某礦區(qū)地表井下地壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究

劉浩++唐瓊瑤++徐力勇

摘 要：地下礦山開(kāi)采，會(huì)產(chǎn)生大量采空區(qū)。采空區(qū)的有效監(jiān)測(cè)，將直接影響到礦山的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。該文針對(duì)某礦采空區(qū)穩(wěn)定性及地壓監(jiān)測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入地研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、井下地壓監(jiān)測(cè)、地表變形監(jiān)測(cè)等研究手段，獲取井下采空區(qū)的分布、采空區(qū)穩(wěn)定情況、地壓分布規(guī)律。建立井下應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出地表移動(dòng)變形觀測(cè)方案、觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方案、全面觀測(cè)方法及日常監(jiān)測(cè)工作，指導(dǎo)礦山的安全回采。

關(guān)鍵詞：采空區(qū) 地壓監(jiān)測(cè) 地表移動(dòng)帶

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（c）-0023-04

Study on the Application of Ground Pressure Monitoring on Surface and Underground in a Mining Area

Liu Hao1 Tang Qiongyao2 Xu Liyong3

（1.Jiangxi university of science and technology resources and environment engineering school； 2.Jiangxi university of science and technology building and surveying and mapping engineering institute； 3.Jiangxi university of science and technology institute of metallurgical and chemical engineering，Ganzhou Jiangsu， 341000， China）

Abstract：With the development of underground mining，there are a large amount of goaf.At the same time，the underground pressure is obvious.It will decide the mines production safety and economic benefit if the goaf would be deal effectively with.This article in view of the mine goaf stability and ground pressure monitoring system，we get the position and stability of the goal and the underground pressure distribution rule through some research techniques，like a field investigation，underground pressure monitoring，the numerical simulation，and so on.Also， combined with pressure monitoring results and numerical analysis study of optimization filling scheme， guide the safety mining of mine.

Key Words：Goaf；Ground pressure monitoring；The range of surface movement

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，產(chǎn)生大量采空區(qū)，給礦山的正常生產(chǎn)和環(huán)境帶來(lái)巨大損害[1]。為較好地處理采空區(qū)，需掌握地下采空區(qū)的分布情況、采空區(qū)地壓分布規(guī)律、采空區(qū)的變形和破壞規(guī)律等，并需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[2-5]。

某多金屬礦經(jīng)過(guò)多年地開(kāi)采，某礦區(qū)域已形成大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯，新采空區(qū)大量增加，部分老采空區(qū)也有擴(kuò)幫，并且部分新增空區(qū)與老空區(qū)相互貫通，在開(kāi)采過(guò)程中未及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，嚴(yán)重威脅著礦山的生產(chǎn)作業(yè)安全。

針對(duì)礦山開(kāi)采遺留大量采空區(qū)，地壓顯現(xiàn)明顯問(wèn)題，該研究擬采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地壓監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等研究手段，得到采空區(qū)分布、采空區(qū)穩(wěn)定性狀況，獲得地壓分布規(guī)律，并重點(diǎn)對(duì)地壓區(qū)礦石回采進(jìn)行地壓監(jiān)測(cè)，保障礦山采礦作業(yè)安全。

1 采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

該礦已對(duì)部分采空區(qū)進(jìn)行充填處理，充填處理的方式主要包括尾砂膠結(jié)充填和廢石充填兩種。為了更好地了解目前某礦采空區(qū)的賦存狀況及分布特點(diǎn)，故需要對(duì)采空區(qū)的形狀參數(shù)、暴露面積、空間位置關(guān)系、連通性等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。

采空區(qū)的形狀參數(shù)使用德國(guó)PD40型手持激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到了采空區(qū)的分布、賦存狀況以及充填情況等信息，得出：礦區(qū)各個(gè)中段都有新采空區(qū)增加，新增采空區(qū)總暴露面積達(dá)到29 357.49 m2，體積達(dá)到350 038.36 m3，多個(gè)中段空區(qū)貫通，最大貫穿3個(gè)中段，空區(qū)暴露面積達(dá)2 352.4 m2，體積達(dá)58 810 m3。

2 地壓調(diào)查

經(jīng)過(guò)一年多的開(kāi)采，該礦各中段未處理的采空區(qū)體積增加，使部分采空區(qū)及附近地壓活動(dòng)頻繁，主要表現(xiàn)為：采空區(qū)頂板冒落、片幫、巷道變形、底板開(kāi)裂和地表變形與塌陷。

造成各中段地壓顯現(xiàn)的主要原因是，采空區(qū)數(shù)目和采空區(qū)總體積的增長(zhǎng)，以及充填進(jìn)度無(wú)法滿足生產(chǎn)要求。

