弓长岭井下矿上盘运输巷道让压开拓方法研究

付 煜 任凤玉 宫国慧 陈继宏

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819;2.鞍钢集团矿业公司弓长岭矿业公司，辽宁 辽阳111007)

弓长岭井下矿是我国地下开采最早的矿山之一，矿体为沉积变质型磁铁矿床，由6 条近似平行矿体组成，倾角60° ～85°，厚度5 ～30 m，走向长度4 850 m［1-2］，分为西北区、中央区和东南区3 个采区，其中，中央区已开采至－280 m 中段，采深超过500 m，应用无底柱分段崩落法开采，阶段高度60 m，分段高度12 m。随着开采深度的逐渐增加，地压活动越来越频繁［3-8］，－280 m 上盘运输巷道遭受地压破坏严重，虽然在掘进的过程中采用高强度的钢筋混凝土墙及金属拱架支护，但仍然无法控制剧烈的地压活动，支护后巷道多处出现顶板开裂下沉、墙体内推折断、底鼓等现象，经过多次维修，才能勉强维持使用，严重地影响矿山的正常生产。

为避免地压活动对上盘运输巷道破坏事故再次发生，保证－340 m 上盘运输巷道的正常生产运行，亟需寻求一种有效的地压控制方法。本研究对－280 m 上盘运输巷道破坏情况进行了详细的调查，分析了上盘岩性对巷道稳定性的影响，揭示出上盘运输巷道破坏的直接原因是楔形体压力作用，根据上盘回采边界和巷道破坏边界的相对位置关系，确定让压角，划分塑性变形区和弹性变形区。在此基础上，提出让压开拓方法，将－340 m 上盘运输巷道布置在弹性变形区，让开楔形体压力的的作用，避免上盘运输巷道遭受地压破坏，保证矿山的正常生产运行。

1 地压显现部位及成因

1.1 －280 m 上盘运输巷道破坏部位调查

现场调查发现，－280 m 上盘运输巷道受地压破坏的部位主要分布在12B ～15 剖面线之间，破坏长度410 m(如图1)。

图1 －280 m 上盘运输巷道地压显现部位Fig.1 Position of the ground pressure in hanging haulage roadway of －280 m level

1.2 岩体力学参数实验

－280 m 中段矿岩中存在多条小断层，地质构造较为复杂，受断层的切割作用，矿岩交错而生。矿岩种类主要分为上盘绿泥片岩(H)，下盘角闪岩(Am)，磁铁矿(Fe4、Fe5、Fe6)、平炉富矿(Rm)和高炉富矿(Rd)。对矿岩进行了点荷载实验及稳定性分级，得到岩体基本质量指标如表1 所示。

表1 －280 m 中段矿岩基本质量指标Table 1 The basic quality designation of the rock in －280 m level

1.3 岩性对巷道稳定性影响

分析岩性对巷道稳定性的影响，－280 m 上盘运输巷道岩体为绿泥片岩，从表1 岩体稳定性分级可以看出，绿泥岩不稳定，单轴抗压强度仅为49.30 MP，属于软岩，巷道掘进后，受地压作用，巷道出现顶板剥皮冒落、墙体片帮断裂、底鼓等现象，虽然对破坏部位采取了高强度的钢筋混凝土和金属拱架支护方式，多处巷道碹体支护厚度达到0.5 m，但随着时间的推移，刚性支护的抗复杂变形能力弱的缺点逐渐显现出来，软弱破碎岩体的变形仍在持续，巷道多处发拱顶开裂下移、墙体内推断裂及片帮等现象，严重地影响了矿山的正常生产。

1.4 楔形体压力作用

从巷道支护后破坏程度来看，软岩破碎不稳只是巷道破坏的内在原因，拱顶下沉破坏现象表明巷道外部垂直方向存在一个很大的作用力，引起应力集中，是巷道破坏的直接原因。分析得出，中央区自－220 m 中段全部改用无底柱分段崩落法开采，开采后形成的采空区已冒透地表，在矿体上盘形成一个楔形体［9］(见图2)，如不计采空区散体对其垂直向上的支撑力和楔形体边壁的拉应力作用，楔形体压力可以表示为

式中，P 为楔形体压力，kN;γ 为上盘岩体容重，kN/m3;a 为楔形体底部长度，m;H 为楔形体高度，m;α为矿体上盘倾角，(°);L 为280 m 上盘运输巷道破坏长度，m;λ 为应力有效作用系数。

图2 楔形体模型Fig.2 The wedge model

根据土力学中的竖向集中荷载作用下地基中的附加应力［10］计算方法(见图3)，楔形体对上盘运输巷道法向应力σz可表示为

式中，σz为楔形体对上盘运输巷道的法向应力，MPa;P 为楔形体垂直方向集中力，kN;R 为楔形体竖向应力集中应力作用远点O 到上盘运输巷道的距离，m;θ为R 线与z 坐标轴的夹角，(°)。

图3 竖向集中荷载作用下应力计算示意Fig.3 The illustration of stress calculation under vertical concentrated load

