復雜空區群殘留礦體回采頂板下沉監測分析

黃道欽

(廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西 南丹縣 547207)

廣西華錫集團銅坑礦是一座有三十多年開采歷史的有色金屬大型地下礦山，開采的“三大礦體”自上而下依次為細脈帶礦、91#礦體和92#礦體。由于多年對“三大礦體”的開采，目前尚存眾多大小不一的采空區，組成復雜的空區群，導致井下圍巖應力分布復雜多變，留下大量破碎難采的礦柱群和周圍礦體，地壓控制極為困難，嚴重影響了礦山安全生產。近年來，經過對大量采空區的治理，銅坑礦井下地壓活動趨于平緩。根據礦山生產需要，近期加快了各區域復雜難采殘留礦體的回采，但由于受前期地壓活動破壞影響，92#礦體礦柱群Ⅱ采區及附近區域的大部分礦柱呈破碎狀況，造成Ⅱ采區回采在生產施工和安全管理上存在相當大的難度。鑒于92#礦體礦柱群破碎難采的復雜性，有必要加強地壓監控和災害預防工作。

1 Ⅱ采區巷道沉降破壞的主要原因

1.1 地質構造

采準區域內地質構造復雜，層理、節理及裂隙較發育，地層為灰-灰黑色薄-中層狀硅質巖，隱晶質結構、條帶及致密塊狀構造。礦體厚大、連續性好，礦體產狀為北高南低。

1.2 巖石性質

92#礦體礦柱群Ⅱ采區礦體垂直標高為505～405 m，礦體平均厚度為54 m左右。礦體頂板南高北低，即由南往北傾伏，傾角為28°左右。礦體分布為頂、底部兩部分：頂部474～505 m為91#礦體，呈層狀分布，礦體薄，圍巖為小扁豆灰巖；底部礦體為405～470 m之間的92#礦體，呈現條帶狀分布，硅質巖夾石嵌入較多，圍巖相對穩固。91#礦體與92#礦體之間的部分隔離的圍巖為寬條帶灰巖及泥灰巖，巖層裂隙發育，整體穩定性差，自承能力弱。

1.3 采區分布特點

Ⅱ采區整體處于91#礦體與92#礦體開采巖層移動線上，也是兩個礦體間尚存的未開采的礦柱，在礦體分布上處于非常重要的位置，采區周邊多為采空區和垮落帶。采區東面為已垮通地表的T110-T111采空區；北面為R3采空區和92#礦體礦柱群Ⅰ采區；西面為地壓破壞較嚴重T503采空區；南面為T310采空區。因受采空區和地壓破壞影響，Ⅱ采區494 m西端唯一進路破碎嚴重，由于多年的壓應力集中破壞和周邊回采擾動，上覆巖層的壓力向下傳遞，該區域主要以巷道塑性沉降、底臌開裂等破壞形式發展。

2 巷道沉降監測規范要求與適用方法

(1) 巷道沉降規范與測量儀器的精度要求。沉降規范遵循國家及礦山井巷工程測量有關規范標準。井下水準測量分為兩級：I級水準測量時井下高程測量的首級控制，其精度較高；II級水準測量的精度較低，作為I級水準點間的加密控制，主要滿足礦井日常生產需要。Ⅱ采區聯道頂板觀測路線為Ⅱ級水準支線，可采用一次儀器高往返觀測，各測站的高差互差不應大于5 mm。為保證觀測簡單易行、提高觀測精度和工作效率，根據《國家三、四等水準測量規范》(GB/12898-2009)中三等水準測量精度要求對Ⅱ采區巷道頂板進行測量，見表1。

(2)適用方法的確定。通過理論分析和現場調查分析研究，決定針對井下區域性的地壓活動采用巷道頂板沉降觀測等地壓監測及控制手段，進行全面的監控分析，以達到安全生產和經濟合理回收礦石資源的預期效果。

表1 三等水準觀測的主要技術要求

3 巷道頂板沉降監測

井下水準測量與地面水準測量相比,其原理、實測方法和計算公式均完全相同,但井下水準測量時,因點設在頂板上,出現水準尺倒立現象,所以記錄時應用符號注明“ˉ”號，井下巷道頂板測量時，對測量的巷道布設掛點，兩測點間必須通視，水準尺倒立掛置巷道頂板，尺底(零刻度)端頂住水準點，對測點依次進行觀測(見圖1)。

