，收斂變形速率受此影響的變化幅度較小，說明圍巖穩(wěn)定性影響較小。開采結束后，巷道圍巖最大變形速率為0.04 mm/d，平均變形速率在0.02～0.03 mm/d，可以看出此區(qū)域內的圍巖穩(wěn)定性主要受采動擾動影響，采場作業(yè)過后，該測點附近的巷道圍巖比較穩(wěn)定。

圖4(c)、圖4(d)為3#和4#斷面測點處測線收斂變形曲線，此處測點位于-600 m中段，1830線附近，F(xiàn)3斷層以北。F3斷層以北的巷道都是由南向北逐步開拓，因此，此處巷道位移較明顯。AC測線在84 d內的累計收斂量達到了3 mm，比3#測點AC測線最大收斂量超出了1 mm。監(jiān)測初期的變形比較劇烈，且有比較明顯的增長趨勢，隨著時間的推移，增長趨勢逐漸放緩，圍巖變形趨于穩(wěn)定。在巷道開挖和回采的全過程中，巷道圍巖變形經歷3個階段：變形急劇增長—變形緩慢增長—變形基本穩(wěn)定。在120 d時，接近6個月的監(jiān)測時間內，上述3個階段的變形特征在該監(jiān)測點都得到了很好的體現(xiàn)。

圖4 不同斷面各測線時間位移曲線

3 巷道深部多點位移監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方法

采場深部開采過程中，巖體在擾動應力的影響下，圍巖不同深度會經歷不同程度的損傷演化過程，巖體不同深度的位移可以一定程度上表征圍巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，并且相較于表面位移監(jiān)測具有一定的超前性[7-8]。根據新城金礦涌水量較大、巖體較完整的特點，本次監(jiān)測采用自行研發(fā)的錨固式多點位移計，通過在巖體不同深度布設測點，可以對巖層位移情況進行實時、連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測裝置主要包括內管、圓盤、量測鋼絲、鋼爪和數據傳輸裝置5部分，位移計采用分布網絡測量系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)自動化采集數據，并按照采集時間順序存儲在數據庫中，監(jiān)測人員可通過監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)數據的查閱、實時顯示、繪制曲線等功能[9]。

3.2 監(jiān)測點位置

本次監(jiān)測工作在-600 m水平巷道南北兩端布設2個多點位移計測點(圖2)。根據巖體不同深度每個測點分別布設4個監(jiān)測點，距離巖體表面的深度分別為20,15,10和5 m，實現(xiàn)對巖體穩(wěn)定性的立體監(jiān)測，多點位移計斷面布置見圖5。

圖5 多點位移計斷面布置

3.3 深部多點位移監(jiān)測結果

圖6為巖體不同深度位移時間曲線。在該監(jiān)測周期的前40 d，各測點平均變形速率在0.03 mm/d以上，變化較平穩(wěn)，在監(jiān)測后期100 d內，各測點巖體內不同深度的位移都呈現(xiàn)出漸進增長的趨勢，平均變形速率在0.07 mm/d以上。不同測點又具有差異性，說明采場內巖體破壞損傷呈現(xiàn)出一定的時空差異性。在時間上，巖體在采動影響下位移逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，表明巖體的損傷破壞經歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，因此，在工程上應避免短時間內的集中大規(guī)模開采，及時支護，縮短巖體失衡時間，使巖體快速再穩(wěn)定；在空間上，同樣的采動影響下，淺部巖體位移較大，深部位移相對較小，1#測點整體巖體的位移變化值差別不大，2#測點巖體內部各測點位移變化差異較大，這是因為2#測點距離F3斷層較近，短時間的集中開采作業(yè)造成淺部巖體位移增大較迅速，深部位移相對較平穩(wěn)，說明此區(qū)域內淺部巖體已較破碎，應防止浮石垮落造成的安全隱患，及時采用錨噴支護增強圍巖自承力，確保開采安全進行。

4 結 論

(1)斷層等結構面是影響深部開采巷道穩(wěn)定性的內在因素，開采擾動是影響巷道穩(wěn)定性的外在因素，-600 m采場內斷層附近的開采活動對采場穩(wěn)定性影響較大，應避免斷層附近的大規(guī)模集中開采，合理優(yōu)化開采順序，保障開采安全。

圖6 各測點不同深度位移時間曲線

(2)通過監(jiān)測可以看出開采活動使巖體損傷破壞經歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，巷道變形經歷了“急劇增長—緩慢增長—基本穩(wěn)定”3個階段，因此，開采過程中應及時支護采場巖體，縮短巖體失衡時間，提高圍巖體的自承力，保持巷道穩(wěn)定。

(3)采場巖體的損傷演化過程中呈現(xiàn)出了很強的時空差異性，總體上來說，開采過程中深部巖體的變形要小于淺部巖體，淺部圍巖破碎后巷道的變形會急劇增大，穩(wěn)定性會受到很大的影響，必須及時支護掘進巷道，充填采場，保障安全高效開采。

[1] 趙文斌，閻 南，蔡增祥．淺論我國金屬礦山采礦技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．有色金屬設計，2011，38(3):15．

[2] 陳宗基.地下巷道長期穩(wěn)定的力學問題[J].巖石力學與工程學報，1982(1)：1-19.

[3] 劉 高，王小春，聶德新．金川礦區(qū)地下巷道圍巖應力場特征及演化機制[J].地質災害與環(huán)境保護，2002，12(4)：40-45．

[4] 高建科，楊長祥.金川二礦區(qū)深部采場圍巖與充填體變形規(guī)律預測[J].巖石力學與工程學報，2003，22(S2)：2625-2632．

[5] 付秋波，馮連偉，楊 強.新城金礦殘留礦壁回采技術研究及應用[J].科技創(chuàng)新導報，2015(13):50.

[6] 華北科技學院.一種邊坡位移預測方法:中國，CN103207952A[P].2013-07-17.

[7] 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2006，35(2)：145-148.

[8] 賀永年，韓立軍，邵 鵬，等.深部巷道穩(wěn)定的若干巖石力學問題[J].中國礦業(yè)大學學報，2006，35(3)：288-295.

[9] 劉 煒，楊瑞霞，張睿沖．深部礦體回采過程對巷道變形影響研究[J].金屬礦山，2013(5):53-55．

2016-08-11)

黃海余(1988—)，男，助理工程師，013250 內蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗新寶拉格鎮(zhèn)。