付 煜 任鳳玉 何榮興 宮國(guó)慧 馬 東
(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110819;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長(zhǎng)嶺有限公司井采分公司,遼寧遼陽(yáng)111007)
隨著地下開(kāi)采深度的逐漸增加,采動(dòng)引起的地壓顯現(xiàn)越發(fā)明顯[1-4],主要表現(xiàn)為巷道變形、冒頂、片幫、底臌、垮塌等現(xiàn)象,嚴(yán)重地影響了礦山的正常開(kāi)采和人員安全[5-6]。為此,許多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法,分析研究了采動(dòng)壓力的特征及變化規(guī)律,尋求有效控制采動(dòng)壓力的方法。丁航行等[7]對(duì)二道溝金礦急傾斜薄礦脈采動(dòng)壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定了采動(dòng)壓力峰值距離采場(chǎng)的范圍。彭府華等[8]對(duì)金川二礦區(qū)巖體應(yīng)力和巷道收斂變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),分析評(píng)價(jià)了大面積開(kāi)采和水平礦柱開(kāi)采對(duì)14行回風(fēng)井和上下盤(pán)圍巖體的影響。劉杰、徐文全、張農(nóng)等[9-11]分別對(duì)不同煤礦回采工作面采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè),得到了采動(dòng)壓力的分布規(guī)律及影響范圍,對(duì)煤礦安全開(kāi)采具有重要指導(dǎo)意義。
基于上述研究結(jié)果,本文主要研究深部破碎硬巖采動(dòng)壓力的分布規(guī)律與控制方法,以弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦為研究背景,采用收斂監(jiān)測(cè)的方法,對(duì)3個(gè)不同深度的采場(chǎng)進(jìn)行采動(dòng)壓力監(jiān)測(cè),得到了采動(dòng)壓力的變化特征,確定了采動(dòng)壓力的峰值范圍和影響范圍。根據(jù)監(jiān)測(cè)采動(dòng)壓力的變化特征分析了現(xiàn)有支護(hù)方式與礦巖特征的不適應(yīng)性,提出了錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)方案,該方案預(yù)計(jì)能夠有效地控制深部破碎硬巖采動(dòng)壓力顯現(xiàn)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)礦山的安全高效開(kāi)采。
弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦為急傾斜中厚礦體,礦體走向長(zhǎng)4 850 m,垂直延深-700 m以下,分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)3個(gè)采區(qū)。其中,中央?yún)^(qū)采深最大,應(yīng)用沿走向布置進(jìn)路的無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采,已開(kāi)采至-280 m中段,采深達(dá)500 m左右,與西北區(qū)回采水平高差330 m,與東南區(qū)露天回采高差670 m。高落差開(kāi)采加劇了中央?yún)^(qū)深部地壓顯現(xiàn),采準(zhǔn)巷道破壞嚴(yán)重。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在水平或緩傾斜節(jié)理面的巖層中經(jīng)常出現(xiàn)沿結(jié)構(gòu)弱面的拉伸破壞;在結(jié)構(gòu)面相互交叉的巖體中,大塊冒落情況較為頻繁,冒落長(zhǎng)度一般在2~5 m,冒落高度可達(dá)2~3 m。在層理與節(jié)理比較發(fā)育的巖體中,通常出現(xiàn)片幫冒頂破壞,拱角先受到剪切作用破壞掉落,之后側(cè)墻受拉應(yīng)力片落,最后頂板發(fā)生冒落,還有的頂板先出現(xiàn)冒落,后片幫和頂板沿結(jié)構(gòu)面呈楔形體破壞冒落,接著拱角向外擴(kuò)展,這種形式的冒落長(zhǎng)度一般較大,多達(dá)10~30 m,一次冒落高度可達(dá)2~3 m。尤其在礦巖節(jié)理裂隙十分發(fā)育的部位,巷道掘進(jìn)后未采取任何支護(hù)措施,受周?chē)蓜?dòng)壓力的影響,2~3個(gè)月后經(jīng)常發(fā)生突然冒落垮塌,整條巷道堵死報(bào)廢。另外,巷道在支護(hù)過(guò)程中,突然來(lái)壓,發(fā)生大面積冒落,前方剛搭建好的支護(hù)鋼筋全部被壓彎,造成巷道全部堵死報(bào)廢。