小铁山矿深部开采巷道变形监测与分析.pdf

ISSN 1671-2900 CN 43-1347/TD 采 矿 技 术 第17卷第5期 Mining Technology, Vol. 17,No. 5 2017年9月 Sep. 2017 小 铁 山 矿 深 部 开 采 巷 道 变 形 监 测 与 分 析 孟慧媚， 刘武团， 高 忠 西北矿冶研究院，甘 肃 白 银 市 730900 摘要摘要 随着小铁山矿采矿作业向深部拓展， 受地应力和岩性分布的影响， 地压活动频繁， 引发的地压活动危害问题更为突出。为 减 少 深 部 开采地压灾害的不利影响， 通过对矿山 开采巷道围岩的变形监测， 分析深部高应力条件下巷道围岩变形特征， 制定出适合矿山的 支护措施， 有效减少了二次支护成本， 对保证矿山安全生产具有重要指导意义。 关 键 词 关 键 词 深部开采； 变形监测； 巷 道 支 护 ； 松动圈 近年来随着开采深度的增加， 地应力不断上升， 给 深 部 开 采 巷 道 围 岩 的 稳 定 性 带 来 巨 大 的 威 胁[-1]。为 了 使 小 铁 山 矿 山 安 全 高 效 生 产 ， 通过深 部开采巷道的收敛变形监测， 以及巷道围岩松动圈 厚度的测试与分析评价围岩稳定性， 提供巷道支护 最佳时间段； 成功指导了矿山支护措施的制定。 小铁山矿是国内罕见的地下开采多金属中型矿 山 ， 该矿矿床为多成因、 多期成矿的复合型海相火山 岩层控矿床， 现已生产到八中段（ 1424 m及以下矿 体 。该 地 段 内 赋 存 有 大 小 矿 体 8 个 ， 矿体上盘围岩 为硅质千枚岩、 绿 泥 石 片 岩 、 凝 灰 质 千 枚 岩 、 石英角 斑 岩 ， 硅 化 强 烈 ， 片 理 不 发 育 ， 岩石抗压强度及硬度 系数较大， 稳 固 性 较 高 。矿体下盘围岩一般为石英 角斑凝灰岩， 绢云母化强烈， 硅 化 中 等 ， 片理发育， 岩 性 较 软 ， 岩 石 抗 压 强 度 及 硬 度 系 数 较 小 ， 稳固性较 差 。含矿岩组为绿泥石化石英角斑岩， 岩石 破 碎 ， 片 理 发 育 ， 为 不 稳 定 岩 组 ， 在 采 矿 过 程 中 易 冒 顶 及 片 落 。破碎带岩组主要为下盘石英钠长斑岩与石英角 斑凝灰岩的接触带， 该岩带的稳定性差， 片 落 、 冒顶、 跨塌现象常见。随 着 采 矿 作 业 向 深 部 拓 展 ， 引发的 地压活动危害问题将变得更为突出， 为减少深部开 采地压灾害的不利影响， 加强小铁山矿围岩巷道变 形 监 测 ， 测试巷道围岩松动圈厚度以及分析深部高 应力条件下巷道围岩变形特征， 制定适合矿山的支 护措施等是非常必要的[12]。 1 工 程 概 况 1.1 1.1 监测原理 本次巷道围岩收敛监测使用JSS30A型数显收 敛 计 ， 用于量测隧道、 巷 道 、 峒室及其它工程围岩周 边 任意方向两点间的距离微小变化， 达到评定工程 稳 定 性 ， 研究工程围岩及支护的变形发展规律， 确定 合理支护参数的目的。 1 . 2 测点布置1 . 2 测点布置 经 过 与 矿 山 讨 论 并 实 地 勘 察 ， 最终确定小铁山 巷 道 围 岩 收 敛 监 测 点 位 置 共 4 处 ， 分别监测巷道的 水 平 位 移 和 垂 直 位 移 变 化 情 况 ， 监测点位置如下 1416 m水 平 1200穿 脉 ； 1416 m水 平 1050穿脉; 1364 m水 平 1000穿 脉 ； 1304 m水 平 斜 坡 道 联 络 道 。在 每 个 观 测 断 面 分 别 设 置 4 个 测 点 ， 即在巷道 两 邦 、 顶 底 板 各 设 1 个 测 点 ， 巷道围岩收敛监测测点 布 置 见 图 1。 图 1巷 道 围 岩 收 敛 监 测 测 点 布 置图 1巷 道 围 岩 收 敛 监 测 测 点 布 置 1 . 3 监测结果1 . 3 监测结果 根 据 测 量 结 果 ， 监测点垂直位移和水平位移如 图 2 和 图 3 所 示 。 2 巷 道 松 动 圈 测 试 2 . 1 测试原理2 . 1 测试原理 巷 道 松 动 圈 测 试 采 用S R-R C T松 动 圈 测 试 仪 ， 本仪器应用于岩体测试， 通过对被测岩体声波参 数 的 测 试 ， 可以对岩体内部结构进行分析， 判断岩体 内部破坏情况， 确定巷道松动圈范围。 