混凝土礦柱嗣后充填法采場穩(wěn)定性監(jiān)測與分析

張曉樸 官在平 王湖鑫 張 達 周 磊

(1.北京礦冶研究總院，北京 100260；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 100260;3.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

混凝土礦柱嗣后充填法采場穩(wěn)定性監(jiān)測與分析

張曉樸1，2官在平3王湖鑫1，2張 達1，2周 磊3

(1.北京礦冶研究總院，北京 100260；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 100260;3.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

興隆磷礦為提高資源回收率，采用兩步驟回采法，先礦柱膠結充填，后礦房廢石充填。為保障作業(yè)的安全，驗證膠結礦柱的強度，優(yōu)化采場結構參數，采用區(qū)域的微震監(jiān)測與局部的點監(jiān)測相結合的方式，對膠結礦柱及頂板覆巖應力顯現進行立體、實時動態(tài)監(jiān)測。通過分析開采過程中獲取的應力、應變及位移變化數據，得到了回采工作面前方的采動超前影響距離約為20 m；當礦房回采跨度約36 m時，覆巖累積應力集中較大，頂板局部會有冒落，但采場頂板移動誘發(fā)的應力遠小于膠結混凝土礦柱強度，膠結礦柱無破壞。結果表明：采用兩步驟回采嗣后充填的開采方法及采場結構參數等，能夠保證采場穩(wěn)定。該監(jiān)測方法能夠及時準確地為采場穩(wěn)定性做出評價，為安全高效生產提供指導。

膠結礦柱 嗣后充填 監(jiān)測 采場穩(wěn)定性

隨著礦產資源的日漸枯竭、充分利用資源及環(huán)境保護意識的增強，許多礦山為提高礦石回收率、延長企業(yè)服務年限而采用充填法開采，國內一些設計崩落法開采的礦山也開始逐漸向充填法轉變[1]。嗣后充填法具有回采效率高、資源回采強度大，同時能充分利用尾礦減小礦山用地、改善地下采礦環(huán)境及控制地表沉陷的特點[2]。但嗣后充填法對礦巖穩(wěn)定性要求高，特別是礦房接近開采完成時，礦柱受覆巖載荷應力集中加劇，有些礦柱在礦房空區(qū)未充填前就發(fā)生失穩(wěn)，直接影響整個采場的穩(wěn)定性。國內學者對礦柱穩(wěn)定性進行了深入的研究，李俊平[3]應用材料力學和梁的假說理論，推導了礦柱間距公式，為礦山設計提供了依據；李江騰[4]應用斷裂力學理論探討了硬巖礦柱初始裂紋在上覆巖層作用下貫通形成層狀結構的機理；徐文彬等[1]分別應用厚跨比法、結構力學梁理論以及普氏拱理論對礦柱進行了研究，獲得了嗣后采場破壞模型以及采場失穩(wěn)演化的過程；王施璐等[5]采用力學理論及正交敏感性極差分析結合的方法，分析了影響礦柱穩(wěn)定性的原因。從許多學者對充填采礦法安全的重視程度可知，覆巖及礦柱穩(wěn)定性直接決定著嗣后采場的安全。

興隆磷礦1 120 m水平采場為提高礦山回收率，控制采場地壓活動，利用嗣后充填開采法。開采過程中首先采用礦柱膠結充填，再采用廢石嗣后充填的方法進行礦房的回采，因此礦房開采過程中覆巖移動變形及膠結礦柱強度能否承受誘發(fā)應力將給采場穩(wěn)定性及采礦安全帶來巨大的威脅，為此在膠結礦柱嗣后充填開采過程中，有必要對膠結礦柱及采場覆巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測，及時掌握采場的安全性能，從而確保礦山的安全高效開采。

1 工程概況

興隆磷礦礦層沿拜臺溝西南岸出露于地表，礦層走向延伸長約1 300 m，傾向延深約為1 400 m。磷礦層底板高程最高1 320 m，最低1 060 m，相對高差290 m。磷礦層在礦段內呈層狀連續(xù)產出，走向NE50°～60°—SW230°～240°，總體傾向南東，8°～16°，為單一緩傾斜礦層。礦山原有淺孔全面留礦法成本低、經濟效益明顯。隨著持續(xù)開采，形成大面積采空區(qū)，其殘留礦石資源后期回收難度較大、回采效率低、采空區(qū)處理工程大且安全風險高，地表廢石難以有效利用，為此礦方選擇兩步驟回采嗣后充填法提高礦山回采率、降低安全風險。1 120 m水平采場內1#、2#、3#混凝土膠結礦柱寬4 m，A、B 2礦房寬8.5 m，膠結礦柱與礦房交錯平行沿傾向分布，長度約60 m，A、B礦房采用交替向前回采的方法，采場內膠結礦柱及礦房布置見圖1。