因此,研究弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦深部采動(dòng)壓力的分布規(guī)律及控制方法具有重要意義。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式如圖1所示,測(cè)量記數(shù)方式為每次測(cè)量讀數(shù)與初次測(cè)量數(shù)相減,差值作為監(jiān)測(cè)結(jié)果,差值為正數(shù),表示和最初監(jiān)測(cè)相比監(jiān)測(cè)巷道斷面尺寸變大,負(fù)數(shù)則相反。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,分別選擇-136 m西擴(kuò)31采場(chǎng)、-232 m東3~4穿采場(chǎng)和-220 m西2413采場(chǎng)為監(jiān)測(cè)采場(chǎng)。監(jiān)測(cè)巷道選擇在回采巷道的正下方,并與回采巷道相垂直。各監(jiān)測(cè)采場(chǎng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置關(guān)系如圖2所示。

-136 m西擴(kuò)31采場(chǎng)回采步距1.5 m,回采范圍從回采工作面距離監(jiān)測(cè)巷道前9.7 m到越過(guò)2.3 m,回采長(zhǎng)度12 m,期間共監(jiān)測(cè)9次,監(jiān)測(cè)巷道布置在監(jiān)測(cè)采場(chǎng)下方-160 m水平,共布置7排監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)排距為2.7 m(圖2(a)),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。
從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化量在回采工作面距離監(jiān)測(cè)巷道8.2 m時(shí)最大,表明監(jiān)測(cè)巷道承受較大的采動(dòng)壓力。當(dāng)回采工作面從8.2 m移動(dòng)到5.2 m的過(guò)程為卸壓階段,巷道斷面尺寸逐漸增大;當(dāng)回采工作面從5.2 m越過(guò)監(jiān)測(cè)巷道后2.3 m的過(guò)程中,監(jiān)測(cè)巷道的垂直和水平方向位移變化量呈波動(dòng)性變化,垂直方向經(jīng)歷了先承壓再卸壓的過(guò)程,水平方向則一直處于卸壓波動(dòng)的狀態(tài)。

從圖3可知,隨著回采工作面越過(guò)監(jiān)測(cè)巷道,7排監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向的位移變化量分別為-0.67、0.05、-0.33、-0.46、0.21、0.73、0.76 mm,位移變化量較小,正負(fù)值變化均在1 mm以內(nèi),監(jiān)測(cè)點(diǎn)排1~4中除2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化略微增大外,其余3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化均為負(fù)值,表明同初次監(jiān)測(cè)相比,監(jiān)測(cè)點(diǎn)排1~4的垂直方向的采動(dòng)壓力有所增大,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)排5~7的頂板位移變化全部為正值,說(shuō)明垂直方向的采動(dòng)壓力得到了一定的釋放。分析上述現(xiàn)象,從圖2(a)中可以看出,-112~-136 m之間的礦體出現(xiàn)反傾,而回采進(jìn)路布置的位置靠近礦體的下盤(pán)側(cè),放礦時(shí)上盤(pán)的礦石散體不能全部放出,垂直方向的采動(dòng)壓力通過(guò)存留在上盤(pán)的礦石散體將壓力傳遞到下方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)排1~4垂直方向的距離變小,而監(jiān)測(cè)點(diǎn)排5~7處于礦體的下盤(pán)側(cè),隨著礦石散體的放出,采動(dòng)壓力得到釋放。
此外,當(dāng)工作面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)巷道后,監(jiān)測(cè)點(diǎn)排1~7的水平方向位移變化值分別為0.60、1.33、1.41、1.58、1.38、1.71、1.04 mm,全部為正值,此時(shí)監(jiān)測(cè)巷道水平方向處于卸壓狀態(tài),除了監(jiān)測(cè)點(diǎn)排1位移變化量在0.60 mm以外,其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化都在1 mm以上。卸壓后監(jiān)測(cè)巷道的位移變化量即反應(yīng)卸壓前巷道承受壓力的大小,表明當(dāng)回采工作面越過(guò)監(jiān)測(cè)巷道時(shí),采動(dòng)壓力峰值范圍在監(jiān)測(cè)點(diǎn)排2~7之間,最大采動(dòng)壓力出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)排6的位置,距采空區(qū)邊界8 m左右。將空區(qū)邊界投影到監(jiān)測(cè)巷道,投影點(diǎn)距監(jiān)測(cè)點(diǎn)排2的距離3.2 m,距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)排7的距離10.3 m,得出采動(dòng)壓力的峰值在空區(qū)邊界上盤(pán)方向3 m到下盤(pán)方向10 m左右的范圍內(nèi)。
