弓長嶺井下礦上盤運輸巷道讓壓開拓方法研究

付 煜 任鳳玉 宮國慧 陳繼宏

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819;2.鞍鋼集團礦業公司弓長嶺礦業公司，遼寧 遼陽111007)

弓長嶺井下礦是我國地下開采最早的礦山之一，礦體為沉積變質型磁鐵礦床，由6 條近似平行礦體組成，傾角60° ～85°，厚度5 ～30 m，走向長度4 850 m［1-2］，分為西北區、中央區和東南區3 個采區，其中，中央區已開采至－280 m 中段，采深超過500 m，應用無底柱分段崩落法開采，階段高度60 m，分段高度12 m。隨著開采深度的逐漸增加，地壓活動越來越頻繁［3-8］，－280 m 上盤運輸巷道遭受地壓破壞嚴重，雖然在掘進的過程中采用高強度的鋼筋混凝土墻及金屬拱架支護，但仍然無法控制劇烈的地壓活動，支護后巷道多處出現頂板開裂下沉、墻體內推折斷、底鼓等現象，經過多次維修，才能勉強維持使用，嚴重地影響礦山的正常生產。

為避免地壓活動對上盤運輸巷道破壞事故再次發生，保證－340 m 上盤運輸巷道的正常生產運行，亟需尋求一種有效的地壓控制方法。本研究對－280 m 上盤運輸巷道破壞情況進行了詳細的調查，分析了上盤巖性對巷道穩定性的影響，揭示出上盤運輸巷道破壞的直接原因是楔形體壓力作用，根據上盤回采邊界和巷道破壞邊界的相對位置關系，確定讓壓角，劃分塑性變形區和彈性變形區。在此基礎上，提出讓壓開拓方法，將－340 m 上盤運輸巷道布置在彈性變形區，讓開楔形體壓力的的作用，避免上盤運輸巷道遭受地壓破壞，保證礦山的正常生產運行。

1 地壓顯現部位及成因

1.1 －280 m 上盤運輸巷道破壞部位調查

現場調查發現，－280 m 上盤運輸巷道受地壓破壞的部位主要分布在12B ～15 剖面線之間，破壞長度410 m(如圖1)。

圖1 －280 m 上盤運輸巷道地壓顯現部位Fig.1 Position of the ground pressure in hanging haulage roadway of －280 m level

1.2 巖體力學參數實驗

－280 m 中段礦巖中存在多條小斷層，地質構造較為復雜，受斷層的切割作用，礦巖交錯而生。礦巖種類主要分為上盤綠泥片巖(H)，下盤角閃巖(Am)，磁鐵礦(Fe4、Fe5、Fe6)、平爐富礦(Rm)和高爐富礦(Rd)。對礦巖進行了點荷載實驗及穩定性分級，得到巖體基本質量指標如表1 所示。

表1 －280 m 中段礦巖基本質量指標Table 1 The basic quality designation of the rock in －280 m level

1.3 巖性對巷道穩定性影響

分析巖性對巷道穩定性的影響，－280 m 上盤運輸巷道巖體為綠泥片巖，從表1 巖體穩定性分級可以看出，綠泥巖不穩定，單軸抗壓強度僅為49.30 MP，屬于軟巖，巷道掘進后，受地壓作用，巷道出現頂板剝皮冒落、墻體片幫斷裂、底鼓等現象，雖然對破壞部位采取了高強度的鋼筋混凝土和金屬拱架支護方式，多處巷道碹體支護厚度達到0.5 m，但隨著時間的推移，剛性支護的抗復雜變形能力弱的缺點逐漸顯現出來，軟弱破碎巖體的變形仍在持續，巷道多處發拱頂開裂下移、墻體內推斷裂及片幫等現象，嚴重地影響了礦山的正常生產。

1.4 楔形體壓力作用

從巷道支護后破壞程度來看，軟巖破碎不穩只是巷道破壞的內在原因，拱頂下沉破壞現象表明巷道外部垂直方向存在一個很大的作用力，引起應力集中，是巷道破壞的直接原因。分析得出，中央區自－220 m 中段全部改用無底柱分段崩落法開采，開采后形成的采空區已冒透地表，在礦體上盤形成一個楔形體［9］(見圖2)，如不計采空區散體對其垂直向上的支撐力和楔形體邊壁的拉應力作用，楔形體壓力可以表示為

式中，P 為楔形體壓力，kN;γ 為上盤巖體容重，kN/m3;a 為楔形體底部長度，m;H 為楔形體高度，m;α為礦體上盤傾角，(°);L 為280 m 上盤運輸巷道破壞長度，m;λ 為應力有效作用系數。

圖2 楔形體模型Fig.2 The wedge model

根據土力學中的豎向集中荷載作用下地基中的附加應力［10］計算方法(見圖3)，楔形體對上盤運輸巷道法向應力σz可表示為

式中，σz為楔形體對上盤運輸巷道的法向應力，MPa;P 為楔形體垂直方向集中力，kN;R 為楔形體豎向應力集中應力作用遠點O 到上盤運輸巷道的距離，m;θ為R 線與z 坐標軸的夾角，(°)。

