深部开采巷道围岩稳定性监测及分析.pdf

S e ri e s N o ． 4 5 7 J u l y 2 0 1 4 金 属 矿 山 ME r AL MI NE 总 第4 5 7期 2 0 1 4 年第7期 深部 开采巷道 围岩稳定性监测及分析 任奋华 王永强 李正胜 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要随着三山岛金矿开采深度不断增加， 地应力增大、 地温升高、 涌水量和净水压力增大， 巷道围岩的变形 破坏 日益严重， 冒顶和片帮等突发工程事故发生几率增加， 作业环境恶化和生产成本急剧增加等一系列问题突出。 为了及时掌握深部巷道围岩的稳定性， 在 一 5 5 5 m水平巷道布置 3个断面收敛计、 2个多点位移计、 4个钻孔应力计 ， 分别对巷道的表面位移、 深部位移、 围岩压力进行监测。通过采集和分析监测数据， 及时准确地对巷道的围岩稳定性 做出评价， 为矿山的安全高效生产提供科学指导。 关键词监 测巷道深部开采围岩稳定性 中图分类号T D 3 2 2 ． 5 文献标志码A 文章编号1 0 0 l - 1 2 5 0 2 0 1 4 - 0 7 1 5 6 -0 4 M o n i t o r a nd Ana l y s i s o f S ur r o und i ng Ro c k S t a bi l i t y i n De e p M i ni n g Re n F e n h u a W a n g Yo ng q i a n g Li Zh e n g s h e n g S c h o o l o fC i v i l a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g， U n i v e r s i t y ofi e nee a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g， B e o ／ n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e mi n i n g d e p t h i n c r e a s i n g o f S a n s h a n d a o G o l d Mi n e ， i n c r e a s e o f g e o - s t r e s s ， g e o t e mp e r a t u r e， w a t e r i n - f l o w a n d w a t e r p u ri fi c a t i o n p r e s s u r e ma k e t h e d a ma g e a n d d e f o r ma t i o n o f s u r r o u n d i n g r o c k mo r e an d mo r e s e ri o u s ． A s e rie s o f p r o b l e ms o u t s t a n d ， s u c h a s o c c u r r e n c e p r o b a b i l i t y i n c r e a s e o f r o o f f a l l i n g ， wa l l c a v i n g and o t h e r s u d d e n e n g i n e e rin g a c c i d e n t s ， d e t e ri o r a t i o n of w o r k e n v i ron me n t a n d a s h a r p i n c r e a s e o f p r o d u c t i o n c o s t s ． I n o r d e r t o t i me l y g r a s p t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t a b i l i - t y i n d e e p mi n i n g， t h r e e i n s t r u me n t s o f t u n n e l c o n v e r g e n c e me a s u r e me n t ， t wo mu l t i p o i n t e x t e n s o me t e rs a n d f o u r b o r e h o l e s t r e s s me t e r s a r e a r r a n g e d i n 一 5 5 5 m h o riz o n t a l t u n n e l ， t o r e s p e c t i v e l y mo n i t o r s u r f a c e d i s p l a c e me n t ， d e e p d i s p l a c e me n t a n d s u r r o u n d - i n g r o c k p r e s s u r e o f t u n n e 1 ． B y c o l l e c t i n g a n d a n aly z i n g mo n i t o ri n g d a t a ， t h e s t a b i l i t y o f t u n n e l c o u n t r y r o c k i s a c c u r a t e l