深凹露天转地下采场地压及位移监测研究

李航空，蔡美峰，王云飞，任海宾，杜振斐

（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083）

首钢矿业公司杏山铁矿为一座露天生产矿山，经过近40年的开采，目前已形成上口尺寸900m×630m，下口尺寸410m×20m的深凹露天坑。2004年底，杏山铁矿露天开采已近尾声，但－33m水平以上露天境界外还残留一部分挂帮矿体，－33m水平以下深部还有丰富的矿产资源。为此，杏山铁矿需先对挂帮矿体进行回采，继而转入深部开采。挂帮矿体开采的主要对象是大杏山挂帮矿体。该矿体赋存标高为100～－33m，可采储量为584．29万t，采用无底柱分段崩落法进行开采。

露天开采期间的大规模开挖，给周围矿岩体已形成较大的应力扰动，以压应力释放为主，局部可能产生应力集中［1］。在此基础上，采用无底柱分段崩落法进行地下开采，使采场长期处于多变的应力环境中，形成更为复杂的应力场，从而引起巷道围岩的进一步变形破坏。为及时了解和掌握巷道围岩的应力应变情况，分析判断其稳定性，有必要在回采进路中进行采场动压和巷道断面收敛监测，以便掌握采动应力分布特征及采场围岩变化规律，从而有助于优化矿山开采设计和指导矿山安全生产。

1 监测仪器、测量原理及布置形式

本次应力监测采用天地科技股份有限公司开发研制的ZYJ型钻孔应力计，它是近几年发展起来的一种岩体应力变化测试技术，具有灵敏度高、读数方便、简单等特点，在地下围岩应力监测中得到广泛的应用。

1.1 ZYJ－25型钻孔应力计

（1）结构及测量原理

ZYJ－25型钻孔应力计，主要由包裹体、应力枕、油管、压力表、注油咀等组成，它采用充液膨胀的钻孔应力枕特殊结构形式，是专用于煤、岩体内相对应力变化的测量仪器。

安装时，用安装杆将探头缓慢推入Φ45～Φ55mm的钻孔内，并加压，使探头紧贴孔壁。当岩体内的应力发生变化时，钻孔内应力通过应力枕两面的包裹体传递到应力枕，转变为应力枕内的液体压力，该压力经油管传递到压力表，压力表指针便 可指示出孔内的应力值。

（2）布置形式

ZYJ－25型钻孔应力计，可以监测任一方向的应力变化，我们可以根据实际监测的需要，选择其安装方式。本次监测主要针对垂直方向上的应力变化情况，故将钻孔应力计布置在回采巷道两帮水平孔内，埋深2～3m。安装时，应力枕水平放置，使包裹体处于上下位置。

1.2 收敛计

收敛计可直接测出两点之间的绝对位移之和（即收敛值），是测量精度较高、使用方便且应用广泛的一种仪器［2］。本次采用的是QJ85型收敛计，主要运用在巷道施工中的断面收敛量测，可直观精确地量测出巷道的变形量，为支护方案选择提供依据。

（1）结构及测量原理

QJ85型收敛计，主要由挂钩、钢尺、百分表、调节螺母等组成［3］，可测出巷道周边两固定点在连线方向上的位移变化，所测得的数值是两固定点在其连线方向上位移量之和。为求出每一测点的位移量，可采用闭合三角形法分析解算，如图1所示［4］。为了便于分析计算，作如下假设：

① 围岩变形均发生在与巷道轴线相垂直的断面内。②顶点A处在巷道中心线附近位置，只有竖向位移，认为ΔAx＝0。③ 帮上两个测点B、C在同一水平上，两点的竖向位移量忽略不计，即：

设初始基线长度为：LAB，LBC，LAC

任一时刻基线长度：LA′B′，LB′C′，LA′C′

从图1可以看出，AO⊥BC，O为垂足，则O到各点的初始距离分别为H、XB、XC，由勾股弦定理可以求得：

同理，可以求出任一时刻O点到各点的距离h、XB′、XC′。于是各测点的位移为：

（2）布线方式

巷道断面收敛监测，实际上就是测量巷道两帮、顶底板之间的相对位移。本次监测采用安装、测试简便、精度较高且具有可验证性的双三角形布线方式，如图2所示。通过测线BC、DE的变化，可得出巷道两帮的相对变形；通过测线AB、AC、AD、AE的变化，可了解顶板的位移情况。

图1 测量原理图

图2 布线方式图

2 测点布置

实践证明，对采场地压及位移进行监测，能够很好的评价巷道的稳定性，据此可以推断采场何时、何处进入危险状态［5］。为更好的掌握采场地压变化规律、矿岩体的破坏形式以及巷道围岩的变形情况，结合回采顺序、爆破进度等，我们把测站布置在－33m水平正在回采的4、5进路中。

地压监测点在每条回采进路中各布置4个，编号分别为1＃、2＃、3＃、4＃。1＃、3＃测点分别布置在巷道的右帮，2＃、4＃测点分别布置在巷道的左帮，两相邻测站之间的距离为7m，其中4＃测点距工作面最近。各测点安装钻孔高度 （距底板）为1．5m，孔径Φ45mm，钻孔深度为2～3m。

收敛监测点在每条回采进路中各布置2个，编号为1＃、2＃，其中2＃测点距工作面距离较近。为了便于监测和结果分析，钻孔应力计和收敛仪应布置在同一剖面上或附近［6］。在4回采进路中，钻孔应力计的1＃测点布置在63＃炮孔，2＃测点布置在57＃炮孔；收敛计的1＃测点布置在62＃炮孔，2＃测点布置在58＃炮孔；在5回采进路中，钻孔应力计和收敛计的1＃、2＃测点共同布置在70＃和65＃炮孔中。

