丁航行 任鳳玉 何榮興 李波然 常 帥

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧二道溝黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 122126；3.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

急傾斜極薄礦脈削壁充填法開采采動(dòng)壓力監(jiān)測

丁航行1任鳳玉1何榮興1李波然2常 帥3

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧二道溝黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 122126；3.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

二道溝金礦為急傾斜極薄礦脈，采用削壁充填法與淺孔留礦法開采，隨著采深的增加，發(fā)生了多起采場巖爆。為研究巖爆發(fā)生所需高應(yīng)力的來源，特對開采過程進(jìn)行了采動(dòng)壓力監(jiān)測。采用巷道變形收斂監(jiān)測的方法，實(shí)測了1530采場削壁充填法回采過程中，穿脈監(jiān)測巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷氖諗孔冃?。監(jiān)測結(jié)果表明：隨著回采高度的增加，監(jiān)測巷道頂?shù)装彘g距呈減小的趨勢，而兩幫間距則呈增大的趨勢，且兩幫的變形幅度比頂?shù)装宓淖冃我?。并根?jù)兩幫各監(jiān)測點(diǎn)最大收斂值，繪制了采動(dòng)壓力特性曲線。由該曲線可知，采動(dòng)壓力在距上部采場上盤回采邊界約7 m的范圍內(nèi)形成波峰，再往上盤側(cè)則趨于平緩。對于這種比較集中的采動(dòng)壓力分布特點(diǎn)，適合采用卸壓的方法對其進(jìn)行控制，從而達(dá)到阻止巖爆發(fā)生所需外部高應(yīng)力條件的形成。

削壁充填法 采動(dòng)壓力 收斂監(jiān)測 巖爆 卸壓

地下巖體在未受到井巷和采場等地下工程開挖影響前為原巖體，原巖體在各種天然賦存的應(yīng)力作用下處于平衡狀態(tài)。在原巖體中進(jìn)行工程開挖會(huì)擾亂原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起工程圍巖中應(yīng)力的重新分布，直至形成新的平衡應(yīng)力場——采動(dòng)應(yīng)力場。在該過程中，當(dāng)重新分布的應(yīng)力超過圍巖的極限強(qiáng)度時(shí)，使其發(fā)生破壞，并向已開挖空間移動(dòng)，此時(shí)作用在圍巖中的壓力為采動(dòng)壓力。采動(dòng)壓力可能導(dǎo)致片幫、冒頂?shù)纫话愕牡V山壓力現(xiàn)象，也可能導(dǎo)致巖爆、地表突然塌陷等嚴(yán)重的礦山動(dòng)力現(xiàn)象[1-2]。采動(dòng)壓力隨采掘工作的進(jìn)行，在時(shí)間和空間上不斷變化，通過對采動(dòng)壓力進(jìn)行監(jiān)測，弄清采動(dòng)應(yīng)力場在開采過程中的時(shí)空演化規(guī)律，對于研究各種地壓危害的機(jī)理與防治方法具有重要的意義。

本研究以二道溝金礦急傾斜極薄礦脈為工程背景，針對該礦脈削壁充填法開采過程中發(fā)生的多次巖爆現(xiàn)象，為了弄清巖爆發(fā)生的外部采動(dòng)壓力環(huán)境，采用了巷道變形收斂監(jiān)測的手段，對采場整個(gè)開采過程下盤圍巖的采動(dòng)壓力進(jìn)行了監(jiān)測，獲取了采動(dòng)壓力分布規(guī)律，為下一步巖爆的防治提供了依據(jù)。

1 采動(dòng)壓力監(jiān)測方法

由于壓力為一虛擬物理量，無法直接測出，只能通過變形監(jiān)測的方式來間接反映。在地下工程的變形監(jiān)測中，對2固定點(diǎn)之間的徑向收斂與發(fā)散長度變化的測量工作，稱為收斂監(jiān)測或收斂觀測[3]。收斂監(jiān)測是監(jiān)測點(diǎn)對點(diǎn)的相對變化，是工程狀況和工程地質(zhì)環(huán)境變化的綜合反映。收斂監(jiān)測適用于量測隧道、巷道、硐室及其他工程圍巖周邊任意方向2點(diǎn)間距離的微小變化，達(dá)到評定工程穩(wěn)定性、研究工程圍巖及支護(hù)的變形發(fā)展規(guī)律及確定合理支護(hù)參數(shù)的目的。收斂監(jiān)測方法所采用的儀器，普遍為收斂儀和全站儀2種。收斂儀的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單方便，較經(jīng)濟(jì)，測量數(shù)據(jù)精度高，且穩(wěn)定可靠，是地下工程常用的測量手段之一[4]。因此在本次采動(dòng)壓力的監(jiān)測中，選擇收斂儀進(jìn)行監(jiān)測。