圖3 豎向集中荷載作用下應力計算示意Fig.3 The illustration of stress calculation under vertical concentrated load

以第14 剖面為例，楔形體高度為H =464 m，底部長度a=21 m，－280 m 上盤運輸巷道破壞長度L=410 m，礦體上盤傾角α =78°，巖體為綠泥片巖，容重γ=23 kN/m，考慮側壁對楔形體的拉應力作用以及采空區散體垂直方向的支撐力作用，應力有效系數λ取0.5，將各個參數代入式(1)，計算得P =1.54 ×108kN。式(2)中，R =22.6 m，θ =22°，代入計算得σz=114.75 MPa，相比表1 中實驗測得的綠泥巖抗壓強度，楔形體作用在上盤運輸巷道的法向應力遠大于綠泥巖的抗壓強度49.30 MPa。從計算結果可以看出，如此大的楔形體法向應力，僅依靠高強度的剛性支護無法阻止巷道破壞，需采取其他有效的措施，避免上盤運輸巷道的破壞。

此外，從式(1)和式(2)可以得出，楔形體壓力隨采深的平方的增加而增大，當采深達到一定值后，上盤運輸巷道承受的楔形體壓力隨采深的增大急劇增大，楔形體對上盤運輸巷道法向應力σz也會急劇增大，雖然采空區散體對楔形體有垂直方向的支撐力，但這個力會很小，主要有2 個原因:第一，采空區的上盤傾角較大，散體壓力的水平分量大而垂直分量小，垂直方向上提供給楔形體的壓力很小。第二，下部采礦活動使散體處于移動狀態，移動的散體對上盤的橫向支撐力較大，而垂直向上的支撐力將很小。因此，楔形體的垂直方向壓力主要作用在其下部的上盤運輸巷道上，引起礦巖應力的高度集中，導致巷道的持續變形與大范圍的破壞。3

2 地壓防治方案

2.1 讓壓開拓

弓長嶺鐵礦－280 m 中段采用無底柱分段崩落法沿脈開采，上盤綠泥巖松軟破碎，礦體回采后，受上盤楔形體壓力作用，－280 m 上盤運輸巷道開挖后應力集中現象突出，當應力超過巖體的強度極限時，巷道周邊巖石發生破壞，出現大的塑性變形，造成巷道周邊的非彈性位移，這種現象從巷道周邊向巖體深處擴展到某一范圍，在此范圍內的巖體稱為塑性變形區，工程布置在塑性變形區內會發生嚴重破壞。而在塑性變形區以外還存在一定范圍內為彈性變形區，彈性變形區內巖體只發生彈性變形，并未破壞，工程布置在彈性變形區內只會發生一定程度的彈性變形，不會引起破壞。因此，如何確定塑性變形區和彈性變形區的范圍對上盤開拓巷道的布置至關重要，從現場調查可以確定－280 m 上盤開拓巷道的塑性破壞界限，而楔形體是由于礦體開采形成的，利用礦體回采邊界與巷道破壞邊界之間的相互關系就可以確定塑性變形區和彈性變形區。定義破壞邊界與上盤回采邊界的連線與水平方向的夾角稱為讓壓角，以讓壓角為界限，將－280 m 中段分為塑性變形區和彈性變形區，讓壓角越大，塑性變形區范圍越大，彈性變形區越靠近下盤，將上盤運輸巷道布置在彈性變形區內可以讓開楔形體壓力［11-12］，但考慮礦體回采運輸問題，上盤運輸巷道應盡量布置在靠近上盤的位置，只要把上盤運輸巷道布置在應力彈性變形區就能達到控制地壓的目的。統計－280 m 水平上盤運輸巷道的破壞邊界與礦體上盤回采邊界位置得出，12B ～15 線讓壓角為74°～78°，其中第14 剖面線的讓壓角最大，為78°(如圖4)。

圖4 第14 線巷道破壞位置剖面Fig.4 Profile of the destructive roadway in the 14th exploration line

利用統計的讓壓角，將上盤開拓巷道布置在彈性變形區，讓開楔形體壓力，稱之為讓壓開拓方法。因此，根據－280 m 中段統計的讓壓角，可以確定－340 m 上盤運輸巷道的布置位置，由于上盤運輸巷道為永久工程，并且巖體為綠泥巖，不穩固，為安全起見，取最大讓壓角78°，并乘以1.2 的安全系數，按93°讓壓角確定－340 m 上盤運輸巷道的位置。

2.2 現場實施情況

目前，－340 m 上盤運輸巷道已掘進800 m 左右(見圖5)，應力集中現象明顯減少，局部不穩部位采取錨桿支護就可以控制地壓顯現，巷道穩定性良好，表明讓壓開拓方法能夠有效解決弓長嶺井下礦地壓顯現問題，減少上盤運輸巷道破壞事故的發生。

圖5 －340 m 中段上盤開拓巷道布置Fig.5 Layout of the hanging wall development roadway in －340 m level

3 結 論

(1)弓長嶺井下礦中央區－280 m 上盤運輸巷道地壓顯現主要發生在12B ～15 線，高強度的剛性支護無法阻止巷道的持續變形破壞，支護后仍出現頂板下沉、墻體內推斷裂、底鼓等現象，嚴重地影響了礦山的正常生產，亟需采取有效措施控制地壓顯現。

