矿山深部开采试验采场地压监测技术研究.pdf

第 6 5 卷第 4 期 有 色 金 属 矿山部分 2 0 1 3 年 7 月 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 6 7 1 4 1 7 2 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 1 1 矿山深部开采试验采场地压监测技术研究 曹 辉 ， 解联 库 北京矿冶研 究总院， 北京 1 0 0 1 6 0 摘要 某矿深部开采过程 中面临着 较大的地压灾害问题 ， 为确保下部矿体 安全高效 的回采 ， 对试验采场 采用 垂 直柬状 深孔爆 破方式进行 回采 ， 并对 回采过程 中的岩体应力和变形情况进行监测 分析 。数据分 析结果有助 于进 一 步掌握开采过程中的地压活动规律 ， 为深部矿体安全高效开采设计提供依据 。 关键词 地压 ； 应力监测 ； 位移监 测 ； 深部开采 中图分类号 T D3 1 1 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 1 3 0 4 0 0 4 3 0 5 S t u d y o n t h e g r o u n d p r e s s u r e mo n i t o r i n g t e c h n o l o g y i n a t e s t i n g s t o p e o f d e e p mi n i n g CA O H u i 。XI E Li a nku B e i j i n g Ge n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g Me t a l l u r g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 6 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e p o s s i b i l i t y o f d i s a s t e r s c a u s e d b y g r o u n d p r e s s u r e r i s e s d u r i n g d e e p mi n i n g o f a mi n e i n p h a s e I V．To e n s u r e t h e s a f e a n d e f f i c i e n t u n d e r g r o u n d mi n i n g，i t i s d e t e r mi n e d t o a p p l y t h e v e r t i c a l b u n c h - l o n g h o l e s b l a s t i n g a s t h e me t h o d f o r mi n i n g i n a t e s t i n g s t o p e ．Du r i n g t h e mi n i n g p r o c e s s ，t h e r o c k s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n a r e mo n i t o r e d ．Th e f i n a l a n a l y s i s o f t h e d a t a c o u l d a s s i s t t o u n d e r s t a n d p a t t e r n s o f t h e a c t i v i t i e s c a u s e d b y g r o u n d p r e s s u r e a n d p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r t h e s a f e a n d h i g h e f f i c i e n t mi n i n g d e s i g n o f d e e p mi n i n g ． Ke y wo r d s g r o u n d p r e s s u r e ；s t r e s s mo n i t o r i n g；d i s p l a c e me n t mo n i t o r i n g；d e e p mi n i n g 随着某矿矿区上部 中段 回采矿量逐年减少 ， Ⅳ 期深部地质储 量成 为矿山持续发展 的接替 回采 资 源。