深井礦山聯(lián)合開(kāi)采交錯(cuò)區(qū)地壓顯現(xiàn)時(shí)空規(guī)律研究

朱鵬瑞，王亞民，聶智超，于 洋，尹紀(jì)龍

(交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

0 引 言

采空區(qū)下的礦體回采一直是采礦工程的技術(shù)難點(diǎn)，諸多礦山采用空?qǐng)龇?、崩落法回采留下了不確定的采空區(qū)或空區(qū)群，隨著開(kāi)采深部的增加，采用合適的充填法逐漸成為下部礦體回采的趨勢(shì)，空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)充填法、崩落法轉(zhuǎn)充填法的地壓?jiǎn)栴}是許多面臨深部開(kāi)采的礦山亟需解決的問(wèn)題[1-7]。

深部資源開(kāi)采在今后的金屬礦山發(fā)展將成為中堅(jiān)主導(dǎo)，由于深部開(kāi)采高地應(yīng)力的長(zhǎng)期作用，圍巖中集聚了大量的彈性能，在周?chē)蓜?dòng)的影響下，往往造成多種形式的地壓顯現(xiàn)。我國(guó)金屬礦山對(duì)礦山地壓的形成機(jī)制、顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了大量的觀測(cè)與研究，積累了豐富的地壓控制技術(shù)的資料，取得了較大的進(jìn)展[8-14]。杜建華等[15]在程潮鐵礦建立了鋼弦式應(yīng)力計(jì)為基礎(chǔ)的采場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，唐禮忠等[16]在冬瓜山銅礦設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了深井開(kāi)采微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，蔡永順等[17]提出了基于不同監(jiān)測(cè)尺度實(shí)現(xiàn)礦柱安全回采的理論，但在深部開(kāi)采地壓顯現(xiàn)領(lǐng)域的研究還有待更深的提高，尤其是對(duì)采用崩落法和充填法聯(lián)合開(kāi)采的礦山，采礦方法交錯(cuò)區(qū)域地壓顯現(xiàn)更加劇烈，對(duì)礦山正常生產(chǎn)提出了挑戰(zhàn)。因此，有必要開(kāi)展深部開(kāi)采地壓研究，掌握其時(shí)空顯現(xiàn)規(guī)律，并建立長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)化深部回采順序，對(duì)深部地壓進(jìn)行有效控制。

以夏甸金礦無(wú)底柱分段崩落法和上向分層充填采礦法聯(lián)合開(kāi)采交錯(cuò)區(qū)為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)論，采用互補(bǔ)性較強(qiáng)的多種監(jiān)測(cè)手段建立地壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，探究深井礦山聯(lián)合開(kāi)采地壓顯現(xiàn)的規(guī)律。

1 工程背景

夏甸金礦目前采深已遠(yuǎn)超 800 m，系國(guó)內(nèi)金礦開(kāi)采深度最深的礦井，其礦體賦存于招平斷裂帶主裂面以下 80 m 范圍內(nèi)黃鐵絹英化碎裂巖及黃鐵絹英化花崗巖質(zhì)碎裂巖中，總體走向45°，平均傾角47°。主要采用無(wú)底柱分段崩落法和進(jìn)路式上向水平分層充填法聯(lián)合開(kāi)采。如圖1所示，其中 -692 m 水平以上中部(529線～546線)采用崩落法開(kāi)采，跨度超過(guò) 300 m，兩翼(529線以南和546線以北)采用充填法開(kāi)采，其下將采用充填法回采。多年的開(kāi)采必然使得中淺部崩落法邊界內(nèi)存在隱伏采空區(qū)，是下部礦體回采的安全隱患。

圖1 夏甸金礦不同采礦方法應(yīng)用區(qū)域Fig.1 Application area of different mining methods in Xiadian Gold Mine

從力學(xué)上講，采空區(qū)的存在會(huì)形成應(yīng)力釋放拱形，降低正下部礦體的地壓，增加下部?jī)蓚?cè)礦體的地壓，由于隱伏采空區(qū)難以精確探測(cè)，應(yīng)力釋放拱范圍、大小均不明確，深部礦體的地壓既有卸壓部分也有加壓部分，地壓分布較不均勻，實(shí)際生產(chǎn)中 -682 m 水平大巷掘進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)了輕微的巖爆活動(dòng)，尤其無(wú)底柱分段崩落法與上向水平分層充填法交錯(cuò)區(qū)的地壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈，地壓顯現(xiàn)方式如圖2所示。

(a)兩幫巖體片幫 (b)頂板冒落 (c)錨網(wǎng)失效圖2深部開(kāi)采地壓顯現(xiàn)形式Fig.2 Deep mining ground pressure appearance form

