复杂空区群残留矿体回采顶板下沉监测分析

黄道钦

(广西华锡集团股份有限公司铜坑矿, 广西 南丹县 547207)

广西华锡集团铜坑矿是一座有三十多年开采历史的有色金属大型地下矿山，开采的“三大矿体”自上而下依次为细脉带矿、91#矿体和92#矿体。由于多年对“三大矿体”的开采，目前尚存众多大小不一的采空区，组成复杂的空区群，导致井下围岩应力分布复杂多变，留下大量破碎难采的矿柱群和周围矿体，地压控制极为困难，严重影响了矿山安全生产。近年来，经过对大量采空区的治理，铜坑矿井下地压活动趋于平缓。根据矿山生产需要，近期加快了各区域复杂难采残留矿体的回采，但由于受前期地压活动破坏影响，92#矿体矿柱群Ⅱ采区及附近区域的大部分矿柱呈破碎状况，造成Ⅱ采区回采在生产施工和安全管理上存在相当大的难度。鉴于92#矿体矿柱群破碎难采的复杂性，有必要加强地压监控和灾害预防工作。

1 Ⅱ采区巷道沉降破坏的主要原因

1.1 地质构造

采准区域内地质构造复杂，层理、节理及裂隙较发育，地层为灰-灰黑色薄-中层状硅质岩，隐晶质结构、条带及致密块状构造。矿体厚大、连续性好，矿体产状为北高南低。

1.2 岩石性质

92#矿体矿柱群Ⅱ采区矿体垂直标高为505～405 m，矿体平均厚度为54 m左右。矿体顶板南高北低，即由南往北倾伏，倾角为28°左右。矿体分布为顶、底部两部分：顶部474～505 m为91#矿体，呈层状分布，矿体薄，围岩为小扁豆灰岩；底部矿体为405～470 m之间的92#矿体，呈现条带状分布，硅质岩夹石嵌入较多，围岩相对稳固。91#矿体与92#矿体之间的部分隔离的围岩为宽条带灰岩及泥灰岩，岩层裂隙发育，整体稳定性差，自承能力弱。

1.3 采区分布特点

Ⅱ采区整体处于91#矿体与92#矿体开采岩层移动线上，也是两个矿体间尚存的未开采的矿柱，在矿体分布上处于非常重要的位置，采区周边多为采空区和垮落带。采区东面为已垮通地表的T110-T111采空区；北面为R3采空区和92#矿体矿柱群Ⅰ采区；西面为地压破坏较严重T503采空区；南面为T310采空区。因受采空区和地压破坏影响，Ⅱ采区494 m西端唯一进路破碎严重，由于多年的压应力集中破坏和周边回采扰动，上覆岩层的压力向下传递，该区域主要以巷道塑性沉降、底臌开裂等破坏形式发展。

2 巷道沉降监测规范要求与适用方法

(1) 巷道沉降规范与测量仪器的精度要求。沉降规范遵循国家及矿山井巷工程测量有关规范标准。井下水准测量分为两级：I级水准测量时井下高程测量的首级控制，其精度较高；II级水准测量的精度较低，作为I级水准点间的加密控制，主要满足矿井日常生产需要。Ⅱ采区联道顶板观测路线为Ⅱ级水准支线，可采用一次仪器高往返观测，各测站的高差互差不应大于5 mm。为保证观测简单易行、提高观测精度和工作效率，根据《国家三、四等水准测量规范》(GB/12898-2009)中三等水准测量精度要求对Ⅱ采区巷道顶板进行测量，见表1。

(2)适用方法的确定。通过理论分析和现场调查分析研究，决定针对井下区域性的地压活动采用巷道顶板沉降观测等地压监测及控制手段，进行全面的监控分析，以达到安全生产和经济合理回收矿石资源的预期效果。

表1 三等水准观测的主要技术要求

3 巷道顶板沉降监测

井下水准测量与地面水准测量相比,其原理、实测方法和计算公式均完全相同,但井下水准测量时,因点设在顶板上,出现水准尺倒立现象,所以记录时应用符号注明“ˉ”号，井下巷道顶板测量时，对测量的巷道布设挂点，两测点间必须通视，水准尺倒立挂置巷道顶板，尺底(零刻度)端顶住水准点，对测点依次进行观测(见图1)。