矿床 Ⅳ期 回采 区域从 7 0 5 i n中段至 1 1 3 0 in 中 段 ， 矿体埋深 1 0 0 0 m 以上 ， 根据现场原岩应力测量 结果预测 ， 下部岩体最大主应力将会超过 4 0 MP a ， 属典型的高应力深井矿山D - z 3 。且Ⅳ期矿体顶板石 英砂岩和粉砂岩有一定 的岩爆倾 向性 ， 顶板 泥岩极 易风化片帮， 引起局部或 大范 围垮塌等地 压灾 害。 综合分析可以看出， 矿床Ⅳ期深部矿体开采技术条 件极为复杂 ， 严重制约了深部矿体安全高效 回采作 业的进行 。为此 ， 通过采矿方法研究 ， 确定采用垂直 束状深孔分段爆破嗣后充填空区的采矿方案作为深 部矿体回采的主要方法 ， 在深部 Ⅲ期矿段内选定试 验采场 ， 对采矿过程 中的地压活动规律及 安全监测 监控技术进行综合监测分析 ， 进一步了解深 部矿体 开采过程 中地压变化规律及分布特征， 以便对后续 Ⅳ期深部矿体大规模开采采矿方案进行设计 ， 为地 基金项 目 “ 十二五” 国家科技 支撑计划项 目 2 O 1 2 B AB O 1 B 0 1 作者简介 曹 辉 1 9 8 1 一 ， 男 ， 工程 师， 博士 ， 采 矿工程专 业 ， 主要 研 究方 向为采矿岩石力学 。 压活动规律分析与控制提供相关基础数据和分析依 据 。 1 试验采场概 况 1 ． 1 地质 构造 特征 该矿床为一含铜银砂岩 型沉积热 卤水改造矿 床， 赋存 于下亚段的浅色长石石英砂岩中。试验采 场位于矿 区“ 刀把” Ⅲ期采 区的 1 4 2 5 ～1 4 5 0 In 中 段 ， X一2 2 0 ． 6 2 6 3 ． 7 ， y3 4 2 ． 1 ～3 7 O ． 0 ， 回采高度 3 5 m， 采 场宽 度 1 2 m， 采 场 面 积 4 7 9 In 。试 验 采 场 的直接顶板为紫色或浅色砂岩， 厚度为 6 ～1 2 In， 结 构致密坚硬， 厂 一1 0 ～1 2 ， 稳固且 比较完整。老顶为 泥岩、 砂 质泥岩 与石英 砂岩互 层 ， 底板 也为砂 岩， 厂一 4 ～6 。采场下部西北方向有一断层 。 1 ． 2 采 矿方 法及 采场设 计 试验采场采用垂直束状深孔分段爆破嗣后充填 空区采矿方案进行 回采 。底部结构 布置在 1 4 2 5 in 水平 ， 采用堑沟底部结构出矿 ， 堑沟巷道按 2 ． 5 in 2 ． 5 in断面施工 ， 出矿进路按 3 ． 2 1 T I 3 In标准断面 施工 。凿岩硐室 分别布 置在 1 4 6 0 m、 1 4 7 0 m 水 4 4 有 色 金 属 矿山部分 第 6 5 卷 平 ， 硐 室底 板 布 置 下 向 垂 直束 状 深 孔 ， 孑 L 径 1 2 0 mm。为了保证束状深孔施工精度 ， 要求凿 岩巷道 边帮及顶 、 底板平整。从 1 4 7 0 m凿岩水平施工一 条斜道沟通 1 5 0 0 m 中段作为充填巷道及凿岩水平 的 回风通 道 。 2 试验采场地压监测方案 2 ． 1 监 测 内容 及范 围 结合现场工程地质条件 ， 根据试验采场工程布 置、 采场结构以及地压监测 目标 ， 确定本次试验采场 的重点监测部位为 1 4 2 5 m水平运输道两侧围岩、 顶板 围岩及底部出矿进路、 1 4 5 0 m水平 3 2 探矿川 脉围岩、 1 4 7 0 m水平凿岩硐室 以及试 验采场上部 l 4 8 5 m水平围岩。对 出矿进路及采 场上部 围岩以 岩体应力监测为主 ， 凿岩硐室以变形监测为主， 而对 运输巷道与探矿川脉的地压监测应以岩体应力与变 形综合监测为主[ 3 ] 。 