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(guān)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(yīng)力的平衡，應(yīng)力重新分布，形成次生應(yīng)力場[1-2]，圍巖中次生應(yīng)力場的應(yīng)力小于巖石極限強度，或應(yīng)變小于巖石極限應(yīng)變時，巷道不需支護即能保持穩(wěn)定，否則需人工支護。當巷道圍巖應(yīng)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(wěn)固圍巖主要是矽卡巖和蝕變閃長巖，根據(jù)已經(jīng)開采的-170 m、-230 m水平等工程揭露，大部分礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水性較強，軟巖遇水泥化，穩(wěn)定性較差。隨著時間的推進，井下部分巷道地壓顯現(xiàn)，陸續(xù)出現(xiàn)巷道底臌變形、側(cè)幫向內(nèi)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(chǎn)。為此，亟需進行巷道圍巖應(yīng)力和變形機制監(jiān)測[3-6]，了解巷道圍巖的變形和壓力變化規(guī)律，分析構(gòu)造應(yīng)力、膨脹應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響，揭示矽卡巖、蝕變閃長巖巷道地壓顯現(xiàn)機制，根據(jù)不同地壓顯現(xiàn)機制，指導優(yōu)化巷道支護設(shè)計，研究針對性的支護方案，保障采掘安全及支護結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

1 地壓監(jiān)測方案

1.1 測區(qū)選擇

由于-230 m水平為首采中段，對于安全生產(chǎn)極為關(guān)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(jiān)測設(shè)備。共選取5個區(qū)域，本研究以其中3#測區(qū)為例進行地壓監(jiān)測方案描述。3#測區(qū)巷道左側(cè)為矽卡巖，頂部和右側(cè)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(jù)此將巷道周圍11 m內(nèi)圍巖作為重點監(jiān)測區(qū)域。地壓監(jiān)測以應(yīng)力、變形監(jiān)測為主，監(jiān)測儀器的選擇遵循經(jīng)濟可靠靈敏，便于安裝等原則。

1.2 巷道圍巖壓力監(jiān)測

巷道圍巖壓力監(jiān)測選用錨桿應(yīng)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(jiān)測點，鉆孔孔徑75 mm。每個鉆孔中埋設(shè)4個錨桿應(yīng)力計，測量巷道圍巖內(nèi)部徑向壓力的變化。4個錨桿應(yīng)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(yīng)力計。

1.3 巷道變形量監(jiān)測

為了便于分析巷道圍巖內(nèi)部壓力和變形的變化規(guī)律，與壓力監(jiān)測斷面得到的壓力變化規(guī)律相互印證，在對應(yīng)的巷道斷面進行變形監(jiān)測。變形監(jiān)測主要采用多點位移計，測點布置方案與壓力監(jiān)測方案相同。在兩幫和頂部各施工1個6 m深鉆孔作為監(jiān)測點，鉆孔孔徑128 mm。每個鉆孔中埋設(shè)4個多點位移計，測量巷道圍巖沿鉆孔軸向的位移[7]。孔內(nèi)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(jiān)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(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化時，錨桿受到拉伸或壓縮，同步產(chǎn)生變形對應(yīng)的振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出所受應(yīng)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(jiān)測，當被測巷道發(fā)生位移變形時，多點位移計的錨頭帶動拉桿產(chǎn)生位移變形，同步產(chǎn)生對應(yīng)變形的振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出變形量[8-10]。

1.5 數(shù)據(jù)采集及傳輸

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集箱可以串接至礦山井下環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中的各中段環(huán)網(wǎng)交換機，經(jīng)環(huán)網(wǎng)光纖傳輸至地表集控中心的主機上。在地表實現(xiàn)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(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)讀取及計算方法

水泥漿凝固后打開采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，每個測點讀數(shù)反復出現(xiàn)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(xiàn)為錨桿應(yīng)力計荷載，kN；L為多點位移計位移量，mm；K1、K2為系數(shù)，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(jiān)測結(jié)果分析

