黃海余

(內(nèi)蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局)

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金屬礦深部開采巷道位移監(jiān)測(cè)與圍巖穩(wěn)定性分析

黃海余

(內(nèi)蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局)

針對(duì)新城金礦深部開采過程中出現(xiàn)的巷道圍巖穩(wěn)定性問題，采用深部開采位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦區(qū)深部采場(chǎng)和圍巖變形，基于監(jiān)測(cè)信息，綜合分析了圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，揭示了金屬礦深部開采過程中影響巷道穩(wěn)定性的主要因素和巖體損傷與變形規(guī)律：軟弱結(jié)構(gòu)面是影響深部開采巷道穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，開采擾動(dòng)是影響巷道穩(wěn)定性的外在因素；巖體損傷破壞經(jīng)歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，巷道變形表現(xiàn)出了“急劇增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—基本穩(wěn)定”3個(gè)階段；淺部圍巖破碎后巷道變形會(huì)急劇增大，應(yīng)及時(shí)支護(hù)掘進(jìn)巷道，充填回采結(jié)束采場(chǎng)，提高圍巖體的自承力。結(jié)果對(duì)礦山優(yōu)化開采及地壓管理具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

深部開采 圍巖變形 位移監(jiān)測(cè) 變形速率

隨著淺部礦產(chǎn)資源的日益枯竭，深部開采已成為地下礦山開采的必然趨勢(shì)。深部開采過程中巷道和采場(chǎng)圍巖處在高地應(yīng)力和高熔巖水壓的復(fù)合應(yīng)力環(huán)境中，穩(wěn)定性面臨著巨大的威脅[1-2]。位移監(jiān)測(cè)是評(píng)估圍巖穩(wěn)定性的重要方式，是揭示礦山采場(chǎng)巖體變形規(guī)律的科學(xué)手段，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有直觀性和實(shí)用性[3-4]。新城金礦已進(jìn)入深部海底開采階段，開采深度將超過1 000 m[5]。深部開采過程中地壓顯現(xiàn)加劇，巷道圍巖變形、塌方、冒頂、片幫等事故日漸增多，特別是在-600 m水平以下已出現(xiàn)了顯著的巷道圍巖失穩(wěn)狀況，為了解決新城金礦深部開采中出現(xiàn)的一系列問題，建立基于多種監(jiān)測(cè)手段的深部開采位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)深部圍巖變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，綜合分析圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，揭示深部海底開采過程中圍巖損傷和變形規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)類似深部礦山安全高效開采具有重要的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。

1 巷道概況

新城金礦為海底開采井工礦山，影響深部開采巷道穩(wěn)定性的主要因素為F1、F3斷層等大型軟弱結(jié)構(gòu)面?？拥牢挥贔1斷裂的下盤，北西向構(gòu)造比較發(fā)育，斷裂帶及附近巖石受擠壓而破碎，掘進(jìn)時(shí)易產(chǎn)生掉塊和塌方。F3斷裂走向北西，傾角接近90°，斷裂帶內(nèi)巖石破碎，主要由碎石、泥石、高嶺土、砂礫石及黏土充填而成。地下水的長(zhǎng)期浸泡使其處于水飽和狀態(tài)，導(dǎo)致填充體物質(zhì)顆粒之間摩擦力減少，-600 m 水平運(yùn)輸巷掘進(jìn)至F3斷層時(shí)，急劇增加的地應(yīng)力使巷道圍巖變形、塌方、事故日益增多。作為銜接采場(chǎng)深部開采的關(guān)鍵運(yùn)輸巷道，-600 m巷道(圖1)的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)采場(chǎng)安全生產(chǎn)。

