某鐵礦開采擾動下礦壓變化規律研究

劉 艷，蔡美峰，楊志軍，王 瀟，李航空

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083)

某鐵礦露天開采自1965～1968年進行短期生產，1981年恢復生產，至2007年2月露天開采結束。為了實現露天轉地下的不停產過渡，該礦采用露天-地下聯合開采的過渡方案，于2006年9月開始進行掛幫礦開采。露天掛幫礦體開采和地下開采，均使用無底柱分段崩落法進行。

-45m水平是該礦露天與地下聯合開采的一個關鍵水平，主斜坡道和主要聯絡巷道都布置在該水平中。由于在露天開采過程中的大規模開挖，已經給周圍巖體造成了較大的應力擾動，其中，以壓應力釋放為主，局部可能產生應力集中[1]。在地下開采過程中，使用無底柱分段崩落法繼續開采，將會形成更為復雜的應力場，從而引起巷道圍巖的進一步變形破壞。因此，對該水平開采擾動下的礦壓變化規律進行研究，是非常有必要的。

1 礦區地質構造與巖體結構

1.1 礦區地質構造

該礦位于華北地臺北緣燕山沉降帶中部，馬蘭峪-山海關復背斜的次級構造單元中，礦區內主要斷層為F9斷層，是礦區的主要結構面。該斷層走向20°～50°，傾向NW，傾角83°；走向長500 m，寬8～10 m，傾向延伸可達700～800 m，屬于正斷層。由于受F9斷層破壞，礦床被分割為大小兩部分。斷層帶內可見壓碎巖，斷層角礫巖，擦痕。綠泥石化、片理化發育，局部有巖脈穿插。礦區內F9斷層穿過-45 m水平的主運輸巷道，圍巖受區域構造影響嚴重。

1.2 -45m水平巖體結構

分析-45m水平巖體的地層特性可以看出，該水平主要是由黑云混合片麻巖和混合花崗巖組成，而且巖石質量都為IV～V，且節理、裂隙發育，巖體的穩定性比較差。

2 巷道圍巖應力監測

當巷道開挖以后，會引起附近圍巖內應力的重新分布，其分布狀況與開采技術條件以及巖體的物理力學性質密切相關[2-4]。在進行巷道圍巖穩定性分析時，通過對開采擾動下礦壓的變化規律進行研究，從而了解巖體內應力的大小、方向、分布狀態以及它的變化規律。經實踐研究證明，對采場地壓進行監測，可以很好的評價開采巷道的穩定性，推斷采場進入危險狀態的時間、位置[5-6]。

本文主要針對-45m水平，采用動壓監測手段對開采擾動下的礦壓變化情況進行監測。

2.1 監測原理

鉆孔應力監測是通過測量由采動影響導致的巖層內部應力場的變化，從而研究采場地壓作用規律的一種重要手段[7]。該方法可以為巷道圍巖穩定性評價及支護設計優化提供科學依據，對礦山安全生產具有非常重要的指導意義。本研究中選用具有靈敏度高、讀數方便等特點的ZYJ-25型鉆孔應力計對地下圍巖應力進行監測。

在安裝鉆孔應力計進行監測時，用安裝桿將探頭緩緩推入直徑為45～55 mm的鉆孔內，并通過加壓使探頭緊貼孔壁。當巖體內的應力發生變化時，鉆孔內應力通過應力枕兩面的包裹體傳遞到應力枕，轉變為應力枕內的液體壓力，該壓力經油管傳遞到壓力表，壓力表即可顯示出孔內的應力值。

2.2 測點及布置形式

2.2.1 測點布置

為掌握采場地壓變化規律，結合回采順序、爆破進度等，主要在-45m水平的J3和J4工作面進行了重點監測，地壓監測點在J3進路布置8個，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#；J4進路布置4個，分別為9#、10#、11#、12#。其中，2#、4#、5#、7#、10#、12#測點布置在巷道左幫，1#、3#、6#、8#、9#、11#測點布置在巷道右幫，兩相鄰測點之間的距離為7 m。其中，J3進路的1#測點距開切眼最近，為20 m；J4進路的9#測點距塌陷區距離最近，僅有6 m。

2.2.2 布置形式

由于ZYJ-25型鉆孔應力計可以監測任何一個方向的應力變化，在本次監測中，主要是針對豎直方向上的應力變化情況進行監測，故將鉆孔應力計布置在回采巷道兩幫的水平孔內，埋深為2～3 m。在安裝時，將應力枕水平放置，使包裹體處于上下位置。鉆孔布置參數見表1。