50 采矿技术2017,75 图 2各 测 点 垂 直 位 移图 2各 测 点 垂 直 位 移 图 3各 测 点 水 平 位 移图 3各 测 点 水 平 位 移 2 . 2 测点布置2 . 2 测点布置 根 据 小 铁 山 岩 性 和 地 应 力 场 分 析 ， 结合小铁山 生产现状并进行现场实地调查， 确定小铁山巷道松 动 圈 测 试 地 点 6 处 ， 分 别 为 1452 m水 平 775穿脉 M n3;1416m 水平 850 穿 脉 （M n3;1416m 水平 850线 以 西 沿 脉 巷 （M n3; 1364 m水 平 8 5 0 穿脉 M n3; 1364 m水 平 8 0 0 线 以 东 沿 脉 巷 （M n3; 1316 m水平斜坡道（M n。 ） 。 2 . 3 监测结果2 . 3 监测结果 通 过 对 小 铁 山 矿 巷 道 进 行 松 动 圈 测 试 ， 得到各 测孔的声波曲线， 由该曲线可以判断沿孔深方向不 同测点的声速声时） 以测孔中不同深度的纵波速 度为纵坐标， 孔深为横坐标， 做出沿孔深方向不同测 点的声波曲线， 即曲线， 找出曲线上的突变 点 ， 其 所 对 应 的 孔 深 就 为 该 孔 的 松 动 圈 范 围 值 [13。 各测试地点的松动圈测试结果如表1 所 示 。 表 1各 测 试 地 点 的 松 动 圈 测 试 结 果表 1各 测 试 地 点 的 松 动 圈 测 试 结 果 测点 测孔的松动圈范围/ m 1234 1452 m 水 平 775穿脉巷道断面 1.21.21.81.2 1416 m 水 平 850沿脉巷道断面 2.43.22.62.4 1416 m 水 平 850穿脉巷道断面 1.61.41.41.2 1364 m 水 平 800穿脉巷道断面 0.81.21.00.6 1364 m 水 平 800沿脉巷道断面 2.02.21.81.6 1304 m 水平斜坡道巷道断面 1.41.62.01.8 2 . 4 巷道围岩松动圈理论分析2 . 4 巷道围岩松动圈理论分析 当 工 程 岩 体 处 在 岩 石 应 力 一 应 变 弹 塑 性 阶 段 时 ， 可釆用弹塑性力学的方法进行分析， 则可以应用 到 超 过 脆 一 延 转 化 围 岩 的 全 部 应 力 一 应 变 曲 线 区 域 。针 对 高 应 力 围 岩 进 行 弹 塑 性 分 析 时 ， 本文将做 出如下假设深埋圆形平巷且巷道近似无限长;原岩 应力各向等压； 围岩为理想弹塑性体;符合一般理想 塑性材料的体积应变为零的假设， 不考虑剪胀效应。 在 基 本 理 论 方 程 和 边 界 条 件 下 ， 经计算得到破 碎 区 半 径 R p R s inp 1 p C c o tp 1 Ccotcp 式 中，R 0为 巷 道 等 效 半 径，mp为 原 岩 应 力，M P a; C为岩体内聚力，M P a P为岩体内摩擦角，（ 。 小铁山各中段的运输巷道采用下盘沿脉平巷与 穿脉组成的尽头式运输方式， 各运输巷道主要布置 在矿体下盘， 因此本次计算以矿体下盘的石英角斑 凝灰岩作为主要考虑对象， 石英角斑凝灰岩物理力 学 参 数 见 表 2。 表 2石 英 角 斑 凝 灰 岩 物 理 力 学 参 数表 2石 英 角 斑 凝 灰 岩 物 理 力 学 参 数 密度 /g/cm3 弹模 ,/GPa 泊松比 内聚力 /MPa 摩擦角 / 抗拉强度 /MPa 抗压强度 /MPa 2. 59 330.22 1. 33 38 3. 3526. 4 根据现场调研， 小 铁 山 巷 道 破 坏 情 况 以 1416 m 水平沿脉巷道最有代表性， 因 此 本 次 计 算 以 1416 m 水平为例。根据小铁山地形地质图可知， 1416 m水 平 950〜825线沿脉巷道的 埋 深 约 为 484 m， 根据小 铁山地应力水 平 最 大 应 力 与 垂 直 应 力 拟 合 公 式 ， 计 算 出 1416 m水 平 最 大 应 力 为 31 85 M P a,垂直应 力为 21. 33 M P a。 由于分段沿脉平巷布置在矿体下盘与辅助斜坡 道相连， 断 面 3. 6 m X4. 