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型建立

前期工作獲知上盤(pán)巖體可崩性級(jí)別為易崩，開(kāi)采后圍巖冒落不斷填充，采空區(qū)的體積處于動(dòng)態(tài)的補(bǔ)充中，考慮到崩落法已經(jīng)持續(xù)開(kāi)采12年，后經(jīng)鉆孔探測(cè)，未探測(cè)到大型隱伏采空區(qū)，將深部開(kāi)采礦體上部定義為冒落散體。依據(jù)表1礦巖參數(shù)，建立-525～-740 m 水平無(wú)底柱分段崩落法與上向水平分層充填法聯(lián)合開(kāi)采的數(shù)值模型，在交錯(cuò)區(qū)預(yù)留寬度為 10 m 的礦柱，如圖3所示，模擬時(shí)兩種方法同時(shí)回采。

表1 力學(xué)參數(shù)計(jì)算表

圖3 無(wú)底柱分段崩落法和上向水平分層充填法開(kāi)采模型 Fig.3 Mining models of pillarless sublevel caving method and upward horizontal layered filling method

2.2 模擬結(jié)果分析

如圖4～圖6所示，在無(wú)底柱分段崩落法與上向水平分層充填法交錯(cuò)區(qū)，崩落法采場(chǎng)回采進(jìn)路的頂板中水平應(yīng)力有少量下降，最大水平應(yīng)力為 32.2 MPa，垂直應(yīng)力值上升顯著，最大應(yīng)力值為 46.3 MPa。充填法采場(chǎng)采空區(qū)頂板中的水平應(yīng)力最大值相比于單一充填法開(kāi)采基本相同，但是采空區(qū)頂板中的應(yīng)力集中現(xiàn)象有較大程度的緩解，頂板中水平應(yīng)力較大的區(qū)域面積相比于單一充填法開(kāi)采有明顯的減小。采空區(qū)兩幫中的垂直應(yīng)力有明顯的增加，其最大應(yīng)力值為 44.6 MPa，兩采場(chǎng)之間的礦柱中雖應(yīng)力值相對(duì)較大，但沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的破壞。崩落法采場(chǎng)回采進(jìn)路的頂板下沉量有所增加，最大值為 3.7 mm，充填法采場(chǎng)采空區(qū)頂板的最大下沉量與之前基本相同，但是頂板中發(fā)生下沉的區(qū)域面積大大增加，同時(shí)采空區(qū)底板的鼓起量減小。充填法采場(chǎng)回采后對(duì)崩落法采場(chǎng)的垂直方向的位移量影響并不大，基本可忽略不計(jì)。

無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)和上向水平分層充填法采場(chǎng)之間存在相互影響，上向水平分層充填法采場(chǎng)的開(kāi)采使得無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)路中垂直方向應(yīng)力增大，水平方向應(yīng)力略有減少，而上向水平分層充填法采場(chǎng)在向上回采過(guò)程中，巖體中應(yīng)力逐漸增加，在開(kāi)采中要注意交錯(cuò)區(qū)的開(kāi)采破壞情況。

圖4 交錯(cuò)區(qū)域水平應(yīng)力分布Fig.4 Horizontal stress distribution in the ecotone

圖5 交錯(cuò)區(qū)域垂直方向應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution in the ecotone

圖6 交錯(cuò)影響區(qū)垂直方向位移Fig.6 Vertical displacement in the ecotone

圖7 深部礦體沿礦體走向上最大垂直應(yīng)力分布規(guī)律 Fig.7 The maximum stress distribution law of the ore body along the direction of the ore body

如圖7所示，沿走向統(tǒng)計(jì)每個(gè)剖面最大主應(yīng)力值，得到深部礦體沿礦體走向上最大主應(yīng)力分布規(guī)律，可知 -692 m 中段下部礦體范圍內(nèi)存在應(yīng)力集中較大，崩落法采場(chǎng)下方應(yīng)力集中明顯，即529至546勘探線下深部礦體應(yīng)力值較大，礦體兩翼略小，交錯(cuò)區(qū)應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)，最大主應(yīng)力超過(guò) 45 MPa，而529勘探線以南深部礦體和547勘探線以北深部礦體主應(yīng)力略小，但也均超過(guò) 25 MPa，值得注意的是在距離模型礦體走向起始點(diǎn) 200 m，即526勘探線附近深部礦體應(yīng)力集中增大明顯，這可能是由于受礦體形狀特點(diǎn)影響，因?yàn)樵摬糠稚戏降V體較其他部分厚大，上階段開(kāi)采引起的應(yīng)力重分布范圍也更大，下階段深部礦體的應(yīng)力集中也更為突出。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及地壓時(shí)空規(guī)律