2 ． 2监测 点布 置 通 过对 1 4 2 5 m、 1 4 5 0 m、 1 4 7 0 m、 1 4 8 5 m 水 平的现场 调查 ， 在靠 近试验 采场 底部 拉底 巷道 的 1 4 2 5 m水平运输巷道和出矿进路布置 6个应力监 测点和 2个位移 监测点 ， 在靠 近试验 采场 顶部 的 3 2 探矿川脉里布置 2 个位移监测点和 2个应力监 测点 ， 在 1 4 7 0 m水平凿岩硐室顶板布置 2个位移 监测点 ， 在试验采场顶部 围岩 1 4 8 5 m 水平布置 3 个应力监测点。各测点具体位置如图 1 所示 。 图 I 监测点布置平面 图 Fi g ． 1 Th e pl a n e g r ap h o f t he mo ni t o r i n g po i n t s a r r a n g e me n t 2 ． 3 地 压监测 方 案总体 说 明 本次监测系统共布置了 6个多点位移计和 1 1 个钻孑 L 应力计 。其 中多点位移计 布置情况如下 在 l 4 7 0 m水平凿岩硐室布置 2个位移 监测 点 ， 用于 监测顶板的变形情况 ； 3 2 探 矿川脉 内布置 2个位 移监测点 ， 用于监测随采场 回采 3 2 探矿川 脉内岩 体位移变化情况 ； 1 4 2 5 m 运输 道 内布置 2个位移 监测点 ， 用于监测岩体位移变化及开采爆破对断层 附近岩体的扰动影 响。钻孔应力计布置情况如下 在1 4 2 5 m主运输巷道及 出矿进路布置 6个应 力监 测点 ， 用于监测回采过程中出矿进路及运输巷道围 岩体的竖 向应力变化情况 ； 3 2 探矿川脉 内布置 2 个应力监测点 ， 监测大爆破落矿条件下顶板 围岩应 力变化情况。1 4 8 0 m 水平布置 3个应力监 测点 ， 监测凿岩硐室顶板应力变化情况。 数据采集实行 自动采集和人工采集相结合的方 式 ， 共设置 2 个数据采集点 ， 用于监测数据的汇集存 储 一个位于 1 5 0 0 m 中段机修硐室， 布置有一台压 力分站， 用于采集 1 4 8 0 m 水平 的 3个应力监测点 数据 ； 一个位于 1 4 2 5 m 中段通往回风斜井巷道处 废弃水仓 内， 布置有一台压力分站和一台 自动集线 箱 ， 用于 采集 3 2 探 矿川 脉、 1 4 2 5 m 出矿进 路、 1 4 2 5 m运输道中的 8个应力监测点和 6 个位移监测 点数据。观测人员根据开采情况， 通过数 据采集仪 4 6 有 色 金 属 矿山部分 第 6 5 卷 ． 一 2 锄} ． - ， 一 一 4 号直 ●， 一 H t 。 ’ 厂 二 一√ i ／ 卅 } ／ 、 - _ ⋯， 鲁_ ■⋯ ⋯ 8 月1 5 日8 月2 5 日 9 ft 4 日9 月1 4 日9 ft孔日1 0 ft 4 日l O ft ] 1 4 日l O ft 2 1 日 监测日 期 ． - 7 号应力i 1 8号应力计 t ／ 嚣 ． f ． 8 月 1 5日 8 月2 5 日9 月4日 9 月 1 4日 9 月2 4日1 0 月4日 1 0 月 1 4日 监测日 期 县 府 十 一1 n 旦 7 n‘日 R日 日 。 日A F t 0日 只 0日9 A日 l n日日 l n日 I I l 』 1 日 日 ’ _ 自⋯ ⋯． ⋯ 一 - ． _ ‘‘I_ - t ． ． Y Y Y Y Y Y ＼ 儿 ／ ＼八f 、一 八 ． ． 人 、 ，、 n J V l ’ V ’ ’’ Y ’ ’ V Y 监测日期 图 4各 监 测 点 岩 体 竖 向应 力 变 化 曲线 Fi g ．4 Th e v e r t i c a l s t r e s s c ha ng e c u r v e s o f t h e mo ni t o r i ng p oi nt s 由于两测点位于凿岩硐室的顶板岩体 中央位置， 由 于顶板的下沉变形会引起 内部应力 的重新分配和调 整 ， 导致岩体内部应力不断变化， 但总体趋势均为应 力逐 渐减 小 ， 处 于 应 力 松 弛 区域 。 