李航空，蔡美峰，王云飛，任海賓，杜振斐

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

首鋼礦業(yè)公司杏山鐵礦為一座露天生產(chǎn)礦山，經(jīng)過近40年的開采，目前已形成上口尺寸900m×630m，下口尺寸410m×20m的深凹露天坑。2004年底，杏山鐵礦露天開采已近尾聲，但－33m水平以上露天境界外還殘留一部分掛幫礦體，－33m水平以下深部還有豐富的礦產(chǎn)資源。為此，杏山鐵礦需先對掛幫礦體進(jìn)行回采，繼而轉(zhuǎn)入深部開采。掛幫礦體開采的主要對象是大杏山掛幫礦體。該礦體賦存標(biāo)高為100～－33m，可采儲量為584．29萬t，采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采。

露天開采期間的大規(guī)模開挖，給周圍礦巖體已形成較大的應(yīng)力擾動，以壓應(yīng)力釋放為主，局部可能產(chǎn)生應(yīng)力集中［1］。在此基礎(chǔ)上，采用無底柱分段崩落法進(jìn)行地下開采，使采場長期處于多變的應(yīng)力環(huán)境中，形成更為復(fù)雜的應(yīng)力場，從而引起巷道圍巖的進(jìn)一步變形破壞。為及時了解和掌握巷道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況，分析判斷其穩(wěn)定性，有必要在回采進(jìn)路中進(jìn)行采場動壓和巷道斷面收斂監(jiān)測，以便掌握采動應(yīng)力分布特征及采場圍巖變化規(guī)律，從而有助于優(yōu)化礦山開采設(shè)計和指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。

1 監(jiān)測儀器、測量原理及布置形式

本次應(yīng)力監(jiān)測采用天地科技股份有限公司開發(fā)研制的ZYJ型鉆孔應(yīng)力計，它是近幾年發(fā)展起來的一種巖體應(yīng)力變化測試技術(shù)，具有靈敏度高、讀數(shù)方便、簡單等特點，在地下圍巖應(yīng)力監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 ZYJ－25型鉆孔應(yīng)力計

（1）結(jié)構(gòu)及測量原理

ZYJ－25型鉆孔應(yīng)力計，主要由包裹體、應(yīng)力枕、油管、壓力表、注油咀等組成，它采用充液膨脹的鉆孔應(yīng)力枕特殊結(jié)構(gòu)形式，是專用于煤、巖體內(nèi)相對應(yīng)力變化的測量儀器。

安裝時，用安裝桿將探頭緩慢推入Φ45～Φ55mm的鉆孔內(nèi)，并加壓，使探頭緊貼孔壁。當(dāng)巖體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生變化時，鉆孔內(nèi)應(yīng)力通過應(yīng)力枕兩面的包裹體傳遞到應(yīng)力枕，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力枕內(nèi)的液體壓力，該壓力經(jīng)油管傳遞到壓力表，壓力表指針便 可指示出孔內(nèi)的應(yīng)力值。

（2）布置形式

ZYJ－25型鉆孔應(yīng)力計，可以監(jiān)測任一方向的應(yīng)力變化，我們可以根據(jù)實際監(jiān)測的需要，選擇其安裝方式。本次監(jiān)測主要針對垂直方向上的應(yīng)力變化情況，故將鉆孔應(yīng)力計布置在回采巷道兩幫水平孔內(nèi)，埋深2～3m。安裝時，應(yīng)力枕水平放置，使包裹體處于上下位置。

1.2 收斂計

收斂計可直接測出兩點之間的絕對位移之和（即收斂值），是測量精度較高、使用方便且應(yīng)用廣泛的一種儀器［2］。本次采用的是QJ85型收斂計，主要運(yùn)用在巷道施工中的斷面收斂量測，可直觀精確地量測出巷道的變形量，為支護(hù)方案選擇提供依據(jù)。

（1）結(jié)構(gòu)及測量原理

QJ85型收斂計，主要由掛鉤、鋼尺、百分表、調(diào)節(jié)螺母等組成［3］，可測出巷道周邊兩固定點在連線方向上的位移變化，所測得的數(shù)值是兩固定點在其連線方向上位移量之和。為求出每一測點的位移量，可采用閉合三角形法分析解算，如圖1所示［4］。為了便于分析計算，作如下假設(shè)：

① 圍巖變形均發(fā)生在與巷道軸線相垂直的斷面內(nèi)。②頂點A處在巷道中心線附近位置，只有豎向位移，認(rèn)為ΔAx＝0。③ 幫上兩個測點B、C在同一水平上，兩點的豎向位移量忽略不計，即：