3.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置

圖8 監(jiān)測(cè)斷面圖 Fig.8 Monitoring section

結(jié)合夏甸金礦開(kāi)采實(shí)際情況，建立動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變與微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)聯(lián)合開(kāi)采交錯(cuò)區(qū)及其它重點(diǎn)工程的圍巖應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性情況，主要監(jiān)測(cè)方面為采場(chǎng)圍巖中二次應(yīng)力的變化、采場(chǎng)的頂板下沉量、巷道圍巖相對(duì)位移量，所用儀器分別為KSE-Ⅱ-1礦用本安型鉆孔應(yīng)力計(jì)、YHW300型智能頂板離層儀、JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)與微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)斷面如圖8所示。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在 -682 m 水平、-692 m 水平、-700 m 水平及 -740 m水平巷道內(nèi)，如圖9所示，崩落法采場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置于 -682 m 水平，對(duì)于分層充填法采場(chǎng)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于 -692 m 水平與 -700 m 水平546線～552線及526線～519線與 -740 m 水平回采進(jìn)路中；在 -692 m 水平與 -700 m 水平選擇在開(kāi)采方法過(guò)渡區(qū)域，作為聯(lián)合開(kāi)采交錯(cuò)區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布置鉆孔應(yīng)力計(jì)、頂板離層儀與收斂構(gòu)件，共計(jì)安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)29個(gè)，頂板離層儀29個(gè)，收斂構(gòu)件29對(duì)。同時(shí)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)，布置在 -692 m 與 -700 m 水平的545#與547#采場(chǎng)。初期監(jiān)測(cè)周期為 35 d，初步研究地壓變化的時(shí)空規(guī)律。

(a)-682 m水平崩落采場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn) (b)-692 m水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖9 動(dòng)態(tài)地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布點(diǎn)圖Fig.9 Dynamic ground pressure monitoring system distribution map

3.2 地壓時(shí)空規(guī)律分析

圖10 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) Fig.10 Dynamic stress monitoring system

應(yīng)力監(jiān)測(cè)分為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和靜態(tài)監(jiān)測(cè)兩種。應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采用鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，頂板沉降監(jiān)測(cè)采用頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖10所示，檢測(cè)分機(jī)每 1 min 自動(dòng)計(jì)數(shù)一次并保存，實(shí)現(xiàn)圍巖二次應(yīng)力與頂板位移的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)應(yīng)力(頂板位移)值超過(guò)設(shè)定應(yīng)力(頂板位移)閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力(頂板位移)的變化。靜態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間從2020年11月11日至2020年12月30日，間隔1～2天提取讀數(shù)，讀數(shù)時(shí)間為上午9～10點(diǎn)。選擇具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線、頂板沉降曲線和巷道收斂曲線進(jìn)行綜合分析。

圍巖二次應(yīng)力的變化與初始應(yīng)力場(chǎng)、回采順序、爆破擾動(dòng)及時(shí)間效應(yīng)等因素密切相關(guān)。

以 -682 m 水平11月15號(hào)實(shí)時(shí)地壓監(jiān)測(cè)曲線為典型，如圖11所示，50#進(jìn)路進(jìn)行切割爆破，爆破過(guò)程中和爆破后 2 h，應(yīng)力值大幅度增加，距離爆破點(diǎn)越近，增加值越大，增加值在0.7～1.3 MPa 之間，而后逐漸減少并趨于穩(wěn)定。結(jié)合當(dāng)日的微震監(jiān)測(cè)，如圖12所示，巖體破裂主要由爆破振動(dòng)和爆破后巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的改變和再平衡過(guò)程引起，而在當(dāng)天的其他時(shí)間段未接收到巖體破裂的微震信號(hào)，微震監(jiān)測(cè)與應(yīng)力監(jiān)測(cè)的規(guī)律相一致。

以-692 m水平某一段時(shí)間采礦活動(dòng)為例，儀器安裝后，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后記下初始讀數(shù)。分析2020年11月12日—2020年11月29日采礦活動(dòng)表(表2)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖二次應(yīng)力變化曲線(圖13)得，監(jiān)測(cè)期間54801、54803、55001、533、525進(jìn)路開(kāi)采活躍，爆破活動(dòng)結(jié)束穩(wěn)定后附近區(qū)域應(yīng)力集中，55001進(jìn)路、54702進(jìn)路二次應(yīng)力值大幅度增加，約1.4～2.1 MPa。54702進(jìn)路(S3監(jiān)測(cè)點(diǎn))、52503進(jìn)路S9監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝在交錯(cuò)區(qū)分層充填法的礦柱上，垂直應(yīng)力增加明顯，但尚保持在穩(wěn)定狀態(tài)，在后續(xù)的開(kāi)采中應(yīng)該重點(diǎn)觀察。S9監(jiān)測(cè)點(diǎn)增加值稍大于S3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬中526勘探線上方礦體較為厚大，應(yīng)力集中明顯的規(guī)律。533進(jìn)路二次應(yīng)力亦有小幅度的上升，附近相鄰進(jìn)路監(jiān)測(cè)點(diǎn)受其影響應(yīng)力值平緩增加至穩(wěn)定。