0 m， 根 据 面积等效原理， 计 算出巷道的等效半径R 2. 14 m;那 么 小 铁 山 1416 m水平沿脉巷道围岩松动圈理论计算值R p为 R p R 1. 44 m p C c o tp 1 sinp C c o tp 同理， 八 中 段 及 以 下 围 岩 松 动 圈 计 算 值 见 表 3, 围岩松动圈计算值与垂直应力关系见图4。 表 3八 中 段 以 下 围 岩 松 动 圈 计 算 值表 3八 中 段 以 下 围 岩 松 动 圈 计 算 值 中段序号 中段标高/m垂直应力/MPa松动圈范围,/m 八142421. 031. 43 九1364 23. 301. 53 十130425. 571. 64 孟 慧 媚 ， 等 小 铁 山 矿 深 部 开 采 巷 道 变 形 监 测 与 分 析 51 18 1 1 ------18 1 1 ------J-----1-----■_-----1-----■_ i__I ------■-----------■-----Li----11.30----11.30 八中段 九 中 段 十 中 段 巷道中段/m 图 4八 中 段 以 下 围 岩 松 动 圈 计 算 值 与 垂 直 应 力 关 系图 4八 中 段 以 下 围 岩 松 动 圈 计 算 值 与 垂 直 应 力 关 系 3 小 铁 山 矿 深 部 矿 压 显 现 分 析 [|4] 3 3.1巷道收敛变形监测分析1巷道收敛变形监测分析 由 图 2 和 图 3 可 以 看 出 ， 小铁山断面的水平位 移和垂直位移在断面开挖1 周 后 ， 围岩变形加速， 明 显的变形约在开挖后的7〜2 1d, ,因此支护应该在变 形加速前及时进行， 从而以支护构件的支护反力约 束围岩变形。分 析 小 铁 山 巷 道 位 移 变 形 的 斜 率，，巷 道 断 面 位 移 在 1 4d的时候变形加速明显， 因而巷道 断 面 支 护 时 间 应 在 1 4d之 前 ， 而本次监测点多数位 于穿脉巷道中， 且穿脉巷道的长度较短， 周围的开挖 影响范围较小，，考虑到正常的米动影响，，建议小铁山 穿脉巷道的支护时间为断面开挖后8〜1 0d。 由 于 沿 脉 巷 道 担任阶段内的运输任务，，布置测 点影响正常的出矿活动， 沿 脉 巷 道 没 有 监 测 点 。根 据 之 前 小 铁 山 巷 道现场破坏调查结果，，沿脉巷道与 最大水平应力近似垂直，，且岩层层理方向与沿脉巷 道方向近似平行，，这样造成沿脉巷道比穿脉巷道变 形 严 重，，因此沿脉巷道变形加速阶段应该比穿脉巷 道 更 早，，同 时 结 合 国 内 相 关 深 井 软 岩 变 形 的 文 献[1517]， 合 理 的 支 护 时 间 约 在 1 周 左 右 ， 因此综合考 虑小铁山沿脉巷道的支护时间应为5〜7d。 3 . 2 巷道松动圈测试分析3 . 2 巷道松动圈测试分析 通 过 现 场 测 试 小 铁 山 巷 道 断 面 围 岩 松 动 圈 ， 结 果 表 明 穿 脉 巷 道 的 多 数 围 岩 松 动 圈 在 1. 5 m范围 以 内 ， 与理论值相近； 而 沿 脉 巷 道 围 岩 松 动 圈 在 1. 6 〜3.2 m范 围 之 内 ， 普遍大于理论值， 这是由于巷道 支护形式和支护方法单一，，同时支护锚杆未进人基 岩 ， 导 致 锚 杆 锚 固 不 牢 ， 另 外 支 护 措 施 没 有 及 时 跟 进 ， 没有起到限制围岩变形的效果， 在原岩应力的作 用 下，，围岩松动圈继续发展，，裂隙逐渐发展为裂缝引 起 局 部 岩 体 松 动 ， 甚 至 发 生 局 部 顶 板 冒 顶 ， 如 1416 m水 平 850沿 脉 出 现 数 次 冒 顶 事 件，因 此，选择合 理的支护方式和支护时机对于限制围岩松动圈具有 重要的意义。 3 3.3巷道支护措施3巷道支护措施 根 据 以 上 巷 道 变 形 监 测 与 分 析，结合小铁山矿 巷道围岩特性、 原岩应力分布特征及巷道破坏特征， 提出如下巷道支护方案 穿 脉 巷 道在 初 期 支 护 8〜1 0d后，首先在顶板 和两帮进行打眼，然后进行挂网和安装锚杆，锚杆之 间 用W型钢带连接，这样钢带能够提高锚杆整体支 护 效 果 ， 最后进行混凝土喷层， 使凝灰岩与外界水分 进 行 隔 离 ， 同 时 混 凝 土 喷 层 使 金 属 网 、 锚 杆 、 钢带与 围岩重新组合，形 成 加 固 拱，共 同 阻 止 拱 外 围 岩 变 形，限制巷道围岩松动。 