圖1 -600 m水平運(yùn)輸巷

2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方法

采用煤科院北京建井所生產(chǎn)的JSS30A型伸縮式數(shù)顯收斂計(jì)對(duì)巷道兩幫收斂、頂板下沉等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該儀器的測(cè)量精度為±0.1 mm，讀數(shù)精度為±0.05 mm，量測(cè)基線長(zhǎng)0.5～15 m。具體測(cè)量原理參照文獻(xiàn)[6]。本次監(jiān)測(cè)出現(xiàn)問題較多的-600 m水平巷道北段運(yùn)輸巷道，具體巷道量測(cè)斷面測(cè)量基線布置見圖2。

圖2 巷道斷面測(cè)線布置

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

新城金礦采用上向水平充填采礦法[5]，采礦作業(yè)向上推進(jìn)，圍巖體應(yīng)力會(huì)經(jīng)歷“平衡—失衡—再平衡”的過程，巷道的穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)經(jīng)歷明顯的階段性。為了保證監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期性和精準(zhǔn)性，在充分考慮避讓風(fēng)管和水管位置、保證儀器讀數(shù)和正常監(jiān)測(cè)、儀器安裝不影響礦山正常生產(chǎn)工作的前提下，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在連接采聯(lián)的-600 m中段巷道。主要包括多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，巷道斷面收斂測(cè)點(diǎn)4處，各測(cè)點(diǎn)具體位置見圖3。

圖3 各測(cè)點(diǎn)位置分布

2.3 斷面各測(cè)線位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4(a)、圖4(b)為1#和2#斷面測(cè)點(diǎn)處測(cè)線收斂變形曲線，整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)巷道變形速率最大值為0.08 mm/d，最小為0.04 mm/d，從監(jiān)測(cè)的第40 d開始，受-600 m水平主要生產(chǎn)采場(chǎng)的影響，測(cè)線收斂變形的速率有所增大，但因采場(chǎng)距該測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，收斂變形速率受此影響的變化幅度較小，說明圍巖穩(wěn)定性影響較小。開采結(jié)束后，巷道圍巖最大變形速率為0.04 mm/d，平均變形速率在0.02～0.03 mm/d，可以看出此區(qū)域內(nèi)的圍巖穩(wěn)定性主要受采動(dòng)擾動(dòng)影響，采場(chǎng)作業(yè)過后，該測(cè)點(diǎn)附近的巷道圍巖比較穩(wěn)定。

圖4(c)、圖4(d)為3#和4#斷面測(cè)點(diǎn)處測(cè)線收斂變形曲線，此處測(cè)點(diǎn)位于-600 m中段，1830線附近，F(xiàn)3斷層以北。F3斷層以北的巷道都是由南向北逐步開拓，因此，此處巷道位移較明顯。AC測(cè)線在84 d內(nèi)的累計(jì)收斂量達(dá)到了3 mm，比3#測(cè)點(diǎn)AC測(cè)線最大收斂量超出了1 mm。監(jiān)測(cè)初期的變形比較劇烈，且有比較明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著時(shí)間的推移，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸放緩，圍巖變形趨于穩(wěn)定。在巷道開挖和回采的全過程中，巷道圍巖變形經(jīng)歷3個(gè)階段：變形急劇增長(zhǎng)—變形緩慢增長(zhǎng)—變形基本穩(wěn)定。在120 d時(shí)，接近6個(gè)月的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，上述3個(gè)階段的變形特征在該監(jiān)測(cè)點(diǎn)都得到了很好的體現(xiàn)。

圖4 不同斷面各測(cè)線時(shí)間位移曲線

3 巷道深部多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方法

采場(chǎng)深部開采過程中，巖體在擾動(dòng)應(yīng)力的影響下，圍巖不同深度會(huì)經(jīng)歷不同程度的損傷演化過程，巖體不同深度的位移可以一定程度上表征圍巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，并且相較于表面位移監(jiān)測(cè)具有一定的超前性[7-8]。根據(jù)新城金礦涌水量較大、巖體較完整的特點(diǎn)，本次監(jiān)測(cè)采用自行研發(fā)的錨固式多點(diǎn)位移計(jì)，通過在巖體不同深度布設(shè)測(cè)點(diǎn)，可以對(duì)巖層位移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)裝置主要包括內(nèi)管、圓盤、量測(cè)鋼絲、鋼爪和數(shù)據(jù)傳輸裝置5部分，位移計(jì)采用分布網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)，并按照采集時(shí)間順序存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，監(jiān)測(cè)人員可通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查閱、實(shí)時(shí)顯示、繪制曲線等功能[9]。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