圖1 井下水準測量

(1) 基準點的布設。觀測基準點選擇在觀測聯道以外且影響較小的主斜道頂板，作為長久性基準點。在每次觀測前均應檢核基準點的穩定性，如果發現高程變異超過允許精度則立即采取處理措施。如觀測期間測區發生巖層移動、頂板明顯沉降等外界強烈因素時，亦應及時進行檢驗，采取處理措施。

(2) 沉降觀測點布設。沉降測量點布設應結合現場地質情況和巖體結構特點，以全面反映巷道頂板變形特征，考慮到觀測精度，從主斜坡道至Ⅱ采區聯道頂板較穩定的巖體上平均每30 m布設一個觀測點，包括基點在內共計6個觀測點。沉降觀測點具體位置見圖2。

(3) 觀測方案。遵循水準測量的基本法則，以基準點作為后視，1#觀測點為前視，在兩測點大致等距離位置擺置水準儀器，調整水平氣泡居中，保持兩測點在同一條水平線上，瞄準水準尺直接讀取后視與前視的測量值。

前視點高程=后視點高程+后視讀數-前視讀數(1)

依次計算得出各測點沉降值。每次觀測應記載沉降量、沉降速度、時間及其它有關異常情況。

圖2 測點布設

(4) 觀測數據及處理。根據監測情況并對測量數據進行核實，對變形最大的觀測點進行統計，見表2；巷道頂板沉降監測數據曲線見圖3。

表2 變形最大值統計情況

圖3 頂板沉降監測數據曲線

4 下沉特征與穩定性分析

4.1 觀測成果分析

根據觀測數據統計可以看出，沉降觀測點K1-K3(測點位于地壓影響范圍外)沉降變化幅值平緩；K4、K5觀測點(測點位于地壓破壞聯道內)沉降幅值波動較大。整體上看，頂板沉降變化按4個階段發展，該沉降變化趨勢與井下巷道圍巖、礦柱檢查情況相吻合。

巷道下沉主要特征：

第一階段：前期地壓活動穩定后，破壞影響區域支承壓力趨于固定值，該聯道整體性能表現穩定，巷道礦柱無新地壓破壞現象發生。

第二階段：待Ⅱ采區巷道開拓后，爆破擾動破壞松動圈巖體的結構，巖體抗拉強度降低，破碎巖層難以承載高強度的壓力，當巷道圍巖強度小于礦柱支承應力時，礦柱兩側出現壓剪破壞，這段時期內，頂板呈緩慢下沉狀態。

第三階段：在掘進過程中，伴隨斷面縮小，圍巖連帶移動反映到巷道中，會使個別區域頂板巖層局部上升，出現“反彈”現象，沉降量逐漸增加，巷道頂板出現冒塊、脫層現象。

第四階段：圍巖、礦柱進一步加劇破壞時，巖石支承能力急劇下降，巷道頂板下沉呈加速度發展直至整體垮塌。

4.2 穩定性分析與預警

從巷道頂板沉降觀測結果研究頂板圍巖的失穩規律，及時進行安全防護措施。當頂板沉降量達50 mm時，發出黃色預警，對巷道兩側進行混凝土鋼筋支護，并采取高強錨桿噴漿支護；當沉降量達150 mm時，發出橙色預警，提出間接性作業方案，盡量減少作業時間，提前做好安全撤離路線；當沉降量達200 mm時，發出紅色預警，禁止人員進入聯道，并做好地壓破壞預報預警分析。

5 結 論

通過對復雜空區群殘留礦體回采頂板進行沉降觀測，對頂板穩定性變化規律進行有效的監控。當回采巷道頂板存在不安全因素時，通過觀測數據統計及時發現并掌握頂板變形、演變過程和發展趨勢，提出了危險情況的黃色、橙色和紅色3級預警及相應對策，同時在采場開拓施工過程中，及時提出施工整改方案并做好安全防護措施，有效解決了礦山大型礦體復雜條件下破碎區安全監控關鍵性技術難題。

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