設(shè)初始基線長度為：LAB，LBC，LAC

任一時刻基線長度：LA′B′，LB′C′，LA′C′

從圖1可以看出，AO⊥BC，O為垂足，則O到各點的初始距離分別為H、XB、XC，由勾股弦定理可以求得：

同理，可以求出任一時刻O點到各點的距離h、XB′、XC′。于是各測點的位移為：

（2）布線方式

巷道斷面收斂監(jiān)測，實際上就是測量巷道兩幫、頂?shù)装逯g的相對位移。本次監(jiān)測采用安裝、測試簡便、精度較高且具有可驗證性的雙三角形布線方式，如圖2所示。通過測線BC、DE的變化，可得出巷道兩幫的相對變形；通過測線AB、AC、AD、AE的變化，可了解頂板的位移情況。

圖1 測量原理圖

圖2 布線方式圖

2 測點布置

實踐證明，對采場地壓及位移進(jìn)行監(jiān)測，能夠很好的評價巷道的穩(wěn)定性，據(jù)此可以推斷采場何時、何處進(jìn)入危險狀態(tài)［5］。為更好的掌握采場地壓變化規(guī)律、礦巖體的破壞形式以及巷道圍巖的變形情況，結(jié)合回采順序、爆破進(jìn)度等，我們把測站布置在－33m水平正在回采的4、5進(jìn)路中。

地壓監(jiān)測點在每條回采進(jìn)路中各布置4個，編號分別為1＃、2＃、3＃、4＃。1＃、3＃測點分別布置在巷道的右?guī)停?＃、4＃測點分別布置在巷道的左幫，兩相鄰測站之間的距離為7m，其中4＃測點距工作面最近。各測點安裝鉆孔高度 （距底板）為1．5m，孔徑Φ45mm，鉆孔深度為2～3m。

收斂監(jiān)測點在每條回采進(jìn)路中各布置2個，編號為1＃、2＃，其中2＃測點距工作面距離較近。為了便于監(jiān)測和結(jié)果分析，鉆孔應(yīng)力計和收斂儀應(yīng)布置在同一剖面上或附近［6］。在4回采進(jìn)路中，鉆孔應(yīng)力計的1＃測點布置在63＃炮孔，2＃測點布置在57＃炮孔；收斂計的1＃測點布置在62＃炮孔，2＃測點布置在58＃炮孔；在5回采進(jìn)路中，鉆孔應(yīng)力計和收斂計的1＃、2＃測點共同布置在70＃和65＃炮孔中。

各測站具體布點位置，見圖3。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 采場地壓監(jiān)測結(jié)果分析

采場地壓監(jiān)測從2009年12月12日到2010年的1月18日，歷經(jīng)38d。隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，各進(jìn)路的鉆孔應(yīng)力計先后被損毀?，F(xiàn)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)歸納整理，并以距工作面距離為橫軸，以應(yīng)力計讀數(shù)為縱軸，作折線圖4～圖9（由于篇幅限制，各測點鉆孔壓力曲線圖不便一一列出）。

圖3 －33m水平測點布置圖

圖4 5－1＃測點壓力觀測曲線

圖5 5－2＃測點壓力觀測曲線

分析圖4、圖5可知，5進(jìn)路1＃、2＃鉆孔應(yīng)力計開始安裝時，壓力值有所下降，但下降量不大。這是由于鉆孔應(yīng)力計安裝時，設(shè)定的初始壓力偏高，鉆孔圍巖變形較大，應(yīng)力有所釋放造成的。經(jīng)過一段時間后，壓力迅速增加，稍后逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定，這剛好與采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律相符，即應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)［7］。采場應(yīng)力的峰值點在39～42m之間，此處的回采巷道應(yīng)該加強(qiáng)防護(hù)，以免造成安全事故。

圖6 5－3＃測點壓力觀測曲線

圖7 4－1＃測點壓力觀測曲線

圖8 4－3＃測點壓力觀測曲線

圖9 4－4＃測點壓力觀測曲線

圖6～圖9，應(yīng)力計的讀數(shù)均是先緩慢下降，然后逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合5進(jìn)路地壓顯現(xiàn)規(guī)律，不難看出，這是由于鉆孔應(yīng)力計安裝時，距工作面的距離較近，處在應(yīng)力降低區(qū)或穩(wěn)定區(qū)的緣故。

總之，巷道圍巖體中的豎直壓力變化幅度，總體上不算太大，都在5．2 MPa以下。這說明受爆破擾動后，采場應(yīng)力突出不是很明顯，局部的應(yīng)力集中不會對巷道的穩(wěn)定性造成太大的影響。