收斂儀是利用機(jī)械傳遞位移的方法，將2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位移轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰朴?jì)的2次讀數(shù)差。如圖1所示，當(dāng)用掛鉤連接2基準(zhǔn)點(diǎn)A、B預(yù)埋件時(shí)，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺母，改變收斂儀機(jī)體長度可產(chǎn)生對鋼尺的恒定張力，從而保證量測的準(zhǔn)確性及可比性，機(jī)體長度的改變量，由機(jī)械或電子的方式測出。

圖1 收斂儀工作示意

當(dāng)A、B2點(diǎn)間隨時(shí)間發(fā)生相對位移時(shí)，在不同時(shí)間內(nèi)量取AB的距離l，其差值就是A、B2點(diǎn)間的相對位移值。有如下關(guān)系：

(1)

(2)

式中，εn為第n次當(dāng)次收斂量，mm；εnt為第n次累計(jì)收斂量，mm；ln、ln-1和l1分別為第n次、第n-1次和第1次測量的AB距離，mm。

2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

監(jiān)測工作以二道溝金礦為工程背景，選擇了15中段剛開始回采不久的1530采場(深617m)。該采場采用削壁充填法開采，在進(jìn)行采動(dòng)壓力監(jiān)測時(shí)，已經(jīng)上采了約10m左右。根據(jù)監(jiān)測需要和現(xiàn)場條件，監(jiān)測巷在深度方向上，設(shè)計(jì)布置在1530#采場下部運(yùn)輸水平；在走向方向上，設(shè)計(jì)布置在采場中間位置。監(jiān)測巷的測點(diǎn)邊界和采場頂部投影的位置對齊。按照設(shè)計(jì)，共需埋設(shè)P1～P55排測點(diǎn)，測排間距2 m。

監(jiān)測巷斷面尺寸取2.0 m×2.0 m，測排內(nèi)測點(diǎn)布置如圖2(a)所示，在巷道的頂?shù)装搴蛢蓭椭醒胛恢梅謩e布置測點(diǎn)A、B和C、D，4個(gè)測點(diǎn)布置在同一垂面上。在施工監(jiān)測點(diǎn)鉆孔時(shí)，要求鉆孔軸線垂直于巷道表面，鉆孔深度0.8 m，用于埋置監(jiān)測掛鉤。掛鉤用φ8 mm鋼筋加工而成，尾部用混凝土埋入孔內(nèi)0.5 m，掛鉤頭露出巷道表面以便于測量作業(yè)。選擇采用HJH-20-30A型收斂儀進(jìn)行監(jiān)測，見圖2(b)。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置及收斂儀工作示意

監(jiān)測巷于2011年5月19日開始施工，其施工方法同正常采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)一樣，采用筒形掏槽法，炮孔深度1.8 m，進(jìn)尺約1.5 m。由于現(xiàn)場脈外運(yùn)輸巷穩(wěn)固性較差，多處進(jìn)行了鋼架支護(hù)，因此實(shí)際施工時(shí)，位置并沒有嚴(yán)格施工在中間，而是偏向一側(cè)(圖3)。監(jiān)測巷于5月31日施工完畢，于6月13號開始施工監(jiān)測點(diǎn)，各測點(diǎn)于2011年6月16日安裝完畢。各測點(diǎn)實(shí)際位置見圖3，剖面位置見圖4。

圖3 監(jiān)測巷實(shí)測平面

3 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測工作從2011年7月5日開始進(jìn)行，此時(shí)采場已上采了約10 m高(圖4)，到2012年1月12日，已經(jīng)上采了約37 m高。將監(jiān)測的數(shù)據(jù)整理，可得到頂?shù)装搴蛢蓭偷睦塾?jì)收斂值隨采高的變化關(guān)系(圖5)。圖5中數(shù)據(jù)根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算，即以第1次監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，其他時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)在第1次監(jiān)測的基礎(chǔ)上，得到累計(jì)收斂值，其中正數(shù)表示頂?shù)装搴蛢蓭偷拈g距較第一次是變大的，負(fù)數(shù)則表示是減小的。