沿 脉 巷 道在 初 期 混 凝 土 喷 层 支 护 5〜7d后进 行二次支护，首先在顶板和两帮进行打眼，然后进行 挂 网，在顶板位置锚索与锚杆支护，把锚索锚固至围 岩 深 部 ， 并 施 加 预 应 力 。这 样 在 巷 道 支 护 中 ， 锚 杆 、 锚索配合使用， 形 成 锚 杆 、 预 应 力 锚 索 的 加 固 群 体 ， 相邻的锚杆、锚 索 的 作 用 力 相 互 叠 加，组 合成一个 “ 承载层”，这个新的承载层厚度比单用锚杆成倍增 加，能使围岩发挥出更大的承载作用。 4 结论 1 根 据 巷 道 收 敛 监 测 ， 分析数据得出小铁山 沿 脉 巷 道 最 佳 支 护 时 机 为 5〜7d,穿脉巷道的最佳 支 护 时 机 为 8〜1 0d; 2 对 巷 道 断 面 围 岩 松 动 圈 进 行 现 场 测 试 ， 结 果 表 明 穿 脉 巷 道 的 多 数 围 岩 松 动 圈 在 1. 5 m范围 以 内，沿脉巷道围岩松动圈在2〜3 m范围之内； 根 据 小 铁 山 巷 道 变 形 监 测 与 分 析，结合巷 道围岩特性、原岩应力分布特征及巷道破坏特征，穿 脉 巷 道 采 用 喷 网 锚 支 护 方 案，沿脉巷道采用喷 网 锚 索 带 支 护 方 案 。 参 考 文 献 参 考 文 献 [ ] 何丽华， 刘芳芳， 沈 旭 ， 等.狮子山矿深部开采运输主巷的 稳 定 性 分 析 云 南 冶 金 ， 2017,4 6 3 1-4,39. 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[ 2 ] 冶小平， 孙 强 . 某 软 岩 巷 道 围 岩 变 形 监 测 研 究 西 部 探 上 接 第 4 4 页 ）上 接 第 4 4 页 ） 解出的频率最高、 幅度最大的一个分量， 所占能量也 大;之后， 源信号被依次分解出剩余的1 0 个I M F分 量，越 往 后，I MF分 量 的 时 间 尺 度 越 长、频 率 也 越 低 ， 结 合 声 发 射 信 号I MF分 量 一 幅 度 二 维 色 图 可 知随 着E M D分 解，I M F分量波形变化特征从高频 到 低 频、从 大 幅 度 到 小 幅 度、从 大 能 量 到 小 能 量，时 间尺度也越来越长。 单轴压缩荷载作用下， 变 粒 岩 试 样b1 破裂 过 程 声 发 射 信 号E M D能 量 熵 值 总 体 上 在 [1. 2, 1. 6 ]区间波动， 熵 值 在 总 采 样 点 数 的 9 0 处出现异 常下降现象，熵 值 最 小 可 达 约 0. 85,变 粒 岩 试 样b2 声 发 射 信 号E M D能 量 熵 值 同 样 在 [1. 2,1. 6]区间 波 动 ， 在 总 采 样 点 数 约 8 0 处出现异常下降且保持 状 态，熵 值 最 小 可 达 约 0. 9,随后便恢复正常并有较 大 回 升 ， 熵 值 超 过 1 6 。由 此可见， 变粒岩在接近脆 性 破 坏 时，其 声 发 射 信 号E M D能量熵会出现先异 常下降后再回升。 3单轴压缩荷载作用下，石 灰 岩 试 样h1 破裂 过 程 声 发 射 信 号E M D能 量 熵 值 总 体 上 在 [1. 0, 1. 5 ]区 间 波 动 ， 在 总 采 样 点 数 约 8 8 〜 9 5 处 ， E M D能量熵出现连续“ 下降一回升” 异 常 ， 最小可下 降 至 0. 6 5 左 右 ， 最 大 可 回 升 至 约 1. 7;表现出与变 粒岩相似的变化特征。 矿工程，200910 108-110,13. [ 3 ] 杨旭旭， 王文庆， 靖洪文.围岩松动圈常用测试方法分析与比 较[ ] . 煤炭科学技术，201208 1-5 ,4. [ 4 ] 钱鸣高， 石平五， 许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐 州 中 国矿业大学出版社，2010. 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