急倾斜极薄矿脉削壁充填法开采采动压力监测

丁航行 任凤玉 何荣兴 李波然 常 帅

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁二道沟黄金矿业有限责任公司，辽宁 朝阳 122126；3.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051)

急倾斜极薄矿脉削壁充填法开采采动压力监测

丁航行1任凤玉1何荣兴1李波然2常 帅3

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁二道沟黄金矿业有限责任公司，辽宁 朝阳 122126；3.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051)

二道沟金矿为急倾斜极薄矿脉，采用削壁充填法与浅孔留矿法开采，随着采深的增加，发生了多起采场岩爆。为研究岩爆发生所需高应力的来源，特对开采过程进行了采动压力监测。采用巷道变形收敛监测的方法，实测了1530采场削壁充填法回采过程中，穿脉监测巷道顶底板和两帮的收敛变形。监测结果表明：随着回采高度的增加，监测巷道顶底板间距呈减小的趋势，而两帮间距则呈增大的趋势，且两帮的变形幅度比顶底板的变形要大。并根据两帮各监测点最大收敛值，绘制了采动压力特性曲线。由该曲线可知，采动压力在距上部采场上盘回采边界约7 m的范围内形成波峰，再往上盘侧则趋于平缓。对于这种比较集中的采动压力分布特点，适合采用卸压的方法对其进行控制，从而达到阻止岩爆发生所需外部高应力条件的形成。

削壁充填法 采动压力 收敛监测 岩爆 卸压

地下岩体在未受到井巷和采场等地下工程开挖影响前为原岩体，原岩体在各种天然赋存的应力作用下处于平衡状态。在原岩体中进行工程开挖会扰乱原岩应力平衡状态，引起工程围岩中应力的重新分布，直至形成新的平衡应力场——采动应力场。在该过程中，当重新分布的应力超过围岩的极限强度时，使其发生破坏，并向已开挖空间移动，此时作用在围岩中的压力为采动压力。采动压力可能导致片帮、冒顶等一般的矿山压力现象，也可能导致岩爆、地表突然塌陷等严重的矿山动力现象[1-2]。采动压力随采掘工作的进行，在时间和空间上不断变化，通过对采动压力进行监测，弄清采动应力场在开采过程中的时空演化规律，对于研究各种地压危害的机理与防治方法具有重要的意义。

本研究以二道沟金矿急倾斜极薄矿脉为工程背景，针对该矿脉削壁充填法开采过程中发生的多次岩爆现象，为了弄清岩爆发生的外部采动压力环境，采用了巷道变形收敛监测的手段，对采场整个开采过程下盘围岩的采动压力进行了监测，获取了采动压力分布规律，为下一步岩爆的防治提供了依据。

1 采动压力监测方法

由于压力为一虚拟物理量，无法直接测出，只能通过变形监测的方式来间接反映。在地下工程的变形监测中，对2固定点之间的径向收敛与发散长度变化的测量工作，称为收敛监测或收敛观测[3]。收敛监测是监测点对点的相对变化，是工程状况和工程地质环境变化的综合反映。收敛监测适用于量测隧道、巷道、硐室及其他工程围岩周边任意方向2点间距离的微小变化，达到评定工程稳定性、研究工程围岩及支护的变形发展规律及确定合理支护参数的目的。收敛监测方法所采用的仪器，普遍为收敛仪和全站仪2种。收敛仪的优点在于操作简单方便，较经济，测量数据精度高，且稳定可靠，是地下工程常用的测量手段之一[4]。因此在本次采动压力的监测中，选择收敛仪进行监测。

收敛仪是利用机械传递位移的方法，将2个基准点的相对位移转变为位移计的2次读数差。如图1所示，当用挂钩连接2基准点A、B预埋件时，通过调整调节螺母，改变收敛仪机体长度可产生对钢尺的恒定张力，从而保证量测的准确性及可比性，机体长度的改变量，由机械或电子的方式测出。

图1 收敛仪工作示意

当A、B2点间随时间发生相对位移时，在不同时间内量取AB的距离l，其差值就是A、B2点间的相对位移值。有如下关系：

(1)

(2)

式中，εn为第n次当次收敛量，mm；εnt为第n次累计收敛量，mm；ln、ln-1和l1分别为第n次、第n-1次和第1次测量的AB距离，mm。

2 监测方案设计与实施

监测工作以二道沟金矿为工程背景，选择了15中段刚开始回采不久的1530采场(深617m)。该采场采用削壁充填法开采，在进行采动压力监测时，已经上采了约10m左右。根据监测需要和现场条件，监测巷在深度方向上，设计布置在1530#采场下部运输水平；在走向方向上，设计布置在采场中间位置。监测巷的测点边界和采场顶部投影的位置对齐。按照设计，共需埋设P1～P55排测点，测排间距2 m。