各测站具体布点位置，见图3。

3 监测结果分析

3.1 采场地压监测结果分析

采场地压监测从2009年12月12日到2010年的1月18日，历经38d。随着工作面的不断向前推进，各进路的钻孔应力计先后被损毁。现将监测到的数据归纳整理，并以距工作面距离为横轴，以应力计读数为纵轴，作折线图4～图9（由于篇幅限制，各测点钻孔压力曲线图不便一一列出）。

图3 －33m水平测点布置图

图4 5－1＃测点压力观测曲线

图5 5－2＃测点压力观测曲线

分析图4、图5可知，5进路1＃、2＃钻孔应力计开始安装时，压力值有所下降，但下降量不大。这是由于钻孔应力计安装时，设定的初始压力偏高，钻孔围岩变形较大，应力有所释放造成的。经过一段时间后，压力迅速增加，稍后逐渐下降，最后趋于稳定，这刚好与采场地压显现规律相符，即应力升高区、应力降低区和应力稳定区［7］。采场应力的峰值点在39～42m之间，此处的回采巷道应该加强防护，以免造成安全事故。

图6 5－3＃测点压力观测曲线

图7 4－1＃测点压力观测曲线

图8 4－3＃测点压力观测曲线

图9 4－4＃测点压力观测曲线

图6～图9，应力计的读数均是先缓慢下降，然后逐渐趋于稳定。结合5进路地压显现规律，不难看出，这是由于钻孔应力计安装时，距工作面的距离较近，处在应力降低区或稳定区的缘故。

总之，巷道围岩体中的竖直压力变化幅度，总体上不算太大，都在5．2 MPa以下。这说明受爆破扰动后，采场应力突出不是很明显，局部的应力集中不会对巷道的稳定性造成太大的影响。

3.2 巷道断面收敛监测结果分析

根据巷道断面收敛数据求出各点的位移量，以ΔA、ΔA′的平均值表示顶板下沉量，ΔB、ΔC的位移之和与ΔD、ΔE的位移之和的平均值表示两帮的移近量，最后以时间 （d）为横轴，位移（mm）或速率 （mm／d）为纵轴，分别作顶板下沉量、下沉速率和两帮的移近量、移近速率随时间变化曲线，见图10～图13。

图10 顶板下沉量曲线图

图11 顶板下沉速率曲线图

图12 两帮移近量曲线图

图13 两帮移近速率曲线图

分析图10～图13可知，5进路1＃、2＃巷道断面收敛，大致经历了3个阶段：变形急剧增长、变形缓慢增长和变形基本稳定。在变形急剧增长阶段，顶板下沉速率最高达到了0．46mm／d，两帮移近速率超过了0．6mm／d；随着时间的推移，变形缓慢增长，增长率逐渐下降，收敛变化率平均在0．2～0．4mm／d之间；当收敛变化率在0．2mm／d以下时，即认为巷道围岩是稳定的。

5进路1＃、2＃断面各测点顶板下沉速率、两帮移近速率最大，分别发生在第13d和第9d，即离工作面的距离分别为42m和40m，刚好处在应力峰值点区间，这与采场地压监测情况相符。

5进路各测点顶板下沉量、两帮移近量均比4进路的略大，这是因为采动引起的局部应力集中，造成巷道变形较大，而4进路断面始终处于应力降压区或稳定区，其巷道变形受应力影响较小一些。

综合图10～图13可知，矿体回采时，巷道的位移是以收敛为主，多数表现为顶板的微小下沉和两帮的微小移近；顶板下沉在4．36mm范围内，两帮移近量在10．41mm范围内，可见，两帮的移近量大于顶板的下沉量，且前者一般是后者的2倍左右。这一方面是因为早期露天开采期间的大规模开挖，大大消减了上覆岩层的重量；另一方面是因为本矿采用无底柱分段崩落采矿法，在对上一分层进行回采的同时，也使下分层的顶板压力得以释放。

综上所述，巷道围岩总体是稳定的，表明目前所采用的采矿方法、采矿结构参数 （15m×15m）对矿山生产是合理、可行的。

4 结论及建议

钻孔应力计和收敛计作为采场地压和巷道收敛变形的监测手段，在杏山铁矿挂帮矿体无底柱分段崩落法开采中，有效的监测了采场地压及位移变化规律，从而可据此有效地评价巷道的稳定状态，以确定何时、何处进入危险状态，来指导矿山安全生产。从监测结果来看，采场应力、位移变化较小，对当前巷道的稳定性不会造成大的影响，但随着开采深度的不断加深以及采场围岩性质的改变，整个采场应力势必将重新分布。因此，在今后的生产中，有必要继续加强矿压监测工作。

［1］ 何姣云，任高峰．露天转地下开采巷道变形监测及灰色预测 ［J］．矿业研究与开发，2006，26 （5）．

［2］ 蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程 ［M］．北京：科学出版社，2002．

［3］ 赵奎，袁海平．矿山地压监测 ［M］．北京：化学工业出版社，2009．

［4］ 李晓红．隧道新奥法及其量测技术 ［M］．北京：科学出版社，2002．

［5］ 冯仲仁，张兴才，张世雄，等．大冶铁矿巷道变形监测研究 ［J］．岩石力学与工程学报，2004，23（3）．

［6］ 朱春来，白玉兵，侯克鹏．基于云锡塘子凹31－1＃矿体的采场动压及位移监测研究 ［J］．云南冶金，2004，33（6）．

［7］ 蔡美峰．金属矿山采矿结构设计优化与地压控制—理论与实践 ［M］．北京：科学出版社，2001．