金凤矿业地压效应监测及地压控制方法研究

2013-06-26王军民李秀昌姜广龙马庆飞

金属矿山 2013年12期

王军民李秀昌姜广龙马庆飞

(1.湖南黄金集团有限责任公司;2.辽宁金凤黄金矿业有限责任公司)

辽宁金凤黄金矿业有限公司(简称金凤矿业)自2001年投产以来，经过近10年的开采，330、300、270、240和210 m水平采场矿石的开采已基本结束，转入到采空区矿柱和难采矿体的回收工作。目前，矿床开采主要在180和150 m水平中段采场，矿体形态向下收缩，矿石储量减少，矿山进入到后期生产阶段。由于上述多个水平采场开采结束采空区数量和规模较大，由地压显现引起的主要运输巷开裂变形、矿柱压裂和采空区顶板冒落等现象日趋频繁，同时矿石品位和价值高的残留矿柱仍然具有很大回收价值。因此，需要研究采空区的地压活动规律并加强采空区围岩稳定性监测，进而采取适当的地压控制措施。

1 地压效应监测方法

1.1 巷道支护压力监测

巷道支护压力的监测如图1所示，通过监测巷道支护立柱反力来反映采场地压活动［1］。依据中国建筑工业出版社1997年4月出版的《建筑材料手册(第4版)》，东北红松顺纹抗压强度为32.8 MPa，考虑到浸水和偏心受力影响，计算时取棚腿立柱所用坑木抗压强度为10 MPa。以坑木抗压强度乘以实际安装反力计的木支护立柱直径，得到该立柱抗压承载力，即抗力值。考虑到一定的安全储备，取2/3立柱抗压承载力值作为预警值。压力变化速率预警值按每日承载力的0.5%选取，为发现压力突变采取加强措施留下充足时间。监测中，当地压在立柱上产生的压力效应及变化速率预警值小于该立柱实际预警值时，立柱处于安全工作状态。反之为不安全，需要采取加强措施。

1.2 围岩裂缝监测

为掌握围岩变动开裂情况，采用了丹东三达仪

图1 巷道支护立柱反力计监测方法

器有限公司生产的GLF型25 mm量程裂缝计进行定量观测，如图2所示。在被测裂缝两侧钻直径孔，间距305 mm，深50 mm，灌入水泥浆液，插入套管和裂缝计，并保持与被测面平行。待水泥固结后，使用频率读数仪测量初始值。

图2 裂缝计构造与安装

裂缝计监测读数值为频率，根据厂家为每只裂缝计提供的标定曲线，将频率转换成裂缝宽度变化的数据。

1.3 采空区顶板围岩沉降观测

采场及空区顶板围岩的稳定性关系到矿石开采中人员与设备安全，以及空区和矿区整体稳定［2-4］。在目测观察不能定量，采用水准仪误差较大，4～6 m高程偏差达到2 mm的情况下，需要研制精度较高、简便易行的监测装置来满足生产对观测和空区管理的要求。依据该矿区单矿体缓倾斜、层厚4～6 m高程、底板稳固的条件，提出研制重锤式百分表顶板沉降观测仪，用以采场与空区顶板围岩的沉降监测［5-6］，如图3所示。

图3 重锤式百分表顶板沉降观测仪原理

2 地压效应监测及分析

依据矿区地压活动特点，采用定性分析地压活动的力学原因和定量监测力学效应相结合的分析方法，在受地压作用的主要运输巷道、穿脉巷道、斜井、工程交叉点、采空区内部及边缘布置测点，采用振弦式反力计、裂缝计及频率读数仪监测方法，以及自行研制的采空区顶板沉降观测仪，进行支护压力、裂缝扩张和采空区顶板围岩沉降变形监测。

依据支护反力、裂缝扩张和顶板沉降监测结果，采空区地压转移对邻近巷道形成的应力集中，以及矿体围岩稳固性条件，局部矿岩破碎特点进行地压活动性质分析，该矿区地压活动为采动变形地压和松散地压。这2种地压同时作用的部位，地压危害较大，如处于地压集中区内的180 m水平主运输巷地段，150 m水平石门巷道与主运输巷交汇处的围岩错动，335、336采场空区顶板与矿柱局部垮塌等部位。