1 1 监 测 点 位 于 采空区顶板上方外侧岩体内， 在开采过程中， 只有少 量的应力减小 ， 且随着空区体积的增加， 应力的转移 调 整又 有所恢 复 。 3 ． 2 位移 变形 监测 数据 分析 顶板位移分析是指巷道顶板和矿房顶板的位移 沉降分析 ， 与应力分析相同， 位移分析主要分析监测 当次位移变化量 相对第一次纪录的位移变化值 随 时间的变化关系曲线 。本次顶板位移监测主要监测 1 4 2 5 m运输巷道 a 、 b测点 ， 两测点均为 2点位移 计 、 3 2 川脉 d 、 e 测点， 两测点均为 3点位移计 和 1 4 7 0 m f 、 g测点 ， 两测点均为 3点位移计 凿岩硐 室上部 围岩的下沉变形情况 ， 以防止顶板 出现大面 积的变形破坏 。各监测点位移变化量与时间关系曲 线如 图 5 ～ 7 所 示 。 ⋯． - l f 错 2 厂_ f 』 ／ i ／ ． ． ． 1 O 日 8 月 舯日8 月 舯日9 fl 9 日9 月19 日9 月 2 9 日 1 0 月 9 日10 月 1 9 日 10 月圆日 1 1 月 8 日 观测时间 一 一 3i 瞄 黼一 4 通道传感器 7 ． ．一 一一一 ‘ 9 月 1 9 日9 月2 9 日 ll J 月 9 日l 0 月19 日 l 0 月 2 9 日 i i 月 8 日 观测时间 圈 5 1 4 2 5 m 运输巷顶板变形监测 曲线 Fi g ． 5 De f o r ma t i o n mo ni t o r i n g c u r v e o f t h e 1 42 5 m l e v e l t r a ns po r t a t i o n r o a dwa y’ S r o of 通过对图 5的分析可 以看出， 1 4 2 5 m水平运 输巷道顶板有一定程度 的下沉变形 ， a测点两传感 器所测岩体位移变化量差别较大 ， a 号传感器 的最 大位移为 7 ． 7 mm， 而 a 。号传感器 的最大位移只有 0 ． 2 mm， 说明 a 测点处岩体下沉主要集中在上方较 深部岩体； b测点两传感器所测位移量基本相同， 均 为 3 mm左右 ， 说明该处 岩体变形主要集 中在浅部 2 m范围内。a 测点处的位移量较大 ， 主要是 由于 a 钻孔距断层相对较近， 随着开采的进行 ， 空区体积增 大， 易产生较大变形 。 如图 6所示 ， 3 2 川脉 内巷道顶板处的整体变 形情况比较相似 ， 每个测点 内的三个传感器所测位 移变化量均逐渐增大。开采初期岩体整体位移变化 量较小 ， 一般在 0 ． 3 mm以内， 随着开采的进行岩体 变形呈增加的趋势 ， 但在 1 O月 9日第二次分层爆破 后 ， 由于 3 2 川脉的帮壁垮塌导致此两处位移测点 全部被落石埋没而无法继续监测使用。 1 4 7 0 m凿岩硐室顶板变形监测曲线如 图 7所 示 ， 由于该顶 板处位 移监测 点是 通过 外接 电缆 经 3 2 川脉和斜井连至 1 4 2 5 m水仓处数据集线箱处， 3 2 川脉的垮塌造成 f 、 g测点传输 电缆 的破坏而无 法实现远程采集 ， 后改用现场人工逐个读取监测数 据 ， 受井下生产及安全 因素 的影响 ， 无法定时采集 ， 9 8 7 6 5 4 3 2 l l 、 唧 簿遥 0 5 O 5 0 5 O 5 0 3 2 2 l l 0 0 l 嘲 毯 S O 5 0 5 0 5 0 3 3 2 2 l l 0 l 、 咖 簿 4 2 0 2 4 6 8 o 0 嘲 R词 蛹 裱 R词 第 4 期 曹 辉 等 矿 山深部开采试验采 场地 压监 测技术研究 4 7 图 6 3 2 川脉巷道顶板变形监测 曲线 Fi g ． 6 De f or ma t i o n mo ni t or i n g c ur v e o f t h e 32 a c r o s s - v e i n r o a d wa y’ s r o o f 9日 9日 ● ● 7 7 f ／广 ／ ⋯ 8 月m日8 月∞日 8 月∞日 9 1 9 日 9 月】9 日9 月2 9 日 l 0 月9 日1 0 月】 9 日m 月2 9 日 11 月8 月 观测时间 7 6 量5 制3 彗。 