3.2 巷道斷面收斂監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)巷道斷面收斂數(shù)據(jù)求出各點的位移量，以ΔA、ΔA′的平均值表示頂板下沉量，ΔB、ΔC的位移之和與ΔD、ΔE的位移之和的平均值表示兩幫的移近量，最后以時間 （d）為橫軸，位移（mm）或速率 （mm／d）為縱軸，分別作頂板下沉量、下沉速率和兩幫的移近量、移近速率隨時間變化曲線，見圖10～圖13。

圖10 頂板下沉量曲線圖

圖11 頂板下沉速率曲線圖

圖12 兩幫移近量曲線圖

圖13 兩幫移近速率曲線圖

分析圖10～圖13可知，5進(jìn)路1＃、2＃巷道斷面收斂，大致經(jīng)歷了3個階段：變形急劇增長、變形緩慢增長和變形基本穩(wěn)定。在變形急劇增長階段，頂板下沉速率最高達(dá)到了0．46mm／d，兩幫移近速率超過了0．6mm／d；隨著時間的推移，變形緩慢增長，增長率逐漸下降，收斂變化率平均在0．2～0．4mm／d之間；當(dāng)收斂變化率在0．2mm／d以下時，即認(rèn)為巷道圍巖是穩(wěn)定的。

5進(jìn)路1＃、2＃斷面各測點頂板下沉速率、兩幫移近速率最大，分別發(fā)生在第13d和第9d，即離工作面的距離分別為42m和40m，剛好處在應(yīng)力峰值點區(qū)間，這與采場地壓監(jiān)測情況相符。

5進(jìn)路各測點頂板下沉量、兩幫移近量均比4進(jìn)路的略大，這是因為采動引起的局部應(yīng)力集中，造成巷道變形較大，而4進(jìn)路斷面始終處于應(yīng)力降壓區(qū)或穩(wěn)定區(qū)，其巷道變形受應(yīng)力影響較小一些。

綜合圖10～圖13可知，礦體回采時，巷道的位移是以收斂為主，多數(shù)表現(xiàn)為頂板的微小下沉和兩幫的微小移近；頂板下沉在4．36mm范圍內(nèi)，兩幫移近量在10．41mm范圍內(nèi)，可見，兩幫的移近量大于頂板的下沉量，且前者一般是后者的2倍左右。這一方面是因為早期露天開采期間的大規(guī)模開挖，大大消減了上覆巖層的重量；另一方面是因為本礦采用無底柱分段崩落采礦法，在對上一分層進(jìn)行回采的同時，也使下分層的頂板壓力得以釋放。

綜上所述，巷道圍巖總體是穩(wěn)定的，表明目前所采用的采礦方法、采礦結(jié)構(gòu)參數(shù) （15m×15m）對礦山生產(chǎn)是合理、可行的。

4 結(jié)論及建議

鉆孔應(yīng)力計和收斂計作為采場地壓和巷道收斂變形的監(jiān)測手段，在杏山鐵礦掛幫礦體無底柱分段崩落法開采中，有效的監(jiān)測了采場地壓及位移變化規(guī)律，從而可據(jù)此有效地評價巷道的穩(wěn)定狀態(tài)，以確定何時、何處進(jìn)入危險狀態(tài)，來指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。從監(jiān)測結(jié)果來看，采場應(yīng)力、位移變化較小，對當(dāng)前巷道的穩(wěn)定性不會造成大的影響，但隨著開采深度的不斷加深以及采場圍巖性質(zhì)的改變，整個采場應(yīng)力勢必將重新分布。因此，在今后的生產(chǎn)中，有必要繼續(xù)加強(qiáng)礦壓監(jiān)測工作。

［1］ 何姣云，任高峰．露天轉(zhuǎn)地下開采巷道變形監(jiān)測及灰色預(yù)測 ［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26 （5）．

［2］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕．巖石力學(xué)與工程 ［M］．北京：科學(xué)出版社，2002．

［3］ 趙奎，袁海平．礦山地壓監(jiān)測 ［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［4］ 李曉紅．隧道新奧法及其量測技術(shù) ［M］．北京：科學(xué)出版社，2002．

［5］ 馮仲仁，張興才，張世雄，等．大冶鐵礦巷道變形監(jiān)測研究 ［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（3）．

［6］ 朱春來，白玉兵，侯克鵬．基于云錫塘子凹31－1＃礦體的采場動壓及位移監(jiān)測研究 ［J］．云南冶金，2004，33（6）．

［7］ 蔡美峰．金屬礦山采礦結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與地壓控制—理論與實踐 ［M］．北京：科學(xué)出版社，2001．