3 地壓監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

目前，隨著礦區(qū)正常開(kāi)采的延續(xù)，井下采空區(qū)的數(shù)目、體積也逐漸增多，作業(yè)區(qū)域由于大量空區(qū)的存在使部分區(qū)域地壓顯現(xiàn)比較明顯。礦區(qū)的巖石屬于硬巖，為了對(duì)地壓活動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，根據(jù)礦山的實(shí)際情況并結(jié)合已有的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，確定該次地壓監(jiān)測(cè)的方法為應(yīng)力監(jiān)測(cè)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器選擇靈敏度高、性能穩(wěn)定的光彈應(yīng)力計(jì)。

此次井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置綜合考慮了采空區(qū)地壓調(diào)查及采空區(qū)充填情況，各中段空區(qū)的空間相對(duì)位置、連通情況等因素，并參考礦山采掘計(jì)劃，避開(kāi)了開(kāi)采作業(yè)區(qū)域，以便長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明

（1）-85 m中段：71～77線間空區(qū)已全部連通，并且下通-115 m中段，目前該空區(qū)中局部留有殘礦；此空區(qū)為現(xiàn)中深孔爆破區(qū)域，開(kāi)采計(jì)劃采至-60 m中段，因而在此空區(qū)周圍布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；77線主運(yùn)輸巷道頂板破碎，地壓顯現(xiàn)明顯，因而在此布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）-100 m中段：中深孔爆破區(qū)域仍作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，此處空區(qū)礦柱剝離，頂板破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，因此在此空區(qū)周圍布4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；75～83線間的空區(qū)因無(wú)法進(jìn)入，未作監(jiān)測(cè)布置，此空區(qū)在-115 m中段相對(duì)位置的空區(qū)已作充填處理；30#采場(chǎng)處頂板破碎，礦柱剝離，附近主運(yùn)輸巷道采用了錨桿支護(hù)，頂板噴漿處理，在此礦柱處布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；8#采場(chǎng)空區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯地壓顯現(xiàn)，因該空區(qū)邊仍在回采，故此處布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（3）-115 m中段：71～75線區(qū)域處于中深孔爆破區(qū)域，此處空區(qū)布3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；69～71線處主運(yùn)輸巷道頂板較為破碎，此處有新增空區(qū)，但空區(qū)較為穩(wěn)定，因而此處可布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；77線后期地壓顯現(xiàn)明顯，且附近有新的空區(qū)形成，因此在這布了一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（4）-130 m中段：85-1#采場(chǎng)周邊空區(qū)已充填，該空區(qū)靠主巷處頂板開(kāi)裂，礦柱剝離，片幫，因而在此處礦柱上布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；此中段以實(shí)驗(yàn)采場(chǎng)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，該區(qū)域位于77～81線間，頂板破碎，靠近運(yùn)輸巷道處片幫，節(jié)理發(fā)育，空區(qū)有冒頂，此處往西南有采掘計(jì)劃，因而此處布4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；3#采場(chǎng)頂板破碎，有滑移面，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，并且此空區(qū)邊礦柱10、11月有回采計(jì)劃，因而此處布1監(jiān)測(cè)點(diǎn)；73線處空區(qū)正在回采，礦柱完整性好，空區(qū)有冒落、片幫，礦柱邊上有小段層存在，附近有開(kāi)采計(jì)劃，此處布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（5）-145 m中段：73-2#采場(chǎng)較穩(wěn)定，局部有滴水，因有新增開(kāi)采空區(qū)，往71線方向有采掘計(jì)劃，因而此處布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；69線處空區(qū)與-160 m中段空區(qū)相通，且有冒頂，因而此處布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；Y27所布位置附近空區(qū)不穩(wěn)定，且有新增掘進(jìn)，因而布在此處；1-2#采場(chǎng)有大面積冒頂，周圍砌有擋墻，與其它空區(qū)相隔離，此空區(qū)在下一中段（-160 m）已用廢石充填，因而不在此布監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（6）-160 m中段：15#采場(chǎng)頂板冒落嚴(yán)重，礦柱剝離，片幫，地壓顯現(xiàn)明顯，此空區(qū)原光彈應(yīng)力計(jì)G27完好，但已不可監(jiān)測(cè)（不安全），在此空區(qū)礦柱的另一側(cè)布1監(jiān)測(cè)點(diǎn)；18#采場(chǎng)與-145 m相通，礦柱剝離，空區(qū)連通區(qū)域較大，因而此處布1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；2#采場(chǎng)頂板有冒落，局部少量滴水，且空區(qū)面積較大，在此布1監(jiān)測(cè)點(diǎn)；由于回采放炮及空區(qū)處理等因素，為了加強(qiáng)此中段地壓監(jiān)測(cè)，后期在此多布了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)多次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出：各中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體次生應(yīng)力變化較大，次生應(yīng)力較高，次生應(yīng)力有上升趨勢(shì)。