圖4 監(jiān)測巷和測排布置剖面

圖5 監(jiān)測巷頂?shù)装搴蛢蓭偷氖諗恐惦S采高的變化

由圖4所示的相對位置可知，1530采場從下向上回采，逐漸卸掉監(jiān)測巷道的垂直壓力。由圖5對比可見，在該卸壓過程中，巷道兩幫的變形幅度要大于頂?shù)装遄冃畏?。即對于卸壓的反?yīng)，巷道兩幫要比頂?shù)装迕舾?。這種差別的形成主要與兩者受力情況不同有關(guān)。

為分析監(jiān)測巷道兩幫與頂?shù)装迨芰Σ顒e，對其進(jìn)行了平衡拱力學(xué)分析。由于1530采場附近應(yīng)力場以垂直應(yīng)力為主，此時(shí)監(jiān)測巷道受垂直壓力作用，并將其簡化為均布載荷，可得到如圖6所示的監(jiān)測巷道受力狀態(tài)，在監(jiān)測巷道的應(yīng)力平衡拱上，頂板圍巖受到水平壓力T、兩幫圍巖受到垂直壓力R的作用。根據(jù)力系平衡關(guān)系，可得到如下關(guān)系式[5]：

(3)

整理得：

(4)

式中，l為巷道寬度的一半；h為巷道的高度；q為垂直壓應(yīng)力，kN/m2；q=γH；γ值為上覆巖層容重，kN/m3；H為巷道頂板埋深，m；各符號的意義見圖6。

圖6 巷道平衡拱受力狀態(tài)分析

根據(jù)監(jiān)測巷道斷面尺寸，有h=2l=2 m，代入式(4)可得：R=4T，即兩幫所受壓力為頂板壓力的4倍。因此，正是這種受力大小的差別，才導(dǎo)致兩幫的變形量要比頂?shù)装遄冃瘟恳蟆?/p>

監(jiān)測巷道為穿脈巷道，穿過巖層的傾角約為72°。由于傾角大，層理面對頂?shù)装迮c兩幫的變形影響較小，監(jiān)測得到的頂?shù)装迮c兩幫圍巖的收斂值，能夠較好地反應(yīng)巖體沿層理面方向的變形大小。同時(shí)，由于圍巖堅(jiān)硬，監(jiān)測巷道穩(wěn)固性好，在整個(gè)監(jiān)測過程中，周邊圍巖未出現(xiàn)明顯的塑性變形，因此可以推斷，圍巖主要處于被壓密和彈性變形階段。在該階段，變形能夠與所受壓力保持較好的單調(diào)變化關(guān)系。而巷道兩幫的橫向變形，不受重力場作用。因此，可以利用巷道兩幫的收斂變化，來揭示巖體所受采動(dòng)壓力的變化。

由圖5(b)可以看出，兩幫收斂值基本呈現(xiàn)隨著采高增大而逐漸增大的趨勢。5排測點(diǎn)收斂值增加幅度從大到小依次為P4、P3、P5、P2和P1。P1排收斂值增加幅度最小，主要是因?yàn)樵撆旁谧羁拷蓤鰝?cè)，采動(dòng)壓力已基本穩(wěn)定。相反地，P5排在最外側(cè)，影響也較小。而P2～P4排處于回采投影范圍之內(nèi)，受采動(dòng)壓力影響較大，這同時(shí)也驗(yàn)證了二道溝金礦以垂直應(yīng)力為主這一原巖應(yīng)力特點(diǎn)。

在巖體變形與壓力保持單調(diào)變形階段，所受壓力越大，巖體變形量越大。同理，在卸壓過程中，受壓力越大的部位，在解除壓力后巖體恢復(fù)變形量也就越大。從卸壓后恢復(fù)變形量的大小，可反應(yīng)出卸壓前巖體所受壓力的大小。因此，為了得到采動(dòng)壓力曲線，只需取各監(jiān)測點(diǎn)兩幫最大收斂值，即可用其表示壓力的變化，由圖5可得，P1～P5測排最大收斂值分別為1.2、1.11、2.67、3.82和2.01 mm，將這些值繪制如圖7所示。從圖7可以看出，采動(dòng)壓力從上部采場上盤回采邊界到P4測排投影位置過程中急劇變大，并在P4測排投影位置處形成峰值，隨后往上盤側(cè)趨于平緩。整個(gè)波峰區(qū)域?qū)捈s7 m。由于二道溝金礦原巖應(yīng)力主要以垂直應(yīng)力為主，因此，采動(dòng)形成的應(yīng)力集中是該礦采場巖爆發(fā)生的主要外部條件。這種比較集中的采動(dòng)壓力分布特點(diǎn)，適合采用卸壓的方法對其進(jìn)行控制，從而阻止巖爆發(fā)生所需外部高應(yīng)力條件的形成。