目前生产主要中段，180 m水平、150 m水平主运输巷受两侧采场空区地压转移影响，形成局部压力集中区，巷道支护变形和围岩破坏较严重，局部地段危及到供矿安全产生。进行支护加固后，巷道稳固性得到加强。通过对处于610、611采场和712、710、709采场顶底柱部位的180 m水平主运巷布置测点，进行支护反力和围岩裂缝扩张监测，结果表明:在2010年8月至2012年12月2年多时间中，最大支护立柱压力增加23.42 kPa，实际承受压力37.14 kPa，预警压力142.49 kPa，处于安全范围。但压力随时间呈缓慢上升趋势。局部围岩裂缝最大宽度增加值超过裂缝计25 mm量程，表明承载压力和围岩破碎在加大，但未影响巷道的整体稳定。通过对150 m水平714采场与809、810采场结合部，以及712采场底柱部位的主运巷进行支护反力和围岩裂缝扩张监测，结果表明:最大支护立柱压力增加12.05 kPa，实际承受压力14.11 kPa，预警压力110.05 kPa，处于安全范围。围岩裂缝最大宽度增加值未超过9 mm，未影响巷道稳定性。对地压活动显现突出的监测区域，虽然存在采动变形地压和围岩破碎松散地压的作用，但支护反力监测结果表明，巷道处于整体稳定状态，能够满足采矿作业和供矿运输要求。

为掌握采场及空区顶板围岩的稳定性，保障矿石生产中人员与设备安全，以及空区对矿区整体稳定，采用自行研制的采空区顶板沉降观测仪，选择不同中段水平208采场、502采场、335采场和609采场进行空区顶板围岩沉降监测，以及对240 m至180 m水平斜井顶板沉降进行监测，结果表明:335采场空区顶板累计沉降最大，达到45.4 mm。在2011年1月至2012年12月监测期间，顶板沉降曲线表现为由平直转为加速沉降，再变为匀速沉降的规律。空区内矿柱受地压作用劈裂现象严重，存在围岩冒落危险。502、208、609采场沉降较小，最大沉降为11.45 mm，采空区顶板稳固。240～180 m斜井围岩破碎，受水侵害严重，顶板与侧帮均不稳定，承载力低，尤其受上部集中地压作用，存在顶板沉降迅速增大的趋势。

3 采空区地压控制方法研究

针对目前矿房矿石已基本回采，转入边角难采矿体的回收作业，采空区暴露面积大，顶板沉降较快的情形，进行格构式钢柱支撑方案和施工图的设计与研究［7-8］。在天然矿柱起主要支撑作用时，用钢柱支撑对采场顶板承载能力进行补充，维护顶板围岩稳定，确保安全生产，用钢架替代部分矿柱。选择201采场典型空区，进行顶板围岩荷载分析和钢柱支撑施工图设计。

3.1 顶板围岩冒落载荷估算

如图4所示，顶板冒落范围按圆弧形体积计算。冒落拱的拱脚水平距离为2倍钢柱中心间距，或1倍钢柱中心间距加上钢柱支撑柱中心到采场边界围岩的距离。冒落拱矢高h=4 m;冒落半径R=8 m;钢柱高度H=8 m。

图4 顶板冒落拱计算简图

1个格构式钢柱支撑的顶板冒落围岩体积为

1个钢柱承受的冒落拱岩石重力设计荷载值为

式中，k为恒载分项系数，取1.2;γm为大理岩重度，取28 kN/m3。

3.2 钢架承载力验算

根据图5、图6所示，通过对此钢架的承载力计算，得出钢柱支撑为顶板提供的支承力PS为7 067.3 kN。考虑到柱间顶板围岩具有自承能力的特性，岩梁除了产生重力外，还能够承受上部荷载作用。在竖向荷载作用下，顶板围岩处于一定的应力水平，但尚未达到破坏应力，还能继续承载。为表达围岩的这种自承性质，本研究引入了自承度概念，即架设支架时，围岩应力与自承抵抗应力的百分比值，用参数符号ξ表示，并借助岩石声发射实验测定。

对于正常矿柱间距，取