浅析深部开采地压控制.pdf

能源 地矿 L o W C A R B o N Wo R L D 2 0 1 5 ， 5 浅析深部开采地压控制 周 平 铜陵有色冬瓜山铜矿生产部， 安徽铜陵2 4 4 0 0 0 【 摘 要】 冲击地压是一种十分复杂的矿井动力的现象， 通常是岩体力学以及对矿山防治的一个难点。随着对铜矿的开采深度不断的增加， 明 显的有很大部 分的矿 井都 出现 了冲击地压 的现 象， 这给铜矿 的安全生产带来了很大的威胁 ， 因此， 十分有必要对冲击地压进行一个十分深入 的 研究。 本文对于铜矿深部 开采地压控制 当中的几个关键问题 进行 了系统 的分析 ， 对深部地压 特征 以及防治 的对策进行 了简述和研究， 在最 后指 出了此领域当中人们 比较注重的力学问题。 【 关键词】 深部开采； 深井地压； 冲击地压 【 中图分类号】 T D 3 2 7 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 2 0 9 5 2 0 6 6 2 0 1 5 1 5 0 0 9 8 0 2 在 我 国 的 铜 矿 总 储 存 量 当 中 ． 有 大 约 3 ， 4的储 存 量 都 深 埋在 6 0 0 m之 下的． 伴 随着对铜矿 资源不断的进行开发 ． 矿 井 就要 越来越多的进行深部开采 。所 以， 从 长远 的角度 看来 ， 对 关键 技 术 进行 相 关 的研 究 ．这 是 我 国继 续 开采 深 部 铜 矿 资源 具 有 战略 性 意 义的 重 点 课题 1冲击地压的因素分析 在进行 深部铜矿 开采的时候 ．导致 冲击地压现 象的 因素 有很 多， 比如说 ①铜矿的开采深度 。 开采的深度越大 ， 在采掘 的 空 间 范 围 内， 由于 岩体 所 形 成 的 应 力 就会 随之 变 大 ． ② 顸 底 板 岩 石 的 性质 以及 特 征 很 大 的 集 中应 力 以及 很 多 的弹 性 能 是造成冲击地压的关键 因素 ． 上述的这些要 求 ， 就对顶底板 的 岩层有很 高的要 求 ， 确保 岩层十分 坚硬 ， 由于铜 的强度很 高、 含水量比较低且有很 高的 变质程 度， 具有很 强的冲击倾 向。 ⑧ 地 质 构 造 的 影 响 。地 质构 造 比如 说 地 质 的 折 曲 倾 角 以及 断裂 甚至是厚度发 生变化 的话 ， 也会导致冲击地压的现象发 生 ； 地 表 2 各 区域 土 壤 中萱 金 属 M 的 含 量 特 征 。 质 断 裂 的 现 象 ， 就 好 像 是 一 个 开 采 的 边 界 ， 如 果朝 向 断 层 面 进 行 回采的话 ， 那 么冲击导致的危险就有很大程度的增加 ； 局部 的 倾 角 以及 厚 度 发 生 突然 的 变化 。 实际 上 ， 是 部 分 地 质 构造 几 种的地带． 就会导致冲击地压 的现 象发生。 冲击地压现 象的出现 并不是偶 然的。而是 受到上述 因素 的影响 ． 同时加上 由于地质方 面的 因素 ， 共 同导致 ， 因此 ， 冲击 地压的现象 ， 通常发生在 一定的范围之 内。 可能造成 中击地压 现 象发生的空间范围主要有 临近采空 区的地方 、 铜矿 采掘 的 工作面 、 铜矿采掘工作面朝前压力的影响 区域 、 地质 断层或 者 是 大型 地 质 构造 的 临近 地 带 、 同 时 开采 两个 铜 矿 工作 面 应 力 叠加 的 地 方 等 等 。 2 支撑压力的变化规律 2 ． 1 开采深度与支撑压力之间的关系 根 据 深 度 开 采 支 撑 压 力 变化 的规 律 有 限 元模 拟 的 结 果 进 行分析 ． 能够得知 集 中应 力 系数 K 随着开采深度的递增 而 国家 土 壤 背导 备区域 平均值 中值 最大值 最小值 对照区平均值 西省背景 标准差 分异秉 值 m g ／ k g mg ／ k g mg ／ k g r a g ／ k g 整个矿区 I 8 9 2 I 9 9 5 4 t 6 4 4 ． 0 1 9 9 0 5 2 正在采矿医 2 1 ． 6 5 2 2 4 I 6 4 4 8 8 3 9 ． 