小铁山矿深部开采巷道变形监测与分析

2017-10-23孟慧媚刘武团

采矿技术 2017年5期

关键词：铁山锚杆测点

孟慧媚，刘武团，高忠

(西北矿冶研究院，甘肃白银市 730900)

小铁山矿深部开采巷道变形监测与分析

孟慧媚，刘武团，高忠

(西北矿冶研究院，甘肃白银市 730900)

随着小铁山矿采矿作业向深部拓展，受地应力和岩性分布的影响，地压活动频繁，引发的地压活动危害问题更为突出。为减少深部开采地压灾害的不利影响，通过对矿山开采巷道围岩的变形监测，分析深部高应力条件下巷道围岩变形特征，制定出适合矿山的支护措施，有效减少了二次支护成本，对保证矿山安全生产具有重要指导意义。

深部开采；变形监测；巷道支护；松动圈

近年来随着开采深度的增加，地应力不断上升，给深部开采巷道围岩的稳定性带来巨大的威胁[1-11]。为了使小铁山矿山安全高效生产，通过深部开采巷道的收敛变形监测，以及巷道围岩松动圈厚度的测试与分析评价围岩稳定性，提供巷道支护最佳时间段；成功指导了矿山支护措施的制定。

小铁山矿是国内罕见的地下开采多金属中型矿山，该矿矿床为多成因、多期成矿的复合型海相火山岩层控矿床，现已生产到八中段(1424 m)及以下矿体。该地段内赋存有大小矿体8个，矿体上盘围岩为硅质千枚岩、绿泥石片岩、凝灰质千枚岩、石英角斑岩，硅化强烈，片理不发育，岩石抗压强度及硬度系数较大，稳固性较高。矿体下盘围岩一般为石英角斑凝灰岩，绢云母化强烈，硅化中等，片理发育，岩性较软，岩石抗压强度及硬度系数较小，稳固性较差。含矿岩组为绿泥石化石英角斑岩，岩石破碎，片理发育，为不稳定岩组，在采矿过程中易冒顶及片落。破碎带岩组主要为下盘石英钠长斑岩与石英角斑凝灰岩的接触带，该岩带的稳定性差，片落、冒顶、跨塌现象常见。随着采矿作业向深部拓展，引发的地压活动危害问题将变得更为突出，为减少深部开采地压灾害的不利影响，加强小铁山矿围岩巷道变形监测，测试巷道围岩松动圈厚度以及分析深部高应力条件下巷道围岩变形特征，制定适合矿山的支护措施等是非常必要的[12]。

1 工程概况

1.1 监测原理

本次巷道围岩收敛监测使用JSS30A型数显收敛计，用于量测隧道、巷道、峒室及其它工程围岩周边任意方向两点间的距离微小变化，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，确定合理支护参数的目的。

1.2 测点布置

经过与矿山讨论并实地勘察，最终确定小铁山巷道围岩收敛监测点位置共4处，分别监测巷道的水平位移和垂直位移变化情况，监测点位置如下：1416 m水平1200穿脉；1416 m水平1050穿脉；1364 m水平1000穿脉；1304 m水平斜坡道联络道。在每个观测断面分别设置4个测点，即在巷道两邦、顶底板各设1个测点，巷道围岩收敛监测测点布置见图1。

图1 巷道围岩收敛监测测点布置

1.3 监测结果

根据测量结果，监测点垂直位移和水平位移如图2和图3所示。

2 巷道松动圈测试

2.1 测试原理

巷道松动圈测试采用SR-RCT松动圈测试仪，本仪器应用于岩体测试，通过对被测岩体声波参数的测试，可以对岩体内部结构进行分析，判断岩体内部破坏情况，确定巷道松动圈范围。

图2 各测点垂直位移

2.2 测点布置

根据小铁山岩性和地应力场分析，结合小铁山生产现状并进行现场实地调查，确定小铁山巷道松动圈测试地点6处，分别为：1452 m水平775穿脉(Mπ3)；1416 m水平850穿脉(Mπ3)；1416 m水平850线以西沿脉巷(Mπ3)；1364 m水平850穿脉(Mπ3)；1364 m水平800线以东沿脉巷(Mπ3)；1316 m水平斜坡道(Mπ0)。

2.3 监测结果

通过对小铁山矿巷道进行松动圈测试，得到各测孔的声波曲线，由该曲线可以判断沿孔深方向不同测点的声速(声时)，以测孔中不同深度的纵波速度为纵坐标，孔深为横坐标，做出沿孔深方向不同测点的声波曲线，即Vp-L曲线，找出曲线上的突变点，其所对应的孔深就为该孔的松动圈范围值[13]。各测试地点的松动圈测试结果如表1所示。

表1 各测试地点的松动圈测试结果

2.4 巷道围岩松动圈理论分析

当工程岩体处在岩石应力-应变弹塑性阶段时，可釆用弹塑性力学的方法进行分析，则可以应用到超过脆-延转化围岩的全部应力-应变曲线区域。针对高应力围岩进行弹塑性分析时，本文将做出如下假设：深埋圆形平巷且巷道近似无限长；原岩应力各向等压；围岩为理想弹塑性体；符合一般理想塑性材料的体积应变为零的假设，不考虑剪胀效应。