對3個測點進行實時監(jiān)測，荷載傳感器掃描頻率為1 min/次，以持續(xù)時間為55 d計，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果的分析研究，得出相應(yīng)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(jiān)測斷面圍巖內(nèi)錨桿軸力的日常監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wěn)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?guī)痛罄韼r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(yīng)受右側(cè)新掘巷道影響加劇了圍巖的松散破壞狀態(tài)。

2.3 變形監(jiān)測結(jié)果分析

對3個測點進行實時監(jiān)測，位移傳感器掃描頻率為1 min/次，按持續(xù)時間為55 d計，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果的分析研究，得出相應(yīng)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(jiān)測斷面圍巖內(nèi)位移的日常監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wěn)定。左幫測點的位移變化較大，最大位移達48 mm；頂部和右?guī)臀灰埔谱兓^小，最大位移分別為2.6 mm和0.28 mm，說明巷道穩(wěn)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(xù)超30 d，此后變形逐漸穩(wěn)定。

2.4 錨網(wǎng)噴支護參數(shù)優(yōu)化

巷道圍巖應(yīng)力和位移是巷道圍巖應(yīng)力和形狀發(fā)生變形最直接的反映，通過監(jiān)測采掘階段圍巖與支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，了解巷道圍巖的變形和壓力變化規(guī)律，把握采掘過程中結(jié)構(gòu)所處的安全狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，對巷道現(xiàn)有支護方案進行優(yōu)化研究。-230 m水平3#測區(qū)巷道圍巖現(xiàn)有支護方式為錨網(wǎng)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(wǎng)片?6 mm，網(wǎng)度200 mm×200 mm。利用前述-230 m水平3#測區(qū)所測得的巷道圍巖左幫、頂板、右?guī)妥畲笞冃瘟考板^桿應(yīng)力荷載，結(jié)合礦山已有地質(zhì)資料和礦巖強度特征及巷道圍巖松動圈測試結(jié)果，進行錨網(wǎng)噴支護參數(shù)優(yōu)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(jù)3#測區(qū)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(xiàn)場圍巖條件的巷道支護三維數(shù)值模型，根據(jù)上述地壓監(jiān)測獲得的巷道圍巖變形量和塑性區(qū)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(jù)模擬計算結(jié)果，確定合理的錨桿間排距。經(jīng)過三維數(shù)值模擬計算，確定-230 m水平3#測區(qū)巷道圍巖錨網(wǎng)噴支護優(yōu)化方案為：錨桿長度2 400 mm、間距800 mm、排距800 mm。經(jīng)實踐驗證，優(yōu)化后支護效果較為穩(wěn)定。表明地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可為軟巖巷道合理的支護設(shè)計提供理論依據(jù)和指導，為支護結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定提供保障。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計了一套完整的巷道地壓綜合監(jiān)測體系，以巷道圍巖壓力監(jiān)測和變形監(jiān)測為主，實現(xiàn)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(jiān)測選用錨桿應(yīng)力計，變形監(jiān)測選用多點位移計，實踐表明，本系統(tǒng)對捕捉巷道圍巖變形規(guī)律效果顯著，可作為類似工程監(jiān)測體系設(shè)計參考。

（2）通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，獲得不同巖性的巷道圍巖的應(yīng)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(wěn)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(wěn)定；各測點孔口處的位移量最大，孔底最小。

（3）根據(jù)地壓監(jiān)測所獲得的巷道圍巖左幫、頂板、右?guī)妥畲笞冃瘟亢湾^桿應(yīng)力荷載，結(jié)合礦山已有地質(zhì)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(xiàn)場圍巖條件的巷道支護三維數(shù)值模型，進行錨網(wǎng)噴支護參數(shù)優(yōu)化，確定-230 m水平3#測區(qū)巷道錨網(wǎng)噴支護優(yōu)化方案為：錨桿長度2 400 mm、間距800 mm、排距800 mm。經(jīng)實踐驗證，優(yōu)化后支護效果較為穩(wěn)定。表明地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可為軟巖巷道合理的支護設(shè)計提供理論依據(jù)和指導，為支護結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定提供保障。