监测巷断面尺寸取2.0 m×2.0 m，测排内测点布置如图2(a)所示，在巷道的顶底板和两帮中央位置分别布置测点A、B和C、D，4个测点布置在同一垂面上。在施工监测点钻孔时，要求钻孔轴线垂直于巷道表面，钻孔深度0.8 m，用于埋置监测挂钩。挂钩用φ8 mm钢筋加工而成，尾部用混凝土埋入孔内0.5 m，挂钩头露出巷道表面以便于测量作业。选择采用HJH-20-30A型收敛仪进行监测，见图2(b)。

图2 监测点布置及收敛仪工作示意

监测巷于2011年5月19日开始施工，其施工方法同正常采准巷道掘进一样，采用筒形掏槽法，炮孔深度1.8 m，进尺约1.5 m。由于现场脉外运输巷稳固性较差，多处进行了钢架支护，因此实际施工时，位置并没有严格施工在中间，而是偏向一侧(图3)。监测巷于5月31日施工完毕，于6月13号开始施工监测点，各测点于2011年6月16日安装完毕。各测点实际位置见图3，剖面位置见图4。

图3 监测巷实测平面

3 监测结果分析

监测工作从2011年7月5日开始进行，此时采场已上采了约10 m高(图4)，到2012年1月12日，已经上采了约37 m高。将监测的数据整理，可得到顶底板和两帮的累计收敛值随采高的变化关系(图5)。图5中数据根据公式(2)进行计算，即以第1次监测数据为基准，其他时间的监测数据在第1次监测的基础上，得到累计收敛值，其中正数表示顶底板和两帮的间距较第一次是变大的，负数则表示是减小的。

图4 监测巷和测排布置剖面

图5 监测巷顶底板和两帮的收敛值随采高的变化

由图4所示的相对位置可知，1530采场从下向上回采，逐渐卸掉监测巷道的垂直压力。由图5对比可见，在该卸压过程中，巷道两帮的变形幅度要大于顶底板变形幅度。即对于卸压的反应，巷道两帮要比顶底板敏感。这种差别的形成主要与两者受力情况不同有关。

为分析监测巷道两帮与顶底板受力差别，对其进行了平衡拱力学分析。由于1530采场附近应力场以垂直应力为主，此时监测巷道受垂直压力作用，并将其简化为均布载荷，可得到如图6所示的监测巷道受力状态，在监测巷道的应力平衡拱上，顶板围岩受到水平压力T、两帮围岩受到垂直压力R的作用。根据力系平衡关系，可得到如下关系式[5]：

(3)

整理得：

(4)

式中，l为巷道宽度的一半；h为巷道的高度；q为垂直压应力，kN/m2；q=γH；γ值为上覆岩层容重，kN/m3；H为巷道顶板埋深，m；各符号的意义见图6。

图6 巷道平衡拱受力状态分析

根据监测巷道断面尺寸，有h=2l=2 m，代入式(4)可得：R=4T，即两帮所受压力为顶板压力的4倍。因此，正是这种受力大小的差别，才导致两帮的变形量要比顶底板变形量要大。

监测巷道为穿脉巷道，穿过岩层的倾角约为72°。由于倾角大，层理面对顶底板与两帮的变形影响较小，监测得到的顶底板与两帮围岩的收敛值，能够较好地反应岩体沿层理面方向的变形大小。同时，由于围岩坚硬，监测巷道稳固性好，在整个监测过程中，周边围岩未出现明显的塑性变形，因此可以推断，围岩主要处于被压密和弹性变形阶段。在该阶段，变形能够与所受压力保持较好的单调变化关系。而巷道两帮的横向变形，不受重力场作用。因此，可以利用巷道两帮的收敛变化，来揭示岩体所受采动压力的变化。

由图5(b)可以看出，两帮收敛值基本呈现随着采高增大而逐渐增大的趋势。5排测点收敛值增加幅度从大到小依次为P4、P3、P5、P2和P1。P1排收敛值增加幅度最小，主要是因为该排在最靠近采场侧，采动压力已基本稳定。相反地，P5排在最外侧，影响也较小。而P2～P4排处于回采投影范围之内，受采动压力影响较大，这同时也验证了二道沟金矿以垂直应力为主这一原岩应力特点。