古矿未采区 6 6 7 6 ． 2 9 l 8 ． 帕 4 ． 0 l l 2 8 7 2 6 钟 2 0 2 ． 6 o 3 8 ． 9 8 远离 矿区 1 0 I I 8 7 4 2 0 ∞ 6 2 l 4 5 6 4 5 10 尾 矿坝 下 游 3 2 7 6 3 2 8 3 3 8 8 2 6 4 0 4 0 9 l2 4 8 家背号值的样品有 1 0 3个。 2 整 个矿 区 土壤 样 品 N i含 量 的 平 均 值 是 1 8 ．9 2 mg ／ k g ， 超过江 西省土壤背景值 的样品有 8 1个 ． 超 出国家土壤 背景值 的样 品有 3 7个 、 3 根 据 内梅 罗 综合 污 染指 数 评 价 法得 出 ， 整 个 矿 区和 正 在 采矿 区属 于轻度污染 ， 尾矿坝 下游属 于中度 污染， 含矿未采 区 、 远 离矿 区属 于 无 污染 4 铀矿 区各区域土壤样 品 中 C u含 量和 N i 含 量的平均 值 大 小 分 剐 是 尾 矿 坝 下 游正在 采 矿 区 整 个矿 区 含 矿 未 采 区 各 区域土壤样品 中C u 、 N i 含量在尾矿坝下游最大， 含矿 未 采取最小 正在采矿区土壤样品 中 C u含量和 N i 含量的平均值 远大于远 离矿 区和含矿未采区土壤样品 中重金 属 C u和 N i 的 平均值 ． 表 明采矿和运矿过程 中产生的废水、 废渣、 废石的迁移 和风 化 剥蚀 作 用 会 对矿 区周 边 的 土壤 重金 属 C u产 生 污 染 5 尾矿 坝下游平均值 均较 高 ， 表 明尾矿 坝 中重金 属 C u 和 N i 通过 雨水、 地表水径流或渗透作用在尾矿坝 下游地 区土 壤 中富 集 所 以对 尾 矿 坝 中的 废 水 要 经 过 处 理 并 严 格 检 查 合 格 才可 以排 放 。 。 参考文献 [ 1 ] 侩 磊 ， 钱 建平 ， 唐专武． 我 国铀矿 废渣石污 染特 点及 治理方 法【 儿 中 国矿 业 ． 2 O 1 3， 22 1 61 ～6 4 ． 『 2 1 周 永 海 ， 杨 亚 新 ， 张 叶 ． 某铀 矿 山 退 役 治 理 后 辐 射 环 境 状 况调 查 与 分析l J 1． 东华理 工大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 6 S 1 8 4 - 8 7 ． 『 3 1 朱业安． 铀矿 区土壤 重金属 污染与铀 富集植物 累积特 征研 究[ D ] ． 江 西． 东华 理 工 大 学 ， 2 0 1 3 l ～ 4 9 ． [ 4 】 黄德娟 ， 朱业安 ， 刘庆成， 等． 某铀矿 山环境土壤重金属污 染评价【 J ] ． 金 属 矿 山 ， 2 O l 3 1 1 4 6 ～ 1 4 0 ． 『 5 1 张 晶 ， 胡 宝群 ， 冯 继 光 ． 某铀 矿 山 尾 矿 坝 周 边 水 土 的 重 金 属 迁 移 规 律研 究『 J 1 ． 能源研 究与管理 ， 2 0 1 1 1 2 7 ～ 2 9 ． [ 6 ] G i i l s e r F ， E r d o g a n E ． T h e e f f e c t s o f h e a v y me t a l p o l l u t i o n o n e n z y m e a c t i v i t i e s a n d b a s a l s o il r e s p i r a t i o n o f r o a d s i d e s o i l s 『 j ] ． E n v i r o n m e n t a l mo n i t o r i n g a n d a s s e s s me n t ． 2 0 0 8 ， 1 4 5 1 1 2 7 ～ 1 3 3 ． 『 7 1 徐玉裕 ， 史 坚， 周侣 艳， 等． 杭 州地 区农业土壤 中重金属的分布特征 及其环境 意义l J 1 ． 中国环境监 测， 2 0 1 2 ， 2 8 4 7 4 ～ 8 1 ． 