以第14 剖面为例，楔形体高度为H =464 m，底部长度a=21 m，－280 m 上盘运输巷道破坏长度L=410 m，矿体上盘倾角α =78°，岩体为绿泥片岩，容重γ=23 kN/m，考虑侧壁对楔形体的拉应力作用以及采空区散体垂直方向的支撑力作用，应力有效系数λ取0.5，将各个参数代入式(1)，计算得P =1.54 ×108kN。式(2)中，R =22.6 m，θ =22°，代入计算得σz=114.75 MPa，相比表1 中实验测得的绿泥岩抗压强度，楔形体作用在上盘运输巷道的法向应力远大于绿泥岩的抗压强度49.30 MPa。从计算结果可以看出，如此大的楔形体法向应力，仅依靠高强度的刚性支护无法阻止巷道破坏，需采取其他有效的措施，避免上盘运输巷道的破坏。

此外，从式(1)和式(2)可以得出，楔形体压力随采深的平方的增加而增大，当采深达到一定值后，上盘运输巷道承受的楔形体压力随采深的增大急剧增大，楔形体对上盘运输巷道法向应力σz也会急剧增大，虽然采空区散体对楔形体有垂直方向的支撑力，但这个力会很小，主要有2 个原因:第一，采空区的上盘倾角较大，散体压力的水平分量大而垂直分量小，垂直方向上提供给楔形体的压力很小。第二，下部采矿活动使散体处于移动状态，移动的散体对上盘的横向支撑力较大，而垂直向上的支撑力将很小。因此，楔形体的垂直方向压力主要作用在其下部的上盘运输巷道上，引起矿岩应力的高度集中，导致巷道的持续变形与大范围的破坏。3

2 地压防治方案

2.1 让压开拓

弓长岭铁矿－280 m 中段采用无底柱分段崩落法沿脉开采，上盘绿泥岩松软破碎，矿体回采后，受上盘楔形体压力作用，－280 m 上盘运输巷道开挖后应力集中现象突出，当应力超过岩体的强度极限时，巷道周边岩石发生破坏，出现大的塑性变形，造成巷道周边的非弹性位移，这种现象从巷道周边向岩体深处扩展到某一范围，在此范围内的岩体称为塑性变形区，工程布置在塑性变形区内会发生严重破坏。而在塑性变形区以外还存在一定范围内为弹性变形区，弹性变形区内岩体只发生弹性变形，并未破坏，工程布置在弹性变形区内只会发生一定程度的弹性变形，不会引起破坏。因此，如何确定塑性变形区和弹性变形区的范围对上盘开拓巷道的布置至关重要，从现场调查可以确定－280 m 上盘开拓巷道的塑性破坏界限，而楔形体是由于矿体开采形成的，利用矿体回采边界与巷道破坏边界之间的相互关系就可以确定塑性变形区和弹性变形区。定义破坏边界与上盘回采边界的连线与水平方向的夹角称为让压角，以让压角为界限，将－280 m 中段分为塑性变形区和弹性变形区，让压角越大，塑性变形区范围越大，弹性变形区越靠近下盘，将上盘运输巷道布置在弹性变形区内可以让开楔形体压力［11-12］，但考虑矿体回采运输问题，上盘运输巷道应尽量布置在靠近上盘的位置，只要把上盘运输巷道布置在应力弹性变形区就能达到控制地压的目的。统计－280 m 水平上盘运输巷道的破坏边界与矿体上盘回采边界位置得出，12B ～15 线让压角为74°～78°，其中第14 剖面线的让压角最大，为78°(如图4)。

图4 第14 线巷道破坏位置剖面Fig.4 Profile of the destructive roadway in the 14th exploration line

利用统计的让压角，将上盘开拓巷道布置在弹性变形区，让开楔形体压力，称之为让压开拓方法。因此，根据－280 m 中段统计的让压角，可以确定－340 m 上盘运输巷道的布置位置，由于上盘运输巷道为永久工程，并且岩体为绿泥岩，不稳固，为安全起见，取最大让压角78°，并乘以1.2 的安全系数，按93°让压角确定－340 m 上盘运输巷道的位置。

2.2 现场实施情况

目前，－340 m 上盘运输巷道已掘进800 m 左右(见图5)，应力集中现象明显减少，局部不稳部位采取锚杆支护就可以控制地压显现，巷道稳定性良好，表明让压开拓方法能够有效解决弓长岭井下矿地压显现问题，减少上盘运输巷道破坏事故的发生。

图5 －340 m 中段上盘开拓巷道布置Fig.5 Layout of the hanging wall development roadway in －340 m level

3 结 论

(1)弓长岭井下矿中央区－280 m 上盘运输巷道地压显现主要发生在12B ～15 线，高强度的刚性支护无法阻止巷道的持续变形破坏，支护后仍出现顶板下沉、墙体内推断裂、底鼓等现象，严重地影响了矿山的正常生产，亟需采取有效措施控制地压显现。

(2)弓长岭井下矿中央区－280 m 上盘运输巷道地压显的主要是楔形体压力作用，楔形体压力随着采深平方的增大而增大，导致楔形体对上盘运输巷道法向应随采深的增加不断增大，是巷道破坏的直接原因。

(3)通过矿体回采边界与巷道破坏边界之间的相互关系确定让压角，划分塑性变形区和弹性变形区，将上盘运输巷道布置在弹性变形区内可以避开楔形体压力，达到控制地压的目的。

(4)为减小楔形体压力对上盘开拓巷道的破坏，－340 m 上盘运输巷道采取让压开拓方式，利用最大让压角确定巷道的位置，将巷道布置在弹性变形区，让开楔形体压力作用。实践证明，让压开拓方案能够很好地解决弓长岭井下矿地压显现问题，达到控制地压的目的。

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