4 結(jié) 論

(1)對于二道溝金礦急傾斜極薄礦脈的削壁充填法開采，采動(dòng)壓力收斂監(jiān)測結(jié)果表明，隨著回采高度的增加，監(jiān)測巷道頂?shù)装彘g距呈現(xiàn)減小的趨勢，而兩幫間距則呈現(xiàn)增大的趨勢，且兩幫的變形幅度比頂?shù)装宓囊蟆?/p>

(2)通過分析，利用巷道兩幫的收斂變化，來揭示采場圍巖所受采動(dòng)壓力的變化。根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)兩幫最大收斂值，繪制出采動(dòng)壓力曲線。由該曲線可知，采動(dòng)壓力在距上部采場上盤回采邊界約7 m的范圍內(nèi)形成波峰，再往上盤側(cè)則趨于平緩。

(3)對于二道溝金礦這種比較集中的采動(dòng)壓力分布特點(diǎn)，適合采用卸壓的方法對其進(jìn)行控制，從而阻止采場巖爆發(fā)生所需外部高應(yīng)力條件的形成。

圖7 采動(dòng)壓力特性曲線

[1] 林韻梅．地壓講座[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1981． Lin Yunmei.Ground Pressure Lectures[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1981.

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[3] 李玉寶，楊 麗．收斂計(jì)檢驗(yàn)與精度分析[J]．測繪通報(bào)，2009(3)：45-48． Li Yubao，Yang Li.Testing and precision analysis of convergence indicator[J].Bulletin of Surveying and Mapping，2009(3)：45-48.

[4] 趙先福，楊 偉，高菊容,等．廟林水電站引水隧洞施工中的圍巖收斂變形監(jiān)測[J]．云南水力發(fā)電，2011，26(3)：112-114． Zhao Xianfu，Yang Wei，Gao Jurong，et al.Convergence deformation monitoring in diversion tunnel of Miaolin Hydropower Station[J].Yunnan Water Power，2011，26(3)：112-114.

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(責(zé)任編輯 石海林)

Monitoring of Mining Pressure in Exploitation of Steeply Inclined and Extremely Thin Vein with Resuing Stoping Method

Ding Hangxing1Ren Fengyu1He Rongxing1Li Boran2Chang Shuai3

(1.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；2.LiaoningErdaogouGoldMiningCo.，Ltd.，Chaoyang122126，China；3.SchoolofMiningEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China)

The orebody of Erdaogou gold mine is steeply inclined and extremely thin，which is caved by the methods of resuing stoping and short-hole shrinkage.With the increase of mining depth，stope rockburst occurred seriously.In order to study the source of high stress needed by rockburst，the author carried out the mining pressure monitoring to mining process.With the method of tunnel convergence deformation，the convergence deformation of roof-floor and two sides was monitored in the process of the No.1530 stope caved by resuing stoping method.The monitoring results showed that with the increase of caving height，the space of monitoring tunnel roof and floor tends to decrease while the space of two sides tends to increase.Besides，the deformation magnitude of two sides is larger than the roof and floor.What's more，according to maximum convergence value of each monitoring point of two sides，the author drew the mining pressure characteristic curve.It is found that mining pressure formed peak value in the area of 7 m distance from the upper stope boundary，then after that tend to level off.For this relatively concentrated distribution characteristics of mining pressure，it is suitable to adopt the stress-relief method to control，so as to prevent the formation of external high stress condition needed by rockburst.

Resuing stoping method，Mining pressure，Convergence monitoring，Rockburst，Stress-relief

2014-10-21

中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：2013M541244)，“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號：2013BAB02B08)。

丁航行(1984—)，男，講師，博士。通訊作者 任鳳玉(1956—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD853.34,TD326

A

1001-1250(2015)-02-036-04