圖1 采場布局及監(jiān)測點布置

隨著礦房回采推進，可能會誘發(fā)采場內覆巖移動變形、冒落，甚至誘發(fā)1#、2#和3#混凝土礦柱應力集中而破壞失穩(wěn)，導致采場圍巖失穩(wěn)。在該背景下，采用局部點監(jiān)測方式的應力、應變及位移手段與大尺度區(qū)域監(jiān)測方式的微震手段相結合的綜合監(jiān)測方法，對兩步驟嗣后充填的采場進行安全監(jiān)測，研究采場地壓變化規(guī)律，保障其穩(wěn)定性。

2 監(jiān)測方法

2.1 點監(jiān)測方法

應力、應變及位移是成熟的局部點式監(jiān)測方法，該種方法監(jiān)測范圍小、原理簡單、數據直觀，廣泛用于礦山巷道、采場等圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測，掌握采礦過程中巷道、采場工作面周圍巖體顯現的礦山壓力。礦山壓力顯現是指由于巷道和采礦工作面周圍應力的重分布，引起的圍巖移動、變形和破壞現象[6-7]。兩步驟回采嗣后充填開采過程中，由于較大的巖層應力作用，將導致采場圍巖發(fā)生不同程度的移動變形，圍巖移動變形發(fā)展的一定程度將反映到覆巖表面變形及膠結礦柱應力聚集，進而引起采場穩(wěn)定性下降而發(fā)生動力災害事故。因而及時掌握采場膠結礦柱應力應變、覆巖移動變形的分布情況及變化規(guī)律，對于準確判斷采場穩(wěn)定性有十分重要的作用。

本次礦山壓力顯現監(jiān)測采用北京礦冶研究總院研發(fā)的一體化采集基站，可以實現混凝土應力計、混凝土應變計及頂板拉線位移計等多信息的一體化采集。應力計與應變計首先分別綁扎在不同鋼筋上，再埋入混凝土中，它們是通過振弦頻率的變化反饋混凝土受力和變形，進而推算礦柱受力和應變。頂板位移計的一端固定在巷道側壁，另一端的拉繩固定在頂板上，通過拉繩伸縮變化推算頂板的沉降。應力計、應變計和頂板位移計與采集基站相連，實時采集混凝土應力、混凝土應變及頂板位移數據，通過總結應力、應變及位移值的變化，分析采場覆巖及礦柱地壓活動變化規(guī)律。采集的應力、應變和位移數據正負含義分別為：應力為正是壓力，應力為負是拉力；應變?yōu)檎抢欤瑧優(yōu)樨撌菈嚎s；位移為正是下沉，位移為負是抬升。

混凝土應力計、應變計監(jiān)測點分別安裝在1#、2#及3#混凝土礦柱的中間部位。頂板位移計監(jiān)測點安裝在混凝土礦柱一端與頂板結合的部位。具體各個測點的位置如圖1所示。

2.2 區(qū)域監(jiān)測方法

巖體在內、外力的作用下，其內部將產生局部彈塑性能集中現象，當能量集中的某一臨界值后，就會引起巖體微裂隙的產生和擴展，微裂隙的產生和擴展伴隨著彈性波或者應力波的釋放并在周圍巖體內快速傳播，這種彈性波的現象稱為微震。當微破裂以彈性能釋放的形成彈性波，被安裝在有效范圍內的傳感器接收，利用多個傳感器接收的彈性波信息，通過反演的方法即可以得到巖體的微破裂發(fā)生的時刻、位置和強度等微破裂信息。根據這些信息即可以推斷巖體宏觀破裂發(fā)展趨勢[8]。因此微震監(jiān)測是一種技術先進、成熟度高的區(qū)域監(jiān)測方法，可以對傳感器包絡內的巖體進行高精度的監(jiān)測。

本次監(jiān)測采用的是加拿大MMS微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)專為礦山微震監(jiān)測設計，具有準確度高、穩(wěn)定性好、數據分析迅速等優(yōu)點。能夠對井下發(fā)生的巖爆、頂板垮落、偏幫等礦山動力災害實施連續(xù)監(jiān)測，通過對采集數據的分析，可以獲取應力集中誘發(fā)的巖體破裂位置、釋放能量及震級大小等多項參數。為了能夠長期監(jiān)測兩步驟回采嗣后充填采場內的地壓活動情況，故將微震傳感器布設在采場四周。