【 8 】 吴新 民， 李 恋卿 ， 潘根 兴 ， 等． 南京 市不 同功能城 区土壤 中重金属 C u 、 Z n、 P h和 C d的污染特征『 J ] ． 环境科学， 2 0 0 3 ， 2 4 3 1 0 5 - 1 1 1 ． 『 9 1 魏 长帅 ， 刘平辉 ， 张淑梅． 华 东某铀矿 区稻米 中 C r 元素含量及其 空 间分布特征研究rJ ] ． 安徽农业科学， 2 0 1 4 ， 4 2 1 2 3 7 0 9 - 3 7 1 0 ． 『 l O 1 何 纪力， 徐光 炎． 江西省土壤 环境 背景值研 究[ M] ． 北京 中国环境科 学 出版社 ， 2 0 0 6 1 ～ 3 l 4 ． 『 1 l 1 魏 复盛 ， 杨 国治， 蒋德珍 ， 等． 中国土壤元素 背景值基本统 计量及 其 特征『 J ] ． 中国环境监； 91 ll ， 1 9 9 7， 7 1 1 N 6 ． 收稿 日期 2 0 1 5 5 1 2 0_ ] 0 z 0∞ u 0_ 1 封 能源 地矿 L o W c A R B o N W0 R L D 2 o l 5 ， 5 不 断的减 少势头 ． 铜 矿壁前 支撑压 力的 集中程度 减少， 支撑压 力的峰值就会 出现明显 的上升 、 支撑压 力分布 的规律 是 伴 随 着开采深度 的增加 。 应力集 中的程度越 来越 少， 但是 区域 的宽 度 不 断 的提 升 。 2 ． 2 内应力场范围与开采深度之间的关系 每一种 不同的开采深度条件之下 ，支撑压 力的集 中 系数 K会伴随着开采的深度 H 的不断增加 而渐渐 降低 ，这就表 示 了伴 随着 H的递增 ， 支撑压 力的集 中程度 不断降低就是 由于 在 高应 力作 用之 下围岩被 变软、 压 裂， 由此就会增 大高应 力 区 域 的范围． 内应 力场范围会伴随着开采 的深度 的增加 而逐 渐 变宽。 依照某铜矿 实际测量的铜矿层 ， 深孔基点的 变形量还有 变形的速度 ． 可以知道此工作面 当中应力场 的范围在 1 5 m 之 上 ， 与浅部的 内应 力场相 比起 来 。 范围相 比有 了显著 的提 升 ， 如 图 l g ／ ／ m 图 1 K 一 H曲线 2 ． 3 支撑压力顺着底板传递的规律 在 深部开采的过程 当中，由于岩体 力学的性质和浅部相 比较起来有着一定的差距 ． 在 支撑压力的作用之 下． 底板岩体 的应力状 态就会有所 变化 ．传递 出来应 力的深度 和范 围不 断 扩大。通过某铜矿底板岩巷 的变形 的统计资料 。我 国能够知 道 。 开采的深度如 果达到 8 0 0 m 以上的 时候 ． 在底板 岩体 当中 支持压 力的传递深度就会 达到 8 0 m 以上 。例如 上述铜 矿水 平还有其下的巷道 ． 受到采动影响之后 ． 巷道 受到的破 损程度 就 会 明 显 的 增 加 。依 照 统 计 十 水 平 开 采 深 度 是 8 7 6 m 巷 道 的返修率大约 5 0 ％，十一水平巷道 的返修率就达到 了 7 O ％左 右 ， 但是 到了十二水平， 大部分都是 需要返修 的。 对于上面提 到的 问题 ，应该对 深部 开采支撑压力进行进 一 步的研究工作 ． 建设符 合深部岩体力学性质 的本构 关 系． 对 高应力 区域部分的规律进行 掌控 ，并且 圈定高应力 区域的分 区， 就 此对矿 山工程 的施 工与设计来进行指导。 3 地压动力的现象 由于开采深部的不断增加 ． 铜矿的应力就越 高、 铜矿储存的 弹性势能就越 大， 地压动力现象的危 险程度就会不断的增加。 我 国部 分矿 井 出现冲击地压 的初始 深度 与世 界上主要采 矿 国家的冲击地压初 始深度进行 比较 ．并且 结合 这我 国对 于 现如今 已经 出现的冲击地压 比较严重 的矿 井 当中的冲击统计 和资料 上来看 。 伴 随着开采深度的不断增加 ． 冲击地压 出现的 频率与强度 不断增加 。 4 开采场的压力 因为开采场的巷 道 围岩强度非 常低 ，等 到进入 深部之后 就会 成为深部软 岩， 并且 支撑 压力作用的范 围也是 比较 大的 ． 开采场地巷 道 自稳 的时间非常短 。 