在基本理论方程和边界条件下，经计算得到破碎区半径：

(1)

式中，R0为巷道等效半径，m；p为原岩应力，MPa；C为岩体内聚力，MPa；φ为岩体内摩擦角，(°)。

小铁山各中段的运输巷道采用下盘沿脉平巷与穿脉组成的尽头式运输方式，各运输巷道主要布置在矿体下盘，因此本次计算以矿体下盘的石英角斑凝灰岩作为主要考虑对象，石英角斑凝灰岩物理力学参数见表2。

表2 石英角斑凝灰岩物理力学参数

根据现场调研，小铁山巷道破坏情况以1416 m水平沿脉巷道最有代表性，因此本次计算以1416 m水平为例。根据小铁山地形地质图可知，1416 m水平950～825线沿脉巷道的埋深约为484 m，根据小铁山地应力水平最大应力与垂直应力拟合公式，计算出1416 m水平最大应力为31.85 MPa，垂直应力为21.33 MPa。

由于分段沿脉平巷布置在矿体下盘与辅助斜坡道相连，断面3.6 m×4.0 m，根据面积等效原理，计算出巷道的等效半径R0=2.14 m；那么小铁山1416 m水平沿脉巷道围岩松动圈理论计算值Rp为：

同理，八中段及以下围岩松动圈计算值见表3，围岩松动圈计算值与垂直应力关系见图4。

表3 八中段以下围岩松动圈计算值

图4 八中段以下围岩松动圈计算值与垂直应力关系

3 小铁山矿深部矿压显现分析[14]

3.1 巷道收敛变形监测分析

由图2和图3可以看出，小铁山断面的水平位移和垂直位移在断面开挖1周后，围岩变形加速，明显的变形约在开挖后的7～21 d，因此支护应该在变形加速前及时进行，从而以支护构件的支护反力约束围岩变形。分析小铁山巷道位移变形的斜率，巷道断面位移在14 d的时候变形加速明显，因而巷道断面支护时间应在14 d之前，而本次监测点多数位于穿脉巷道中，且穿脉巷道的长度较短，周围的开挖影响范围较小，考虑到正常的采动影响，建议小铁山穿脉巷道的支护时间为断面开挖后8～10 d。

由于沿脉巷道担任阶段内的运输任务，布置测点影响正常的出矿活动，沿脉巷道没有监测点。根据之前小铁山巷道现场破坏调查结果，沿脉巷道与最大水平应力近似垂直，且岩层层理方向与沿脉巷道方向近似平行，这样造成沿脉巷道比穿脉巷道变形严重，因此沿脉巷道变形加速阶段应该比穿脉巷道更早，同时结合国内相关深井软岩变形的文献[15-17]，合理的支护时间约在1周左右，因此综合考虑小铁山沿脉巷道的支护时间应为5～7 d。

3.2 巷道松动圈测试分析

通过现场测试小铁山巷道断面围岩松动圈，结果表明穿脉巷道的多数围岩松动圈在1.5 m范围以内，与理论值相近；而沿脉巷道围岩松动圈在1.6 ～3.2 m范围之内，普遍大于理论值，这是由于巷道支护形式和支护方法单一，同时支护锚杆未进入基岩，导致锚杆锚固不牢，另外支护措施没有及时跟进，没有起到限制围岩变形的效果，在原岩应力的作用下，围岩松动圈继续发展，裂隙逐渐发展为裂缝引起局部岩体松动，甚至发生局部顶板冒顶，如1416 m水平850沿脉出现数次冒顶事件，因此，选择合理的支护方式和支护时机对于限制围岩松动圈具有重要的意义。

3.3 巷道支护措施

根据以上巷道变形监测与分析，结合小铁山矿巷道围岩特性、原岩应力分布特征及巷道破坏特征，提出如下巷道支护方案：

穿脉巷道：在初期支护8～10 d后，首先在顶板和两帮进行打眼，然后进行挂网和安装锚杆，锚杆之间用W型钢带连接，这样钢带能够提高锚杆整体支护效果，最后进行混凝土喷层，使凝灰岩与外界水分进行隔离，同时混凝土喷层使金属网、锚杆、钢带与围岩重新组合，形成加固拱，共同阻止拱外围岩变形，限制巷道围岩松动。

沿脉巷道：在初期混凝土喷层支护5～7 d后进行二次支护，首先在顶板和两帮进行打眼，然后进行挂网，在顶板位置锚索与锚杆支护，把锚索锚固至围岩深部，并施加预应力。这样在巷道支护中，锚杆、锚索配合使用，形成锚杆、预应力锚索的加固群体，相邻的锚杆、锚索的作用力相互叠加，组合成一个“承载层”，这个新的承载层厚度比单用锚杆成倍增加，能使围岩发挥出更大的承载作用。