图1 井下水准测量

(1) 基准点的布设。观测基准点选择在观测联道以外且影响较小的主斜道顶板，作为长久性基准点。在每次观测前均应检核基准点的稳定性，如果发现高程变异超过允许精度则立即采取处理措施。如观测期间测区发生岩层移动、顶板明显沉降等外界强烈因素时，亦应及时进行检验，采取处理措施。

(2) 沉降观测点布设。沉降测量点布设应结合现场地质情况和岩体结构特点，以全面反映巷道顶板变形特征，考虑到观测精度，从主斜坡道至Ⅱ采区联道顶板较稳定的岩体上平均每30 m布设一个观测点，包括基点在内共计6个观测点。沉降观测点具体位置见图2。

(3) 观测方案。遵循水准测量的基本法则，以基准点作为后视，1#观测点为前视，在两测点大致等距离位置摆置水准仪器，调整水平气泡居中，保持两测点在同一条水平线上，瞄准水准尺直接读取后视与前视的测量值。

前视点高程=后视点高程+后视读数-前视读数(1)

依次计算得出各测点沉降值。每次观测应记载沉降量、沉降速度、时间及其它有关异常情况。

图2 测点布设

(4) 观测数据及处理。根据监测情况并对测量数据进行核实，对变形最大的观测点进行统计，见表2；巷道顶板沉降监测数据曲线见图3。

表2 变形最大值统计情况

图3 顶板沉降监测数据曲线

4 下沉特征与稳定性分析

4.1 观测成果分析

根据观测数据统计可以看出，沉降观测点K1-K3(测点位于地压影响范围外)沉降变化幅值平缓；K4、K5观测点(测点位于地压破坏联道内)沉降幅值波动较大。整体上看，顶板沉降变化按4个阶段发展，该沉降变化趋势与井下巷道围岩、矿柱检查情况相吻合。

巷道下沉主要特征：

第一阶段：前期地压活动稳定后，破坏影响区域支承压力趋于固定值，该联道整体性能表现稳定，巷道矿柱无新地压破坏现象发生。

第二阶段：待Ⅱ采区巷道开拓后，爆破扰动破坏松动圈岩体的结构，岩体抗拉强度降低，破碎岩层难以承载高强度的压力，当巷道围岩强度小于矿柱支承应力时，矿柱两侧出现压剪破坏，这段时期内，顶板呈缓慢下沉状态。

第三阶段：在掘进过程中，伴随断面缩小，围岩连带移动反映到巷道中，会使个别区域顶板岩层局部上升，出现“反弹”现象，沉降量逐渐增加，巷道顶板出现冒块、脱层现象。

第四阶段：围岩、矿柱进一步加剧破坏时，岩石支承能力急剧下降，巷道顶板下沉呈加速度发展直至整体垮塌。

4.2 稳定性分析与预警

从巷道顶板沉降观测结果研究顶板围岩的失稳规律，及时进行安全防护措施。当顶板沉降量达50 mm时，发出黄色预警，对巷道两侧进行混凝土钢筋支护，并采取高强锚杆喷浆支护；当沉降量达150 mm时，发出橙色预警，提出间接性作业方案，尽量减少作业时间，提前做好安全撤离路线；当沉降量达200 mm时，发出红色预警，禁止人员进入联道，并做好地压破坏预报预警分析。

5 结 论

通过对复杂空区群残留矿体回采顶板进行沉降观测，对顶板稳定性变化规律进行有效的监控。当回采巷道顶板存在不安全因素时，通过观测数据统计及时发现并掌握顶板变形、演变过程和发展趋势，提出了危险情况的黄色、橙色和红色3级预警及相应对策，同时在采场开拓施工过程中，及时提出施工整改方案并做好安全防护措施，有效解决了矿山大型矿体复杂条件下破碎区安全监控关键性技术难题。

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