y e v alu - a t e d i n t i me ， wh i c h p r o v i d e s a s c i e n t i fi c g u i d e f o r s a f e a n d e f fi c i e n t p rod u c t i o n o f t h e mi n e ． Ke y wo r d s Mo n i t o rin g ， T u n n e l ， De e p mi n i n g ， S u rro u n d i n g r o c k s t a b i l i t y 随着经济的快速发展， 人们对矿产资源需求量 日 益增加 ， 矿山开采规模也不 断扩大 ， 浅部易采 的矿产 资源已经趋于枯竭 ， 深部开采是地下矿 山开采的必然 趋势 引。而近年来随着开采深度的增加 ， 地应力和 溶岩水压不断上升 ， 给深部开采巷道围岩的稳定性带 来 巨大的威胁。所以在矿山的深部开采过程中， 有必 要对巷道围岩的稳定性进行监测 ， 及时掌握巷道的安 全性能， 从而确保矿上的安全高效开采 。本文主 要介绍三山岛金 矿 一5 5 5 n l 水平巷道 围岩稳定性 的 监测手段 ， 数据的采集与分析， 以及监测期 内该巷道 的稳定性状态。 1 巷道表面位移监测 1 ． 1 监测方法 巷道表面位移监测包括两帮收敛、 顶板下沉及底 鼓的监测等。本次监测工作采用的是煤科院北京建 井所生产 的 J S S 3 0 A一3 0型数显收敛计。该收敛计量 测基线长度为0 ． 5 1 5 m， 量测精度为 0 ． 0 1 m m， 读 数精度为 4 - 0 ． 0 5 r llm， 在巷道表明位移监测中使用很 广。但是本次监测的是 一5 5 5 i n水平巷道 中段运输 巷道 采用无轨 运输 ， 故巷道底板不能安装 膨胀螺 栓 ， 只能测量巷道两帮位移和顶板下沉量。具体巷道 量测断面测量基线布置如图 1所示。 1 ． 2 监测点布置 由于三山岛金矿采用的是上 向水平充填采矿方 法 ， 采场随着采矿的向上推进不断地变动 ， 为 了长期 的监测巷道变形情况 ， 故将监测点设置在连接采场的 中段巷道， 具体各个监测点的布置如图2 所示。 收稿 日期2 0 1 4 -0 4 - 0 1 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目 编号 2 0 1 3 B AB O 2 B 0 8 ， 国家 自然科学基金重点项 目 编号 5 1 0 3 4 0 0 1 。 作者简介任奋华 1 9 6 9 一 ， 男， 副教授， 硕士研究生导师。 1 56 任奋华等 深部开采巷道围岩稳定性监测及分析 2 0 1 4年第 7期 ／ ＼ C 图 1 测线布置 Fi g． 1 M o ni t o r i ng l i n e a r r a ng e me nt 图 2 5 5 5 m 水 平巷遭监测点布置 Fi g． 2 M o nit or i ng poi nt ar r an ge m e nt o f 一5 5 5 m h o r i z o n t a l t u n n e l 1 ． 3 监测结果及分析 1 监测结果 。根据监测数据做 出 3个 断面各 测线的收敛变形值曲线如图 3所示。 2 结果分析 。根据图 3可知 ， 在整个监测过程 中， 收敛变形最大的为 2 断面 4 ． 4 ram ， 变形速率最 大值为0 ． 0 8 m m ／ d ， 最小为0 ． 0 3 m m ／ d ， 其余 1 和3 断面变形较小 ， 且基本呈现匀速增长趋势 ， 符合巷道 开挖时间较长收敛变形已经基本稳定的实际情况。 2 巷道深部位移监测 2 ． 1监测方法 深部开采过程 中， 由于较大的岩层压力作用 ， 将 导致巷道围岩不同深部均发生位移， 而深部位移发展 到一定程度终将反映到巷道围岩表面变形 J 。因此 及时掌握巷道围岩深部的位移变化情况对判 断巷道 围岩稳定性十分重要。本次巷道深部位移监测使用 的是 自行设计的锚固式多点位移计 ， 其特点是能够连 续监测钻孔 内不同深度处的岩层 移动情况 。如图 4 所示 ， 它主要包括 内管、 圆盘、 量测钢 丝和钢爪 4部 分。监测过程 中， 通过测量钢丝距离孔 口参照点的距 昌 鲁 吕 面 龄 目 脚 时 间／ d b断面2 时 间／ d c 断面3 图 3 断面各测线收敛变形值 曲线 Fi g． 3 Co nve r ge nc e de f o r mat i o n c ur v e o f e a c h m e a s u rin g l i n e a t s e c t i o n s _ A 日测线 ； A c测线 ； ▲ 一日 c测线 离来计算 围岩深部的位移变化。 图 4位 移 计 结 构 Fi g． 4 St r uc t u r e s ke t c h of e xt e ns o me t e r 1 一内管 ； 2 一 圆盘； 3 一量测钢丝 ； 4 一 钢爪 2 ． 2监测点布置 本次监测工作在 一5 5 5 m水平巷道布设 2个多 点位移计钻孔 ， 如图 2所示。在每一个钻孔 内放置 4 个位移计 ， 距 离洞 口的距 离 由深到 浅依 次为 1 8 m 1 5 7 5 O 5 0 5 0 5 0 5 3 3 2 2 l l O 0 总第4 5 7期 金 属 矿 山 2 0 1 4年第7期 1 、 1 3 m 2 件 、 8 m 3 和 3 m 4 。具体位移 计测点断面布置如图 5所示 。 