3 監(jiān)測結果

2014年7月底1#、2#和3#混凝土礦柱完成膠結充填，2014年9月1日應力、應變監(jiān)測系統(tǒng)開始正常運行，2014年9月29日頂板位移監(jiān)測系統(tǒng)開始正常運行。2014年10月4日A、B 2礦房開始進行交替回采，到2014年12月31日A、B礦房回采結束。為保護系統(tǒng)設備安全，2014年12月28日系統(tǒng)關閉。本次采場穩(wěn)定性分析主要采用A、B礦房回采前及過程中獲取的監(jiān)測數據，即為2014-09-01—2014-12-28期間獲取的數據。針對該時間段數據重點分析影響采場穩(wěn)定的膠結混凝土礦柱應力聚集及覆巖移動變形的變化規(guī)律。

(1)應力數據。根據監(jiān)測結果，計算每個測點與對應時間的應力值，繪制應力值隨時間的變化曲線，見圖2。

圖2 應力監(jiān)測點隨時間變化曲線

根據圖2可知，A、B礦房回采前的34 d內，即9月1日至10月4日，各監(jiān)測點應力值比較穩(wěn)定，沒有出現很大的波動和變化；開采后的約45 d內，即10月4日至11月19日，各點應力值比較平穩(wěn)，沒有出現波動和變化；從開采后第46 d，即11月20日，3#應力值開始緩慢的增加，并在約5 d后，1#、2#應力值也開始逐漸的增加，到開采結束時各點應力監(jiān)測值達到最大值，分別約為0.9、0.6和2 MPa。

(2)應變數據。根據監(jiān)測結果，計算每個測點與對應時間的應變值，繪制應變值隨時間的變化曲線，見圖3。

圖3 應變監(jiān)測點隨時間變化曲線

根據圖3可知，A、B礦房回采前的34 d，即9月1日至10月4日，各監(jiān)測點應變值存在緩慢減小的趨勢，但總體上比較穩(wěn)定，沒有出現很大的波動和變化；開采后的約43 d內，即10月4日至11月15日，各點應變值繼續(xù)存在緩慢減小情況，但整體上沒有出現急劇的波動和變化；從開采后的第44 d，1#、2#及3#應變監(jiān)測值開始出現急劇的變化，整體上開始減小，并在減小過程中出現了大幅的波動，說明膠結混凝土礦柱的覆巖受采動影響，應力出現波動不穩(wěn)定。

(3)位移數據。根據監(jiān)測結果，計算每個測點與對應時間的位移值，繪制位移值隨時間的變化曲線，見圖4。

圖4 位移監(jiān)測點隨時間變化曲線

根據圖4可知，A、B礦房回采前的約80 d內，即從9月29日至12月14日內，各點位移監(jiān)測數據存在小幅的波動變化，但總體上比較穩(wěn)定，沒有出現波動情況；從開采后的第81 d，即2014年12月15日開始，2#、3#位移出現增大，尤其3#位移的增大幅度最大，1#位移監(jiān)測值變化幅度很小。

(4)微震數據。根據微震監(jiān)測數據顯示，礦房過程中采場區(qū)域內僅在2014年12月6日10:02:03出現一個矩震級為-2.04、震源半徑為2.42 m的微震事件，該微震事件位于2#膠結礦柱中間上方覆巖內部，距離采場頂板有10 m左右，具體位置見圖5。

圖5 采場內微震事件發(fā)生位置

4 監(jiān)測分析

根據監(jiān)測獲取的應力、應變、頂板位移數據及微震事件結果可知，隨著A、B礦房交替回采，采場頂板覆巖應力集中的位置、強度呈現動態(tài)的變化。礦房回采前，應力、應變值變化較小且非常穩(wěn)定；礦房回采后45 d內，除3#應力計受拉力且有緩慢增加趨勢，1#和2#應力值還是比較穩(wěn)定；礦房回采的第46 d，3#應力計開始受壓且壓力有明顯增加，隨后幾天內1#、2#壓應力也開始穩(wěn)步增加。經圖2、圖3對比分析，應變監(jiān)測值與應力有相似的變化趨勢，但在1#、2#和3#壓應變出現明顯增加趨勢前，都有緩慢的增加，根據混凝土膠結實驗及現場混凝土礦柱觀測發(fā)現，該緩慢增加主要是由于混凝土固結導致；1#、2#及3#頂板位移出現顯著增大是A、B礦房開采的80 d后，即應力應變顯著變化約30 d后。

