地下礦山軟巖巷道地壓監測及其顯現規律研究

郭 斌 王立杰 耿 帥，2 王福全 尹愛民 楊金光

（1.河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司，河北 邢臺 054100；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

開掘巷道形成空洞，破壞了原巖應力的平衡，應力重新分布，形成次生應力場[1-2]，圍巖中次生應力場的應力小于巖石極限強度，或應變小于巖石極限應變時，巷道不需支護即能保持穩定，否則需人工支護。當巷道圍巖應力和變形變化到一定程度超過圍巖強度及支護阻力時，造成支護變形破壞。

某鐵礦為一埋藏較深的矽卡巖型磁鐵礦床，井下不穩固圍巖主要是矽卡巖和蝕變閃長巖，根據已經開采的-170 m、-230 m水平等工程揭露，大部分礦巖節理裂隙發育，滲水性較強，軟巖遇水泥化，穩定性較差。隨著時間的推進，井下部分巷道地壓顯現，陸續出現巷道底臌變形、側幫向內擠壓、頂部支護體下沉、錨桿脫落和漿皮開裂脫落等情況。另外還存在支護成本高、返修率高、支護難度高等問題，嚴重影響安全生產。為此，亟需進行巷道圍巖應力和變形機制監測[3-6]，了解巷道圍巖的變形和壓力變化規律，分析構造應力、膨脹應力對巷道穩定性的影響，揭示矽卡巖、蝕變閃長巖巷道地壓顯現機制，根據不同地壓顯現機制，指導優化巷道支護設計，研究針對性的支護方案，保障采掘安全及支護結構的長期穩定。

1 地壓監測方案

1.1 測區選擇

由于-230 m水平為首采中段，對于安全生產極為關鍵，因此在-230 m水平下盤沿脈巷道中選擇典型斷面安裝地壓監測設備。共選取5個區域，本研究以其中3#測區為例進行地壓監測方案描述。3#測區巷道左側為矽卡巖，頂部和右側為大理巖，巷道斷面約為4.8 m×3.85 m。巷道開挖造成圍巖的擾動范圍一般為5倍的巷道直徑[7]，因此井下巷道圍巖擾動范圍直徑約為24 m，半徑約為12 m，據此將巷道周圍11 m內圍巖作為重點監測區域。地壓監測以應力、變形監測為主，監測儀器的選擇遵循經濟可靠靈敏，便于安裝等原則。

1.2 巷道圍巖壓力監測

巷道圍巖壓力監測選用錨桿應力計，斷面測點布置如圖1所示。在兩幫和頂部各施工1個6 m深鉆孔作為監測點，鉆孔孔徑75 mm。每個鉆孔中埋設4個錨桿應力計，測量巷道圍巖內部徑向壓力的變化。4個錨桿應力計距離巷道表面分別為0.5 m、1.5 m、3 m、4.5 m。3個鉆孔共計12個錨桿應力計。

1.3 巷道變形量監測

為了便于分析巷道圍巖內部壓力和變形的變化規律，與壓力監測斷面得到的壓力變化規律相互印證，在對應的巷道斷面進行變形監測。變形監測主要采用多點位移計，測點布置方案與壓力監測方案相同。在兩幫和頂部各施工1個6 m深鉆孔作為監測點，鉆孔孔徑128 mm。每個鉆孔中埋設4個多點位移計，測量巷道圍巖沿鉆孔軸向的位移[7]。孔內位移計布置方式和間距如圖2所示，4個多點位移計距離巷道表面分別為1 m、2 m、3 m、4 m，孔底為固定點，3個鉆孔共計12個位移計。

1.4 監測儀器工作原理

（1）錨桿測力計。采用JTM-V1000A系列振弦式錨桿測力計，當被測巷道內部應力發生變化時，錨桿受到拉伸或壓縮，同步產生變形對應的振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數裝置，即可測出所受應力。

（2）多點位移計。采用JTM-V7000J多點位移計進行巷道圍巖的變形監測，當被測巷道發生位移變形時，多點位移計的錨頭帶動拉桿產生位移變形，同步產生對應變形的振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數裝置，即可測出變形量[8-10]。

1.5 數據采集及傳輸

數據采集箱安裝在錨桿測力計和多點位移計測點斷面附近，多臺數據采集箱可以串接至礦山井下環網系統中的各中段環網交換機，經環網光纖傳輸至地表集控中心的主機上。在地表實現對井下巷道圍巖的受力和變形進行長期觀測和危害預警。

2 地壓監測結果及分析

2.1 數據讀取及計算方法

水泥漿凝固后打開采集系統開始采集數據，每個測點讀數反復出現3次以上時，此頻率為初始頻率f0，使用頻率計算荷載、位移時，公式如下：

式中，F為錨桿應力計荷載，kN；L為多點位移計位移量，mm；K1、K2為系數，kN/Hz2、mm/Hz2，見表1和表2；f0為初始頻率，Hz；fi為實時頻率，Hz。