巷 道 图 5位移计 测点布置 断面 Fi g． 5 M o ni t o r i ng po i nt s a r r a nge m e n t s e ct i o i l o f e xt e ns ome t e r 2 ． 3 监测结果及分析 1 监测结果 。利用精确度高的尺子测量钢丝 自由端距孑 L 口参考点的距离 ， 计算各个位移计相对于 孔 口的位移量 ， 然后在表面位移的基础上 ， 计算 出各 点的绝对位移。具体各测点深部位移变化曲线如图 6 鲁 点 蚓 毯 O 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0 0 1 2 0 时间， d a 深部位移监测点1 0 2 O 4 0 6 O 8 O 1 o o 1 2 0 时间／ d b 深部位移监测点2 图 6 深部位移随 时间变化 曲线 F i g ． 6 De e p d i s p l a c e me n t v a r i a t i o n c u r v e s wi t h t i m e - ； ●一 3 ； ▲ _ 2 ； v 一 1 2 结果分析。从图 6可知 l 监测 点位移基本 上处于匀速增长， 这是由于该点附近采场在监测期内 基本没有进行开采 ， 受采动影响较小。2 监测 点开 始阶段位移增加量较大 ， 变形速度较快 ， 这是 因为受 附近采场 回采的影响 ， 处于应力增长 区， 中间由于采 1 5 8 场进行了充填 ， 应力重新分布 ， 巷道围岩应力变小 ， 位 移速度减慢 ， 后期 由于新的开采 ， 位移量又开始缓慢 增加 。 3 巷道围岩压力监测 3 ． 1 监测方法 矿山压力是指在采矿时， 在巷道、 硐室和回采工 作面周围的岩体上引起 的力的统称。矿 山压力显现 是指 由于巷道和采矿工作面周 围应力 的重分布 ， 常引 起围岩变形 、 移动和破坏等现象 。由于深部开采 巷道所处深度较大 ， 使巷道 围岩具有高应力的特点 ， 而巷道局部 围岩压力过大 ， 势必造成 围岩变形 量加 大 ， 进而引发巷道局部破坏。因而及时掌握巷道围岩 压力 的分布情况及变化规律有助于准确判断巷道 围 岩的稳定性 1 H J 。在本次围岩压力监测 中采用 的是 Z L G H型钻孔测力计和 G S J 一2 A型振弦式数据存储 器。利用数据存储器对安装在钻孔内的钻孔测力计 读取数据， 通过分析各个钻孔测力计压力值 的变化 ， 进一步得 出围岩压力变化规律 。 3 ． 2 监测点布置 在 一 5 5 5 m水平巷道共布设 4个 围岩压力监测 点 ， 钻孔深度 3 ． 5～4 r n ， 孔径 4 2 mm， 具体各个测点 的位置如图 2所示 。 3 ． 3 监 测结 果及分 析 1 监测结果。根据测量结果 ， 计算 出各个测点 与各时间对应的围岩压力值 ， 绘出压力值随监测时间 变化的曲线图 ， 如 图7所示。 0 2 0 40 6 0 8 0 1 o0 时间， d 图7围岩压 力变化 曲线 F i g ． 7 Va r i a t i o n c u r v e s o f s u r r o u n d i n g r o c k p r e s s ur e i-- 1 ； ●_ 2 ； ▲ _ 3 ； v 2 结果分析。从图 7可 以看 出， 1 和 2 监测点 的围压波动范围较小 ， 这是 因为附近采场在监测期 内 基本上没有开采 ， 所以围压变化很小 。1 点缓慢增加 是因为附近开挖 了 1个小型硐室， 导致 围压压力有所 集中。3 和 4 点监测数据均开始下降 ， 后期上升 ， 主 要是受采矿影响 ， 先是原有采空区被充填 ， 周 围应力 重新分布， 充填区开始承受压力， 导致测点围压降低 ， 之后 由于新 的开采 ， 导致压力集 中， 围压上升。 5 O 5 O 5 O 5 0 5 0 5 5 4 4 3 3 2 2 1 l O O 0 0 0 O O 0 O 0 O 5 O 5 O 5 O 5 O 4 3 3 2 2 l 1 O 6 5 4 3 2 1 O gu v _害 任奋华等 深部开采巷道 围岩稳定性监测及分析 2 0 1 4年第7期 4 结论 1 2 断面收敛监测点变形值达 4 ． 4 mlT I ， 最大变 形速率达 0 ． 0 8 mm ／ d ， 表明该处巷道两帮收敛变形较 大 ， 巷道处于欠稳定状态 ， 需对该处巷道加密监测 ， 必 要时采取加强支护措施 。 2 深部位移 ， 围压压力变化 明显时均为矿 区相 近采场施工时段 ， 表明采动对该巷道围岩稳定性影响 较大， 为了防止安全事故的发生 ， 在采场开采 时应进 一 步加强支护和监测。 3 由深部位移监测 点 2和 2 断面收敛监测点 数据得出 深部巷道围岩变形发展到一定程度必然会 以巷道表面位移的形式显现， 通过深部位移监测和表 面位移监测分析 ， 可有效得 出监测巷道围岩变形时间 和空间规律 ， 为深部开采二次加强支护提供可靠的依 据。 4 深部位移和 围岩压力在采 空区充 填前后变 化明显 ， 表明深部开采过程破坏了采场围岩的原始稳 定性 ， 采取及时充填采空区的方法 ， 可有效缓解地压 冲击 ， 减轻围岩破裂扩展程度 ， 有助于围岩保持稳定 性 参考文献 [ 1 ] 赵文斌 ， 阎南 ， 蔡增祥 ． 浅论我 国金属矿 山采矿技 术现状 与发 展趋势[ J ] ． 有色金属设计 ， 2 0 1 1 ， 3 8 3 1 - 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