綜上應力、應變及頂板位移顯著變化時間點，結合應力、應變及頂板位移安裝的具體位置、礦房回采速度，分析推斷：

(1)礦房回采過程中，頂板覆巖形成傾斜固支梁模型，見圖6?；夭傻V體正前方是超前應力峰值區(qū)，后方是應力低值區(qū)，隨著A、B礦房交替回采，超前應力峰值區(qū)和應力低值區(qū)是一個動態(tài)變化過程。

圖6 傾斜固支梁模型示意

(2)根據應力應變監(jiān)測數據出現顯著變化是在A、B礦房交替開采約45 d后、頂板位移出現變化時礦房回采位置及回采速度(約1.5 m/d)等判斷，回采工作面前方的采動超前影響距為20 m左右。

(3)隨著回采跨度的增大，固支梁的撓度逐漸增大，覆巖彈塑性變形導致應力集中逐漸增加。根據采場頂板上方出現的微震事件時間判斷，在跨距達到36 m左右，覆巖應力集中易生裂隙發(fā)生頂板跨落。

(4)3#混凝土礦柱受覆巖移動變形比較復雜，且應力應變變化強度大。這是1#混凝土膠結礦柱左側緊鄰礦房、3#混凝土礦柱左右兩側均為空區(qū)的空間結構形態(tài)導致的。3#混凝土礦柱能否承受覆巖應力集中，將考驗其膠結礦柱的強度。

5 結 論

(1)利用局部的點監(jiān)測應力、應變及位移方式結合區(qū)域微震監(jiān)測方式，對兩步驟回采嗣后充填的采場覆巖及膠結礦柱的受力變化和發(fā)展進行全面而重點的監(jiān)測和分析，能夠直觀準確地了解和研究礦房回采過程中應力、應變及位移情況，便于及時調整開采速度及采場頂板處理的時間，從而可以主動、靈活地控制地壓。

(2)沿回采方向，礦房回采誘發(fā)的覆巖移動呈現動態(tài)向前推進，采動超前影響距離約為20 m。當礦房回采跨度達到36 m左右，工作面上方覆巖累積應力集中較大，在受到外部或應力急劇增加的情況下，可能會在覆巖發(fā)生巖爆，導致頂板冒落。

(3)垂直回采方向，當膠結混凝土礦柱左右兩側采空區(qū)范圍比較廣時，該混凝土礦柱受覆巖誘發(fā)的應力比較大，將考驗混凝土礦柱的強度。因此膠結礦柱時，要從鋼筋的強度、延展性及水泥標號及空區(qū)面積等方面考慮，增加混凝土礦柱的強度，保證其穩(wěn)定性。

(4)隨著礦房交替回采，采場穩(wěn)定性會呈現循環(huán)狀態(tài)：應力平衡的穩(wěn)定—應力失去平衡的次穩(wěn)定—應力集中誘發(fā)巖爆等動力事件—應力釋放或轉移的平衡穩(wěn)定。在該循環(huán)過程中，只要回采方法合理，便可以有效緩解地壓沖擊，減小誘發(fā)次生災害事件的發(fā)生，保持采場穩(wěn)定性。

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(責任編輯 徐志宏)

Monitor and Analysis of the Stability of Stope in Concrete Pillar with Subsequent Filling

Zhang Xiaopu1，2Guan Zaiping3Wang Huxing1，2Zhang Da1，2Zhou Lei3

(1.BeijingGeneralResearchInstituteofMining&Metallurgy，Beijing100260，China；2.BeijingKeyLaboratoryofNonferrousIntelligentMiningTechnology，Beijing100260，China；3.HubeiXingfaChemicalsGroupCo.，Ltd.，Yichang443000，China)

In order to improve resource recovery in Xinglong phosphate mine，the two steps of cementing fill of pillar following by waste rocks backfilling at stope room are adopted.To ensure safety of operations，verify the strength of cemented pillar，and to optimize stope structural parameters，the stereo and dynamic stress of cementing pillar and roof overburden is monitored by the combination of micro-seismic monitoring and point monitoring in local.By analyzing the data of stress，strain and displacement in the mining process，the advance distance away from the impact at working face is determined to be 20 m; When mining stope span is about 36 m，the accumulated stress at roof overburden is large，mainly resulting in caving in partial roof.However，stress induced by stope roof movement is much less than the strength of cement concrete pillar，no damage on cementing pillar appeared.The results show that the two-step mining method with subsequent filling and the stope structural parameters can ensure the stability of the stope.The monitoring method can be used to evaluate stope stability timely and accurately，and provide guidance for the safe and efficient mining.

Cementing pillar，Subsequent filling，Monitor，Stability of stope

2015-01-26

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB01B04，2012BAB08B01)。

張曉樸(1983—)，男，工程師，碩士。

TD853.35

A

1001-1250(2015)-04-132-05