表1 鉆孔布置參數表

2.3 數據處理與分析

2.3.1 監測結果

此次采場地壓監測在-45m水平的J3、J4進路共設置12個監測點，平均每兩天下井觀測一次。監測時間從2010年7月29日到2010年的10月31日，歷經37d。其中，5#、10#、11#、12#監測點損毀。隨著工作面的不斷向前推進，各進路的測點先后被損毀。通過將監測到的數據進行歸納整理，得到以距工作面的距離為橫軸，應力計讀數為縱軸的折線圖，見圖1～圖4。(由于-45m水平9#監測點距塌陷區較近，故作應力隨時間的變化曲線)。

2.3.2 監測結果分析及預測

從鉆孔應力計的安裝到工作面開始回采(歷經14d)，J3、J4進路的應力計讀數均有所下降，J3進路的應力計讀數最少下降了0.3 MPa，最多下降了0.7 MPa，平均下降了0.54 MPa；J4進路的應力計讀數最少下降了0.6 MPa，最多下降了1.3 MPa，平均下降了1.0 MPa。這種情況，主要是由于巷道開挖以后，圍巖體發生塑性變形，使得應力有所釋放造成的。隨著圍巖體逐步趨于穩定，應力計讀數也趨于恒定。另外，J4進路的應力計讀數下降值幾乎是J3進路的兩倍，這進一步說明了J4進路的巷道圍巖體較為破碎。

圖1 -45m水平3-1#測點壓力觀測曲線

圖2 -45m水平3-2#測點壓力觀測曲線

圖3 -45m水平3-4#測點壓力觀測曲線

圖4 -45m水平4-9#測點壓力觀測曲線

從圖1～圖4上的測點壓力觀測曲線可以知道：-45m水平采場地壓最大峰值點在距工作面33.5m～36.5m之間，這說明采場地壓不僅受回采工藝的影響(炮孔排距、裝藥量、回采順序等)，且還與采場節理、裂隙、斷層等地質因素有關。

從圖4的壓力觀測曲線上可以看出，9#鉆孔應力計讀數先是緩慢下降，最后降低為0 MPa。這主要是由于9#鉆孔應力計距坍陷支護區較近(僅有6m)，一方面巷道圍巖較為破碎，另一方面巷道圍巖變形量較大(兩幫移近量最大15.2 mm)，使得圍巖應力得以充分釋放。

綜上可知，巷道圍巖體中的豎直壓力變化幅度總體上不算太大，都在6.2 MPa以下，這說明受爆破擾動后，采場應力突出不是很明顯，局部的應力集中，不會對巷道的穩定性造成太大的影響。

3 結論

通過對巷道圍巖進行鉆孔應力計監測發現，在開采擾動作用下，采場地壓不僅受回采工藝的影響，而且還受到采場節理、裂隙、斷層等地質因素的影響。在目前的開采擾動過程中，采場應力突出不明顯，不會對巷道的穩定性造成較大影響，但隨著開采深度的增加，今后有必要繼續對礦壓進行監測。根據圍巖應力集中大小與分布形式，建議采用聲發射監測技術及其他測定地應力方法，來預測預報頂板來壓的強度和時間，從而更深入的掌握地壓規律，及時采取有效措施，達到預防冒頂、片幫事故，保證礦山生產安全的目的。

[1] 何姣云, 任高峰. 露天轉地下開采巷道變形監測及灰色預測[J]. 礦業研究與開發, 2006, 26(5)：72-74,82.

[2] 趙海軍, 馬鳳山, 丁德民, 等. 采動影響下巷道變形機理與破壞模式[J]. 煤炭學報，2009, 134(5):599-604.

[3] 蘇國韶, 馮夏庭, 江權,等. 地應力下地下工程穩定性分析與優化的局部能量釋放率新指標研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2006, 25 (12):2453-2460.

[4] 蔡美峰, 何滿潮, 劉東燕. 巖石力學與工程[M]. 北京: 科學出版社, 2002.

[5] 蔡美峰. 金屬礦山采礦結構設計優化與地壓控制—理論與實踐[M]. 北京：科學出版社, 2001.

[6] 馮仲仁, 張興才, 張世雄,等. 大冶鐵礦巷道變形監測研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(3):483-487.

[7] 周詩建, 周華龍,等. 礦山壓力觀測與控制[M]. 重慶：重慶大學出版社, 2010.