l 。 l 4通道传感器 - e -1 5通道传感器 1 6通道传感器 r ， f 一 7 ’ 一 一． ／ 一⋯ 10 日8 月∞日 8 月扣日 9 Jq 9 日 9 fl 日9 J q 2 9 日 观测时间 圈 7 1 4 7 0 m凿岩硐 窒顶板变 形监 测曲线 Fi g ．7 De f o r ma t i o n mo ni t o r i ng c u r ve o f t he 1 47 0 m l e v e l dr i l l i n g c h amb e r ’ s r o of 造成了部分数据缺失 ， 但综合分析整个凿岩硐室顶 板岩体变形监测情况， 结果显示两测点基本一致 ， 最 大位移值为 6 mm 左右， 通过同一孔 内不 同传感器 监测数据分析也可 以看出 ， 硐室顶板围岩浅部位移 变化 比深部变化小 ，说明顶板围岩变形范围主要位 于较深部 。 综合分析各监测点的位移变形曲线可 以看出， 随着开采的进行 ， 监测范 围内巷道和硐室顶板的位 移变化量呈逐渐增大趋势 ， 但整体位移变化量不大 。 目前监测到的最 大位移变化量为 7 ． 7 mm， 说 明巷 道和硐室顶板的稳定性较好 ， 试验采场开采过程中 并未发生较大的岩体变形 。 4 结 论 通过对本次试验采场开采过程 中主要巷道 、 凿 岩硐室及出矿进路岩体 的应力 、 位移监测数据的综 合对 比分析 ， 可以得出如下几点结论 1 总体来看 ， 监测区域 内岩体应力变化趋 于平 缓 ， 无较大应力集 中情况发生 ， 说 明随着 开采 的进 行 ， 空区体积增大 ， 围岩 内应力重新分布后 ， 各处岩 体内集中应力均能够得到有效转移 和释放 ， 岩体基 本处于稳定平衡状态。 2 从岩体应力和变形的角度分析 ， 无论是岩体 内应力情况还是顶板岩层位移变形情况 ， 均呈现逐 渐增大的变化态势 ， 无较大突变现象发生， 说 明整个 试验采场爆破过程中， 底部出矿结构、 上部凿岩硐室 和周围岩体均处于稳定受力状态 ， 采场结构及爆破 参数设计均比较合理 ， 整个作业环境也 比较安全。 3 本次 地压监 测结 果得 出 的一般性 规律 ， 在 Ⅳ期深部采 场的 回采 时 ， 可为 确定采 场结构 尺寸 及矿块 回采顺 序提供 一定 的借鉴 参考 ， 并 为深部 开采过程中较为严重地压 问题 的预防监测方案提 供设计依据。 参 考 文 献 [ 1 ] 王连捷 ， 潘立宙 ， 廖椿庭， 等 ．地应力测量及其在工程 中的应用 [ M] ．北京 地质出版社 ，1 9 9 1 ． [ 2 ] 景 锋 ， 盛 谦 ， 张勇慧 ， 等 ．中国大陆浅层地 壳实测地应力分 布 规律研究[ J ] ．岩 石 力 学与 工 程学 报 ，2 0 0 7 ，2 6 1 0 2 0 5 6 2 0 6 2 ． [ 3 ] 宋世生 ， 王志学 ， 郭树林 ．金凤公 司 1号矿体试验 采场稳定 性 及地压控制的实践l- J ] ．黄金 ，2 0 0 6 ， 2 7 8 1 7 - 2 2 ． [ 4 ] 胡 华 ， 孙恒虎 ．基于可视化 的计算机数值 模拟技 术在深部采 场稳定性 分析 中的应用 [ J ] ．黄金 ，2 0 0 2 ， 2 3 8 1 6 - 2 0 ． [ 5 ] 张瑞雪 ， 李 文秀， 闻 磊 ， 等 ．破碎 矿体地下 开采地 压控制问题 [ J ] ．化 工矿物 与加工 ，2 0 0 8 ， 3 7 4 3 1 3 3 ． [ 6 ] 吴爱祥 。 胡 华 ．湘 西金 矿深 部采 场稳 定性 计算 机模 拟 分析 口] ．中国有色金属学报 ， 1 9 9 9 ， 9 4 8 4 6 8 5 1 ． [ 7 ] 蔡美峰 ．金属矿山采矿设计优化 与地压控 制理 论与实践 [ M] ．北京 科学 出版杜 ，2 0 0 1 ． 8 7 6 5 4 3 2 l 0 咖 簿