并且 来压很快 ， 底鼓巷 道的 比重增加 。 进行 支护可 以采取 U型钢拱形 支架 ． 控 制变形的能 力比较 差 ， 非常不利 与对巷道 的维护 ． 回采期 间的返修 率也是 非常的高。 因此我们就能够知道，回采巷道不能单单依靠增加支架 的承载能力来对降低 围岩的 变形进行 限制 ．应该从提 升 围岩 的 自稳 能力还有承载的能力下手 ．对 可塑性标杆 还有 围岩注 浆泄压支护等等二次支护方式进行 实验性研 究。 5 巷道地压 矿井向深部进行延伸 ， 巷道的地压机会 比较 大、 支护 困难 的矛盾就 变得非常的 突出， 巷道显现通常都是是 以底鼓 为主 ， 通过对深 井巷道现场进行观测 可知 。巷道 的底 鼓现 象拥有以 下 的 几 个特 点 1 巷道 具有比较大的底鼓量 ， 出现的底鼓的巷道比例在 不 断 的增 加 。 ’ 2 铜矿岩体 的蠕 变非常 明显 ， 深度 的逐渐 的增加 ， 巷道 的变形就会伴 随着时间的 变化而不断的发展 。 3 巷道底板岩体 的破 裂范围非常大。 4 巷道底鼓对于外界 的扰动非 常敏 感。例如 上述铜矿 的矿 底板巷道 受在 受到 到动 压的影响之后 ，十水平 下面的巷 道 采 动 受 到影 响 以后 就 应 该 进 行 返 修 。 上 面所说 的深井巷 道底鼓的现 象，是属于 因为巷道 围岩 的力学性质发 生改变以后 造成的 ，这是岩体的非稳定性状 态 而导致的 ． 是和 实践相关蠕 变的过程 。因此深巷 就应该 对围岩 一 次失稳之后 和二 次失稳 的力学机制统一的进行研究。 6 在深部开采地压控制方面出现的力学问题 经 过 对 深 部 开 采 地 压 和 支 护 问题 长 时 间 的进 行 研 究 ， 积 累 了很 多的 成 果 和 经验 ．但 是 深 井地 压 的 问题 还 是 相 当严 重 的。 有许 多具有挑战性的力学问题还应该进行解决 ， 最近 能够 进 行 研 究 的 问题如 下 1 深部开采条件之下采场支撑压 力分布的规律。 2 每个地质 的开采条件之 下 ， 地质动 力现 象和 开采 深度 有 直 接 的 关 系。 3 等到超 出临界 深度之后 ， 巷道 的围岩破 裂失稳 以后 的 力学行为进行研 究和分析 。 7 结束语 在 最近几年来我 国的铜矿深度的 开采 工作也在 不断的增 强．深部开采冲击地压是开采过程 当中一 个非 常常见的 自然 灾害。 已经受到 了国内外专 家高度的重视 。 对于冲击地压这个 典型 的开采灾 害， 应该 由影响 因素 、 产生条件 、 防范措施 以及 预测技术等等方面来进行进一步 的研 究和分析 ，尽 可能降低 或者是避免冲击地压的 出现 ．为铜矿深度开采 的工作创造 出 一 个安全和稳定的开采环境 ．加速我 国铜矿 开采的事业又好 又快的发展。 此文 当中就是结合 了矿井生产 实际． 给冲击地压 进行 了预测和预报 ， 并且很好 的破 解 了冲击地压的危害 ． 给 冲 击地压的防治以及 预测预报提供 了一 个参考。 参考文献 [ 1 】 周 鹏． 特厚铜矿 层综放开采 冲击地压防 治技 术和 实践m． 铜矿炭科 学技术学院 ， 2 0 1 1 3 9 3 5 2 9 ． [ 2 】 聂百胜 ， 何 雪琴 ， 潘大伟． 铜矿 冲击地压 的监察方 法初 探明． 山东铜 矿炭科技学报 ， 2 0 1 1 0 5 6 0 9 ～ 6 7 1 ． [ 3 】 赵祥 生， 梁春 生， 刘成丹． 钻 削法在检测冲击地压 当中的研 究和应 用 Ⅲ． 山东铜矿炭科技 学报 ， 2 0 1 0 9 1 0 6 一 l 1 2 ． 【 4 】 李华敏 ， 袁瑞普 ， 李钢锋． 综合指数法 当中地质条件影响冲击危险指 数的探 究『J ] ． 铜矿矿安全 学报 ， 2 0 1 1 1 1 1 t 9 ～ 1 2 2 ． 【 5 】 李怀珍 ， 吴 莉 ， 席春 雨． 深度 开采冲击地压发 生机理 以及 防治技术 叨． 铜矿矿安全 学报 ， 2 0 l 1 0 2 5 5 ～ 5 6 ． 收稿 日期 2 0 1 5 5 1 2 凸J 0＼ z0∞ u 0J昧 帮髻