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2.2 壓力監測結果分析

對3個測點進行實時監測，荷載傳感器掃描頻率為1 min/次，以持續時間為55 d計，通過對監測數據結果的分析研究，得出相應的荷載變化過程線性圖如圖3、圖4和圖5所示。

從-230 m水平下盤沿脈巷道監測斷面圍巖內錨桿軸力的日常監測數據來看，圍巖測點的錨桿軸力受開挖擾動影響逐漸增大，在一定時間后逐漸趨于穩定。左幫矽卡巖測點的荷載變化較大，最大荷載達6.4 kN；0.5 m、1.5 m、3.0 m測點受拉力，4.5 m測點受壓力。頂部大理巖測點的荷載變化較小，最大荷載達2.0 kN；0.5 m、1.5 m、4.5 m測點受拉力，3.0 m測點受壓力。右幫大理巖測點0.5 m、1.5 m、3.0 m測點的荷載幾乎無變化，4.5 m測點荷載一直增大，最大荷載為16 kN，此處應受右側新掘巷道影響加劇了圍巖的松散破壞狀態。

2.3 變形監測結果分析

對3個測點進行實時監測，位移傳感器掃描頻率為1 min/次，按持續時間為55 d計，通過對監測數據結果的分析研究，得出相應的位移變化過程線性圖如圖6、圖7和圖8所示。

從-230 m水平下盤沿脈巷道監測斷面圍巖內位移的日常監測數據來看，圍巖測點的位移受開挖擾動影響逐漸增大，在一定時間后逐漸趨于穩定。左幫測點的位移變化較大，最大位移達48 mm；頂部和右幫位移移變化較小，最大位移分別為2.6 mm和0.28 mm，說明巷道穩固性較差。各測點孔口處的位移量最大，孔底最小。受開挖擾動影響，變形急劇增長，最高變化率達1 mm/d，持續超30 d，此后變形逐漸穩定。

2.4 錨網噴支護參數優化

巷道圍巖應力和位移是巷道圍巖應力和形狀發生變形最直接的反映，通過監測采掘階段圍巖與支護結構的動態變化，了解巷道圍巖的變形和壓力變化規律，把握采掘過程中結構所處的安全狀態，在此基礎上，對巷道現有支護方案進行優化研究。-230 m水平3#測區巷道圍巖現有支護方式為錨網噴支護，采用KMG500-20-2400型錨桿，錨桿長度1 800 mm，錨桿間距1 000 mm，網片?6 mm，網度200 mm×200 mm。利用前述-230 m水平3#測區所測得的巷道圍巖左幫、頂板、右幫最大變形量及錨桿應力荷載，結合礦山已有地質資料和礦巖強度特征及巷道圍巖松動圈測試結果，進行錨網噴支護參數優化研究，以確定合理的錨桿長度、錨桿間距和錨桿排距。

首先，根據3#測區巷道圍巖松動圈厚度最大值及松動圈支護理論，選取錨桿最佳長度為2 400 mm；然后，利用FLAC3D軟件建立符合現場圍巖條件的巷道支護三維數值模型，根據上述地壓監測獲得的巷道圍巖變形量和塑性區面積，以錨桿最佳長度為定量，錨桿間排距為變量，分別計算不同錨桿排距下的最佳錨桿間距。最后，根據模擬計算結果，確定合理的錨桿間排距。經過三維數值模擬計算，確定-230 m水平3#測區巷道圍巖錨網噴支護優化方案為：錨桿長度2 400 mm、間距800 mm、排距800 mm。經實踐驗證，優化后支護效果較為穩定。表明地壓監測數據可為軟巖巷道合理的支護設計提供理論依據和指導，為支護結構的長期穩定提供保障。

3 結論

（1）設計了一套完整的巷道地壓綜合監測體系，以巷道圍巖壓力監測和變形監測為主，實現在地表集控中心對井下巷道圍巖的受力和變形進行長期觀測和預警。巷道圍巖壓力監測選用錨桿應力計，變形監測選用多點位移計，實踐表明，本系統對捕捉巷道圍巖變形規律效果顯著，可作為類似工程監測體系設計參考。

（2）通過對監測數據進行分析，獲得不同巖性的巷道圍巖的應力和變形機制。圍巖測點的錨桿軸力受開挖擾動影響逐漸增大，在一定時間后逐漸趨于穩定；圍巖測點的變形量受開挖擾動影響逐漸增大，在一定時間后逐漸趨于穩定；各測點孔口處的位移量最大，孔底最小。

（3）根據地壓監測所獲得的巷道圍巖左幫、頂板、右幫最大變形量和錨桿應力荷載，結合礦山已有地質資料和礦巖強度特征及巷道圍巖松動圈厚度范圍，利用FLAC3D建立符合現場圍巖條件的巷道支護三維數值模型，進行錨網噴支護參數優化，確定-230 m水平3#測區巷道錨網噴支護優化方案為：錨桿長度2 400 mm、間距800 mm、排距800 mm。經實踐驗證，優化后支護效果較為穩定。表明地壓監測數據可為軟巖巷道合理的支護設計提供理論依據和指導，為支護結構的長期穩定提供保障。