(2)弓長嶺井下礦中央區－280 m 上盤運輸巷道地壓顯的主要是楔形體壓力作用，楔形體壓力隨著采深平方的增大而增大，導致楔形體對上盤運輸巷道法向應隨采深的增加不斷增大，是巷道破壞的直接原因。

(3)通過礦體回采邊界與巷道破壞邊界之間的相互關系確定讓壓角，劃分塑性變形區和彈性變形區，將上盤運輸巷道布置在彈性變形區內可以避開楔形體壓力，達到控制地壓的目的。

(4)為減小楔形體壓力對上盤開拓巷道的破壞，－340 m 上盤運輸巷道采取讓壓開拓方式，利用最大讓壓角確定巷道的位置，將巷道布置在彈性變形區，讓開楔形體壓力作用。實踐證明，讓壓開拓方案能夠很好地解決弓長嶺井下礦地壓顯現問題，達到控制地壓的目的。

［1］ Thierno Amadou Mouctar Sow，任鳳玉，陳曉云. 弓長嶺井下礦采準巷道破壞形式及其支護技術研究［J］. 采礦技術，2012，12(5):37-39.

Thierno Amadou Mouctar Sow，Ren Fengyu，Chen Xiaoyun. The destroy forms of mining preparation roads and the support technology in Gongchangling Underground Mine［J］. Mining Technology，2012，12(5):37-39.

［2］ 郭友學，徐鐵偉，韋錦華，等. 弓長嶺井下鐵礦地壓活動規律分析與控制［J］.現代礦業，2009(12):82-84.

Guo Youxue，Xu Tiewei，Wei Jinhua，et al. The analyses to ground pressure activity and the control of geostatic disaster in Gongchangling Underground Mine［J］. Modern Mining，2009(12):82-84.

［3］ 宮國慧，付 煜，陳繼宏，等. 弓長嶺井下采場地壓控制技術研究［J］.中國礦業，2014，23(12):74-78.

Gong Guohui，Fu Yu，Chen Jihong，et al.Study on stope ground pressure control technology in Gongchangling Underground Mine［J］.China Mining Magazine，2014，23(12):74-78.

［4］ 雷遠坤.無底柱高應力區地壓活動分析及控制探討［J］.金屬礦山，2002(12):26-28.

Lei Yuankun. Analysis of the ground pressure activity in pillarless high stress area and its control［J］.Metal Mine，2002(12):26-28.

［5］ 李延偉，王景林，何榮興，等. 瓦房子錳礦雹神廟礦區地壓活動規律及控制方法［J］.金屬礦山，2014(4):29-30.

Li Yanwei，Wang Jinglin，He Rongxing，et al.Rule of geostatic activity and the controlling method in Baoshenmiao mining area of Wafangzi Manganese Mine［J］.Metal Mine，2014(4):29-30.

［6］ 蘇承東，李化敏. 深埋高應力區巷道沖擊地壓預測與防治方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(S2):3840-3846.

Su Chengdong，Li Huamin.Study on forecast and prevention methods for rockburst of deep roadway with high geo-stress［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，2(S2):3840-3846.

［7］ 藍 航，齊慶新，潘俊鋒，等. 我國煤礦沖擊地壓特點及防治技術分析［J］.煤炭科學技術，2011，39(1):11-15.

Lan Hang，Qi Qingxin，Pan Junfeng，et al. Analysis on features as well as prevention and control technology of mine strata pressure bumping in China［J］.Coal Science and Technology，2011，39(1):11-15.

［8］ 明世祥，于言平.小官莊鐵礦采場地壓控制方法的研究［J］. 金屬礦山，2005(1):9-11.

Ming Shixiang，Yu Yanping. Investigation on stope ground pressure control method for Xiaoguanzhuang Iron Mine［J］.Metal Mine，2005(1):9-11.

［9］ 任鳳玉，丁航行，任國義，等. 二道溝金礦采場巖爆控制試驗［J］.東北大學學報:自然科學版，2012，33(6):891-894.

Ren Fengyu，Ding Hangxing，Ren Guoyi，et al. Experimental study on stope rock-burst control in Erdaogou Gold Mine［J］. Journal of Northeastern University:Natural Science，2012，33(6):891-894.

［10］ 代國忠，史貴才.土力學與基礎工程［M］.北京:機械工業出版社，2013.

Dai Guozhong，Shi Guicai. Soil Mechanics and Foundation Engineering［M］.Beijing:China Machine Press，2013.

［11］ 王文杰. 高應力區巷道卸壓支護技術及應用［J］. 金屬礦山，2010(3):23-25.

Wang Wenjie.Depressurized support method and application in the development working of high stress area［J］. Metal Mine，2010(3):23-25.

［12］ 王文杰.中厚傾斜礦體卸壓開采理論及其應用［J］.金屬礦山，2009(2):23-26.

Wang Wenjie. Theory and application of the depressurized mining for inclined medium-thick ore bodies［J］. Metal Mine，2009(2):23-26.