-232 m東3~4穿采場(chǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在-244 m東4穿巷道內(nèi),共布置4排監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)排距為3 m(圖2(b)),期間共監(jiān)測(cè)20次,工作面回采9次,回采步距1.5 m,回采工作面移動(dòng)范圍從距監(jiān)測(cè)巷道前11.5 m到越過(guò)監(jiān)測(cè)巷道2 m,回采長(zhǎng)度13.5 m。由于前期監(jiān)測(cè)時(shí)采場(chǎng)出礦周期較長(zhǎng),回采工作面在同一位置不同日期時(shí)進(jìn)行了多次監(jiān)測(cè),其中回采工作面距監(jiān)測(cè)巷道前11.5 m時(shí),監(jiān)測(cè)了2次,回采工作面距監(jiān)測(cè)巷道10 m時(shí),監(jiān)測(cè)了5次,回采工作面距監(jiān)測(cè)巷道中心8.5 m時(shí),監(jiān)測(cè)了6次,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直方向和水平方向的位移變化量如圖4所示。

從圖4可以看出,在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中,每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移均呈規(guī)律性波動(dòng)變化,表明沿礦體走向方向采動(dòng)壓力的影響范圍超過(guò)11.5 m。分析得出,監(jiān)測(cè)巷道垂直和水平方向位移的波動(dòng)幅度與回采工作面的位置有關(guān)。當(dāng)回采工作面距監(jiān)測(cè)巷道8.5~11.5 m時(shí),監(jiān)測(cè)巷道水平和垂直方向的位移變化量經(jīng)歷2個(gè)循環(huán)的增減,采動(dòng)壓力波動(dòng)幅度較大,存在較大采動(dòng)壓力。在爆破后未出礦前,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化量為負(fù)值遞增,監(jiān)測(cè)巷道承受的采動(dòng)壓力逐漸遞增,巷道斷面變小,之后的放礦過(guò)程中,隨著礦石的流動(dòng)放出,監(jiān)測(cè)巷道承受的采動(dòng)壓力得到釋放,巷道斷面垂直和水平方向的位移變化量為正值,巷道斷面變大。
在每次的監(jiān)測(cè)中,位于圍巖里的測(cè)點(diǎn)排1和排2的位移負(fù)值變化量均大于位于礦體里的測(cè)點(diǎn)排3和排4,表明在同等條件下,圍巖的抗壓強(qiáng)度低于礦體的抗壓強(qiáng)度,圍巖的抗變形能力較弱,變形量較大。當(dāng)回采工作面在距監(jiān)測(cè)巷道小于8.5 m時(shí),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)幅度降低而趨于平穩(wěn),正負(fù)位移變化量均在1 mm以內(nèi)。
此外,分析得出,工作面爆破時(shí),向自由面崩落礦石的同時(shí),也對(duì)周?chē)鷰r體施加反沖力,巖體密度和承載力加大,形成向下的擠壓力,引起下部監(jiān)測(cè)巷道的壓力逐漸增大,隨著崩落礦石的放出,爆破引起的采動(dòng)壓力逐漸得到釋放,監(jiān)測(cè)巷道所受到的壓力逐漸減小。當(dāng)監(jiān)測(cè)巷道與回采工作面距離較小時(shí),工作面爆破通風(fēng)后立即出礦,爆破反沖力引起的巖體密度加大和壓力升高現(xiàn)象,還未傳遞到下方的監(jiān)測(cè)巷道,就已從工作面出礦釋放,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)巷道位移變化幅度急劇變小。隨著回采工作面位置的變化,在爆破與出礦交替進(jìn)行時(shí)采動(dòng)壓力呈波動(dòng)性變化,引起周?chē)嚓P(guān)工程的受力性質(zhì)與受力方向復(fù)雜化,圍巖中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比礦石中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化量大的現(xiàn)象表明,軟巖巷道受到的爆破沖擊力的作用更大。
弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦中央?yún)^(qū)由于歷史原因,-160 m中段以上的礦體沒(méi)有得到合理的開(kāi)采,隨著開(kāi)采深度的不斷加深,地表塌陷形成的廢石散體將大量礦石埋于地下,形成殘礦,為最大限度地回收這些殘礦體,中央?yún)^(qū)一些采場(chǎng)負(fù)責(zé)承擔(dān)殘礦回收,殘礦回采時(shí)引起的采動(dòng)壓力會(huì)影響到周?chē)延泄こ痰姆€(wěn)定性。為此,選擇-220 m西2413采場(chǎng)進(jìn)行采動(dòng)壓力監(jiān)測(cè),2413采場(chǎng)為Fe4磁鐵礦石,礦體厚度較大,分2條沿脈進(jìn)路進(jìn)行回采,回采時(shí)先回收上部殘礦體,待工作面的每一步距殘礦回收后,再進(jìn)行下一步距的回采。監(jiān)測(cè)巷道為-232 m水平西12穿,共布置4排監(jiān)測(cè)點(diǎn),均位于上盤(pán)的巖體中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)排距為3 m(圖2(c))。
2413采場(chǎng)的采動(dòng)壓力共監(jiān)測(cè)了13次,由于上部存留的殘礦體較多,回收周期較長(zhǎng),2條采礦巷道只各回采了1個(gè)崩礦步距,回采距離1.5 m,1#監(jiān)測(cè)進(jìn)路回采工作面從距巷道前8 m移動(dòng)到6.5 m,2#監(jiān)測(cè)進(jìn)路從5 m移動(dòng)到3.5 m,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。
從監(jiān)測(cè)結(jié)果看,2條回采進(jìn)路工作面分別距離巷道8 m和5 m時(shí),在不同時(shí)期共監(jiān)測(cè)了8次,期間為殘礦回收,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化呈波動(dòng)趨勢(shì),當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)工作面處于出礦狀態(tài)時(shí),隨著散體的流動(dòng),采動(dòng)壓力得到釋放,監(jiān)測(cè)巷道斷面尺寸變大,出礦停止后,隨著上部散體的補(bǔ)充壓實(shí),采動(dòng)壓力通過(guò)壓實(shí)的散體逐漸向周?chē)鷤鞑ィO(jiān)測(cè)巷道承受的采動(dòng)壓力增大,斷面尺寸變小。當(dāng)工作面爆破時(shí),形成一定的空間,上部的散體迅速向下流動(dòng)形成相互擠壓,采動(dòng)壓力急劇增大,造成監(jiān)測(cè)巷道斷面尺寸迅速縮小,由于2#回采進(jìn)路比1#回采進(jìn)路距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近,工作面爆破后,采動(dòng)壓力引起的監(jiān)測(cè)巷道位移變化量明顯較大,垂直方向位移變化量達(dá)12.46 mm,水平方向位移變化量為7.01 mm,隨著礦石的放出,采動(dòng)壓力逐漸釋放,位移變化呈波動(dòng)趨勢(shì)。
分析得出,工作面爆破瞬間空間增大,上部散體大量涌入壓實(shí),會(huì)造成采動(dòng)壓力的突然變大,周?chē)延泄こ虒⑺矔r(shí)承受較大的壓力沖擊。此外,當(dāng)監(jiān)測(cè)巷道頂板和兩幫處于受壓位移變化量最大時(shí),1#回采進(jìn)路和2#回采進(jìn)路的回采工作面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平距離分別為9.3 m和6.2 m,表明采動(dòng)壓力的峰值距采空區(qū)邊界約6.2~9.3 m范圍內(nèi),這與-136 m水平31采場(chǎng)最大采動(dòng)壓力出現(xiàn)在采空間邊界8 m的結(jié)果相符合。

弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦深部開(kāi)采時(shí),采動(dòng)壓力作用明顯,現(xiàn)采用的支護(hù)方式主要有鋼筋混凝土支護(hù)、金屬拱架支護(hù)、錨桿支護(hù)等,但支護(hù)后效果均不理想,巷道仍然出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞和垮塌現(xiàn)象,返修難度大,成本高。