圖11 -682 m水平動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)變化曲線Fig.11 Dynamic stress monitoring curve in -682 m level

圖12 微震事件隨時(shí)間的分布Fig.12 The distribution of the microseismic events over time

表2 2020.11.12～2020.11.29采礦活動(dòng)描述

圖13 -692 m各監(jiān)測(cè)點(diǎn)二次應(yīng)力變化曲線 Fig.13 Change curve of stress monitoring of each monitoring point in -692 m level

從頂板位移監(jiān)測(cè)曲線(如圖14所示)可以看出受出礦進(jìn)路掘進(jìn)和采場(chǎng)爆破影響的巷道，其頂板位移變化明顯較大，增加速率先快后慢。其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域周?chē)鸁o(wú)大的開(kāi)采活動(dòng)影響，變形量較小。533進(jìn)路爆破活動(dòng)頻繁，D7監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形最大，為 4.1 mm；結(jié)合二次應(yīng)力值的變化 2.46 MPa，巷道處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的破壞；交錯(cuò)區(qū)的54702進(jìn)路D3與525進(jìn)路D7監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂板下沉量分別為 2.9 mm、3.5 mm，二次應(yīng)力變化值分別為 3.21 MPa、4.35 MPa，交錯(cuò)區(qū)充填采場(chǎng)比較穩(wěn)定，崩落法采場(chǎng)繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，曲線增加速率上升時(shí)應(yīng)對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，防止垮冒。如圖15所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的收斂速率有些差異，但整體變化規(guī)律基本一致，即巷道呈現(xiàn)逐漸收斂的趨勢(shì)，而其變形速率與開(kāi)采進(jìn)度密切相關(guān)。當(dāng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)路進(jìn)行爆破回采后，巷道收斂量增大較為明顯。

無(wú)底柱分段崩落法與上向水平分層充填法聯(lián)合開(kāi)采時(shí)，交錯(cuò)區(qū)域崩落法采場(chǎng)如 -692 m 水平545進(jìn)路與 -700 m 水平-58進(jìn)路開(kāi)采活躍，垂直應(yīng)力、頂板位移、巷道水平收斂位移增加明顯，但尚保持在穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注 -692 m 水平525進(jìn)路，必要時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，防止發(fā)生大規(guī)模的破壞；交錯(cuò)區(qū)域充填法采場(chǎng)如 -692 m 水平54702進(jìn)路垂直應(yīng)力增加顯著，頂板位移、巷道水平收斂位移增加不明顯。綜合各方數(shù)據(jù)來(lái)看，聯(lián)合開(kāi)采時(shí)，無(wú)底柱分段崩落法區(qū)的頂板沉降位移與巷道水平收斂位移普遍大于上向分層充填法，但圍巖二次應(yīng)力的變化要略小于上向分層充填法。后期又進(jìn)行了4個(gè)月的監(jiān)測(cè)，印證了此結(jié)論的正確性。

圖14 -692 m各監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板位移變化曲線Fig.14 Change curve of stress monitoring of each monitoring point in -692m level

圖15 -692 m水平各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移曲線Fig.15 Relative displacement curve of each monitoring point in -692m level

綜合各方數(shù)據(jù)來(lái)看，聯(lián)合開(kāi)采區(qū)域在整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。但對(duì)于局部應(yīng)力變形明顯的位置，應(yīng)加強(qiáng)觀察，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道穩(wěn)固性狀況，采取必要的支護(hù)等安全措施，實(shí)現(xiàn)深部開(kāi)采地壓的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)預(yù)警。

4 結(jié) 論

1)無(wú)底柱分段崩落法與上向水平分層充填法聯(lián)合開(kāi)采時(shí)，無(wú)底柱分段崩落法區(qū)的頂板沉降位移與巷道水平收斂位移普遍大于上向分層充填法，但圍巖二次應(yīng)力的變化要略小于上向分層充填法。交錯(cuò)區(qū)處于應(yīng)力應(yīng)變明顯的區(qū)域，在深部開(kāi)采中加強(qiáng)觀察結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道穩(wěn)固性狀況，采取必要的支護(hù)等安全措施，控制開(kāi)采誘發(fā)的地壓災(zāi)害。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值建模分析得到了相互印證，進(jìn)一步提高了地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3)針對(duì)多種方法聯(lián)合開(kāi)采的深井礦山建立地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)，多種監(jiān)測(cè)手段的相互配合，實(shí)現(xiàn)了多參量聯(lián)合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為深部開(kāi)采過(guò)程中地壓顯現(xiàn)的有效監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了新的手段，具有良好的推廣示范效應(yīng)。