本次監(jiān)測(cè)工作在-600 m水平巷道南北兩端布設(shè)2個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)(圖2)。根據(jù)巖體不同深度每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距離巖體表面的深度分別為20,15,10和5 m，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體穩(wěn)定性的立體監(jiān)測(cè)，多點(diǎn)位移計(jì)斷面布置見圖5。

圖5 多點(diǎn)位移計(jì)斷面布置

3.3 深部多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6為巖體不同深度位移時(shí)間曲線。在該監(jiān)測(cè)周期的前40 d，各測(cè)點(diǎn)平均變形速率在0.03 mm/d以上，變化較平穩(wěn)，在監(jiān)測(cè)后期100 d內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)巖體內(nèi)不同深度的位移都呈現(xiàn)出漸進(jìn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，平均變形速率在0.07 mm/d以上。不同測(cè)點(diǎn)又具有差異性，說明采場(chǎng)內(nèi)巖體破壞損傷呈現(xiàn)出一定的時(shí)空差異性。在時(shí)間上，巖體在采動(dòng)影響下位移逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，表明巖體的損傷破壞經(jīng)歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，因此，在工程上應(yīng)避免短時(shí)間內(nèi)的集中大規(guī)模開采，及時(shí)支護(hù)，縮短巖體失衡時(shí)間，使巖體快速再穩(wěn)定；在空間上，同樣的采動(dòng)影響下，淺部巖體位移較大，深部位移相對(duì)較小，1#測(cè)點(diǎn)整體巖體的位移變化值差別不大，2#測(cè)點(diǎn)巖體內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)位移變化差異較大，這是因?yàn)?#測(cè)點(diǎn)距離F3斷層較近，短時(shí)間的集中開采作業(yè)造成淺部巖體位移增大較迅速，深部位移相對(duì)較平穩(wěn)，說明此區(qū)域內(nèi)淺部巖體已較破碎，應(yīng)防止浮石垮落造成的安全隱患，及時(shí)采用錨噴支護(hù)增強(qiáng)圍巖自承力，確保開采安全進(jìn)行。

4 結(jié) 論

(1)斷層等結(jié)構(gòu)面是影響深部開采巷道穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，開采擾動(dòng)是影響巷道穩(wěn)定性的外在因素，-600 m采場(chǎng)內(nèi)斷層附近的開采活動(dòng)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)避免斷層附近的大規(guī)模集中開采，合理優(yōu)化開采順序，保障開采安全。

圖6 各測(cè)點(diǎn)不同深度位移時(shí)間曲線

(2)通過監(jiān)測(cè)可以看出開采活動(dòng)使巖體損傷破壞經(jīng)歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，巷道變形經(jīng)歷了“急劇增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)—基本穩(wěn)定”3個(gè)階段，因此，開采過程中應(yīng)及時(shí)支護(hù)采場(chǎng)巖體，縮短巖體失衡時(shí)間，提高圍巖體的自承力，保持巷道穩(wěn)定。

(3)采場(chǎng)巖體的損傷演化過程中呈現(xiàn)出了很強(qiáng)的時(shí)空差異性，總體上來說，開采過程中深部巖體的變形要小于淺部巖體，淺部圍巖破碎后巷道的變形會(huì)急劇增大，穩(wěn)定性會(huì)受到很大的影響，必須及時(shí)支護(hù)掘進(jìn)巷道，充填采場(chǎng)，保障安全高效開采。

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2016-08-11)

黃海余(1988—)，男，助理工程師，013250 內(nèi)蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗新寶拉格鎮(zhèn)。