上述采動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦深部開(kāi)采時(shí)采動(dòng)壓力主要呈波動(dòng)性變化,在回采的過(guò)程中,巷道承壓和卸壓交替變化十分頻繁,由于礦巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育,采動(dòng)壓力的波動(dòng)性變化極易引起礦巖的松動(dòng)、冒落和垮塌等現(xiàn)象,高強(qiáng)度剛性支護(hù)方式不能與采動(dòng)壓力的波動(dòng)性特征相適應(yīng),礦巖松動(dòng)破壞后形成的小塊體導(dǎo)致剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此,在采動(dòng)壓力控制時(shí),支護(hù)方式要考慮到巖體節(jié)理裂隙發(fā)育和采動(dòng)壓力波動(dòng)性變化的特征,充分利用礦巖自穩(wěn)的特點(diǎn),支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)橹ёo(hù)斷面提供較為均勻的支護(hù)抗力,同時(shí)具有可伸縮變形的性質(zhì)和足夠的輔助支護(hù)強(qiáng)度。為此,提出了錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)方案,打錨桿與掛金屬網(wǎng)緊跟工作面后進(jìn)行。根據(jù)監(jiān)測(cè)的采動(dòng)壓力側(cè)向和前向的影響范圍,防止出現(xiàn)劇烈的采動(dòng)壓力引起巷道的破壞,每掘進(jìn)8 m左右進(jìn)行1次噴漿,噴漿厚度蓋住金屬網(wǎng)后停止噴漿。在錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)體中,錨桿的作用主要加固圍巖,增大圍巖切向縫和斜向縫的粘結(jié)力與抗剪力。金屬網(wǎng)在噴漿前主要起均勻分布錨桿支護(hù)抗力的作用,并與錨桿構(gòu)成可伸縮變形的支護(hù)結(jié)構(gòu),噴漿后,金屬網(wǎng)均勻分布噴層內(nèi)力,防止噴層收縮開(kāi)裂。噴射混凝土層主要膠結(jié)加固圍巖表層,并提高圍巖徑向縫的抗剪強(qiáng)度。在錨網(wǎng)和混凝土漿體的共同作用下,可改善圍巖的完整性、增強(qiáng)巖體自承能力,相當(dāng)于一定深度的圍巖摻入支護(hù)聯(lián)合體而形成具有相當(dāng)厚度的三向均勻壓縮應(yīng)力狀態(tài)的組合承載拱。這種承載拱對(duì)圍巖施加主動(dòng)抗力,當(dāng)其強(qiáng)度與剛度適應(yīng)圍巖變形特性時(shí),便可輔助圍巖實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)固目標(biāo)。
支護(hù)錨桿的長(zhǎng)度為1.8 m,每排布置11根錨桿,錨桿間距0.7 m,直徑φ20 mm,托盤(pán)尺寸140 mm×140 mm×8 mm。金屬網(wǎng)采用φ6 mm鋼筋焊接而成,網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm,網(wǎng)格形狀為菱形,噴漿厚度20~80 mm,當(dāng)噴層厚度超過(guò)50 mm時(shí),分2次噴漿,支護(hù)參數(shù)如圖6所示。該方案預(yù)計(jì)能夠很好地解決弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦深部采動(dòng)地壓顯現(xiàn)問(wèn)題,達(dá)到理想的支護(hù)效果。
(1)采動(dòng)壓力的峰值范圍監(jiān)測(cè)得出,最大采動(dòng)壓力出現(xiàn)在采空區(qū)邊界8 m左右的位置,采動(dòng)壓力的峰值在空區(qū)邊界上盤(pán)方向3 m到下盤(pán)方向10 m左右的范圍內(nèi)。
(2)采動(dòng)壓力的影響范圍監(jiān)測(cè)得出,爆破與出礦交替進(jìn)行時(shí)采動(dòng)壓力呈波動(dòng)性變化。沿礦體走向方向采動(dòng)壓力的影響范圍超過(guò)11.5 m,距回采工作面8.5~11.5 m的范圍內(nèi),采動(dòng)壓力波動(dòng)較為劇烈,巷道承受較大的采動(dòng)壓力。

(3)采空區(qū)旁側(cè)采動(dòng)壓力輔助監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,放礦時(shí)隨著礦石散體的放出和沉實(shí),采動(dòng)壓力呈波動(dòng)變化趨勢(shì),采動(dòng)壓力峰值距采空區(qū)邊界6.2~9.3 m的范圍內(nèi),驗(yàn)證了最大采動(dòng)壓力出現(xiàn)在采空區(qū)邊界8 m左右的結(jié)果。
(4)根據(jù)采動(dòng)壓力的波動(dòng)性變化特點(diǎn),結(jié)合弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦礦巖特征,分析了現(xiàn)有支護(hù)方式與采動(dòng)壓力特點(diǎn)的不適應(yīng)性,提出了錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)方案,該方案預(yù)計(jì)能夠很好地解決弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦深部礦巖采動(dòng)壓力顯現(xiàn)問(wèn)題,達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。