在岩体变形与压力保持单调变形阶段，所受压力越大，岩体变形量越大。同理，在卸压过程中，受压力越大的部位，在解除压力后岩体恢复变形量也就越大。从卸压后恢复变形量的大小，可反应出卸压前岩体所受压力的大小。因此，为了得到采动压力曲线，只需取各监测点两帮最大收敛值，即可用其表示压力的变化，由图5可得，P1～P5测排最大收敛值分别为1.2、1.11、2.67、3.82和2.01 mm，将这些值绘制如图7所示。从图7可以看出，采动压力从上部采场上盘回采边界到P4测排投影位置过程中急剧变大，并在P4测排投影位置处形成峰值，随后往上盘侧趋于平缓。整个波峰区域宽约7 m。由于二道沟金矿原岩应力主要以垂直应力为主，因此，采动形成的应力集中是该矿采场岩爆发生的主要外部条件。这种比较集中的采动压力分布特点，适合采用卸压的方法对其进行控制，从而阻止岩爆发生所需外部高应力条件的形成。

4 结 论

(1)对于二道沟金矿急倾斜极薄矿脉的削壁充填法开采，采动压力收敛监测结果表明，随着回采高度的增加，监测巷道顶底板间距呈现减小的趋势，而两帮间距则呈现增大的趋势，且两帮的变形幅度比顶底板的要大。

(2)通过分析，利用巷道两帮的收敛变化，来揭示采场围岩所受采动压力的变化。根据各监测点两帮最大收敛值，绘制出采动压力曲线。由该曲线可知，采动压力在距上部采场上盘回采边界约7 m的范围内形成波峰，再往上盘侧则趋于平缓。

(3)对于二道沟金矿这种比较集中的采动压力分布特点，适合采用卸压的方法对其进行控制，从而阻止采场岩爆发生所需外部高应力条件的形成。

图7 采动压力特性曲线

[1] 林韵梅．地压讲座[M]．北京：煤炭工业出版社，1981． Lin Yunmei.Ground Pressure Lectures[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1981.

[2] 付东波，齐庆新，秦海涛，等．采动应力监测系统的设计[J]．煤矿开采，2009，14(6)：13-16． Fu Dongbo，Qi Qingxin，Qin Haitao，et al.Design for mining stress monitoring system[J].Coal Mining Technology，2009，14(6)：13-16.

[3] 李玉宝，杨 丽．收敛计检验与精度分析[J]．测绘通报，2009(3)：45-48． Li Yubao，Yang Li.Testing and precision analysis of convergence indicator[J].Bulletin of Surveying and Mapping，2009(3)：45-48.

[4] 赵先福，杨 伟，高菊容,等．庙林水电站引水隧洞施工中的围岩收敛变形监测[J]．云南水力发电，2011，26(3)：112-114． Zhao Xianfu，Yang Wei，Gao Jurong，et al.Convergence deformation monitoring in diversion tunnel of Miaolin Hydropower Station[J].Yunnan Water Power，2011，26(3)：112-114.

[5] 任凤玉，丁航行，张东红，等．缓倾斜层状岩体巷道断面形状与支护方式[J]．东北大学学报：自然科学版，2011，32(1)：125-128． Ren Fengyu，Ding Hanghang，Zhang Donghong，et al.Cross-sectional geometry of drifts in gently sloping layered rock and support method[J].Journal of Northeastern University:Natural Science，2011，32(1)：125-128.

(责任编辑 石海林)

Monitoring of Mining Pressure in Exploitation of Steeply Inclined and Extremely Thin Vein with Resuing Stoping Method

Ding Hangxing1Ren Fengyu1He Rongxing1Li Boran2Chang Shuai3

(1.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；2.LiaoningErdaogouGoldMiningCo.，Ltd.，Chaoyang122126，China；3.SchoolofMiningEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China)

The orebody of Erdaogou gold mine is steeply inclined and extremely thin，which is caved by the methods of resuing stoping and short-hole shrinkage.With the increase of mining depth，stope rockburst occurred seriously.In order to study the source of high stress needed by rockburst，the author carried out the mining pressure monitoring to mining process.With the method of tunnel convergence deformation，the convergence deformation of roof-floor and two sides was monitored in the process of the No.1530 stope caved by resuing stoping method.The monitoring results showed that with the increase of caving height，the space of monitoring tunnel roof and floor tends to decrease while the space of two sides tends to increase.Besides，the deformation magnitude of two sides is larger than the roof and floor.What's more，according to maximum convergence value of each monitoring point of two sides，the author drew the mining pressure characteristic curve.It is found that mining pressure formed peak value in the area of 7 m distance from the upper stope boundary，then after that tend to level off.For this relatively concentrated distribution characteristics of mining pressure，it is suitable to adopt the stress-relief method to control，so as to prevent the formation of external high stress condition needed by rockburst.

Resuing stoping method，Mining pressure，Convergence monitoring，Rockburst，Stress-relief

2014-10-21

中国博士后科学基金项目(编号：2013M541244)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2013BAB02B08)。

丁航行(1984—)，男，讲师，博士。通讯作者 任凤玉(1956—)，男，教授，博士研究生导师。

TD853.34,TD326

A

1001-1250(2015)-02-036-04