4 地表移動(dòng)變形觀測(cè)方案

礦區(qū)的地表海拔高程一般為200～400 m，最高點(diǎn)的海拔達(dá)到512.5 m，從地表至目前開(kāi)采的最下面中段高差很大，地下開(kāi)采易引起地表移動(dòng)變形，給下部各中段開(kāi)采作業(yè)帶來(lái)威脅，所以對(duì)地表進(jìn)行移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。

目前用于地表變形觀測(cè)的方法中，通過(guò)圈定礦區(qū)的地表移動(dòng)帶，然后在移動(dòng)帶之內(nèi)設(shè)立變形觀測(cè)站進(jìn)行地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)是最有效的方法之一[6]。

地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)就是在地表移動(dòng)帶范圍之內(nèi)建立變形觀測(cè)站，定期對(duì)整個(gè)觀測(cè)站進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)地表的下沉和變形情況。

4.1 確定巖石移動(dòng)角

采用工程類比的方法確定出礦區(qū)走向端部移動(dòng)角=75°；上盤巖石移動(dòng)角位65°；下盤巖石移動(dòng)角70°。

4.2 圈定地表移動(dòng)帶

利用確定的巖石移動(dòng)角，針對(duì)礦區(qū)64～83線勘探線剖面圖逐個(gè)畫出礦體下盤和上盤的巖石移動(dòng)界線，并得出巖石移動(dòng)界線與地表交點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)。

得到各勘探線剖面圖巖石移動(dòng)界線與地表交點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)位置后，在礦區(qū)地表地形圖上繪出沿脈縱剖面圖礦脈兩端巖石移動(dòng)界線與地表交點(diǎn)的坐標(biāo)位置，將相鄰兩個(gè)勘探線的各點(diǎn)連成線，并經(jīng)修整后得出礦區(qū)的地表移動(dòng)帶。

4.3 地表觀測(cè)點(diǎn)的確定

圈出礦區(qū)地表移動(dòng)帶后，根據(jù)地表觀測(cè)在移動(dòng)帶之內(nèi)確定觀測(cè)點(diǎn)，設(shè)立變形觀測(cè)站進(jìn)行地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。

根據(jù)相關(guān)原則，在地表移動(dòng)帶內(nèi)布置AA′、BB′兩條觀測(cè)線。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程，以剖面法求得AA′和BB′觀測(cè)線長(zhǎng)度分別為875 m和650 m，共計(jì)1 525 m，每25 m一個(gè)點(diǎn)，共63個(gè)點(diǎn)。

具體觀測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，各觀測(cè)線長(zhǎng)度及觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

4.4 觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

所有控制點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)均為混凝土預(yù)制樁，鋼筋露出高度為5 mm，如圖5、6所示。

4.5 全面觀測(cè)

在觀測(cè)站未受開(kāi)采影響之前，獨(dú)立進(jìn)行2次全面觀測(cè)。當(dāng)?shù)乇硐鲁吝_(dá)到50～100 mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行采動(dòng)后的第一次全面觀測(cè)；在地表受采動(dòng)影響穩(wěn)定后，進(jìn)行最后一次全面觀測(cè)。

4.6 日常觀測(cè)

在首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)加密水準(zhǔn)測(cè)量次數(shù)，來(lái)判定地表是否開(kāi)始移動(dòng)。在回采工作面推進(jìn)0.1～0.5平均開(kāi)采深度，選擇部分工作測(cè)點(diǎn)，每周進(jìn)行1次水準(zhǔn)測(cè)量。一般1～3個(gè)月重復(fù)1次水準(zhǔn)測(cè)量。在明顯的活動(dòng)區(qū)和下沉區(qū)要增加水準(zhǔn)觀測(cè)次數(shù)。

觀測(cè)站的各項(xiàng)觀測(cè)，一般情況下可參照表2的程序進(jìn)行。水準(zhǔn)測(cè)量必須在一天內(nèi)完成，并力爭(zhēng)做到高程測(cè)量和平面測(cè)量同時(shí)進(jìn)行。

5 結(jié)論

（1）對(duì)礦區(qū)進(jìn)行全面的采空區(qū)和地壓調(diào)查，得到了采空區(qū)的分布、賦存狀況以及充填情況等信息。

（2）建立井下應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得出了各中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體次生應(yīng)力變化較大，次生應(yīng)力較高，次生應(yīng)力有上升趨勢(shì)。

（3）建立地表移動(dòng)變形觀測(cè)方案，提出了觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方案、全面觀測(cè)方法及日常監(jiān)測(cè)工作。

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