陕西铅硐山矿业有限公司巷道地压分析

李龙伟

（陕西铅硐山矿业有限公司，陕西 凤县 721707）

陕西铅硐山矿业有限公司巷道地压分析

李龙伟

（陕西铅硐山矿业有限公司，陕西 凤县 721707）

随着铅硐山井下开采逐渐向深部延伸，采矿受采空区、断层等地压影响越来越大，部分中段巷道出现片帮、顶板开裂、底鼓等现象。本文主要通过建立模型，进行深入研究、分析，得出巷道应力分布，获得各中段巷道地压显现规律。

巷道；地压；模型；应力

陕西铅硐山矿业有限公司1 330中段以上矿体现已基本回采结束，目前主要进行深部矿体的开采。1 330中段以上的采空区已被千枚岩或废石充填，现在1 330中段矿体走向西端附近（矿体鞍部）出现北侧巷道底鼓、片帮和南侧局部帮墙顶板开裂、片帮等地压显现现象，对回收1 330中段以下矿体造成安全威胁。为了弄清1 330中段巷道地压显现的原因，探索深部矿体开采时中段巷道地压显现规律，笔者建立了地压模型，并对模型进行验证分析，得到中段巷道应力分布规律，从而有效防治地压影响较大的区域，使矿山更安全、更稳定、更有效地发展。

1 计算模型检验

1.1 岩体力学参数及分析

岩体力学参数，见表1。

表1 岩体物理力学参数

依据伍法权的《统计岩体力学原理》，在上述围岩计算参数的基础上，容重折减为1/1.4，泊松比不变，弹性模量折减为1/70，内摩擦角折减为1/6，其他参数折减为1/10，分别得到上、下盘围岩的弱化参数[1]。采场充填体是上、下盘围岩的混合物，按照上、下盘围岩的弱化参数取平均值得到采场充填体的参数。由于千枚岩的抗拉强度最低，为了让断层切断巷道北侧围岩的计算效果更明显，按千枚岩的参数，弹性模量折减系数取1/2、抗拉强度折减系数取1/10，抗压强度折减系数取1/3，内摩擦角折减系数取2/5，内聚力折减系数取1/2，泊松比与密度不折减，得到断层建模的物理、力学参数[2]。

1.2 模型建立

根据工程地质调查，在重力应力场下选取典型剖面建立矿体开采的数值计算模型，不计地震、地表降雨及河流等水力学特征的影响。断层取正常单元的尺寸0.5×0.5×0.5，在1 330 m巷道北侧帮墙上建立一条断层，并输入表1的断层参数，模拟断层对巷道开挖的影响。应力分布图表中，拉应为“+”，压应为“-”，单位为Pa[2-3]。

1.3 模型验证分析

按照井下实际情况及开采顺序，分两种情况实施开采。

（1）鞍部矿体开采时，①开采鞍部矿体，②开挖形成1 330 m中段巷道，③开挖形成1 280 m中段巷道，④开采1 330 m中段巷道北侧矿体，⑤开采1 330 m中段巷道南侧矿体；

（2）鞍部矿体不开采时，①开挖形成1 330m中段巷道，②开挖形成1 280 m中段巷道，③开采1 330 m中段巷道北侧矿体，④开采1 330 m中段巷道南侧矿体。

按照上述两种情况，数值模拟浅部1 330 m中段巷道及其周边矿体的整个开采（挖）过程，得到1 330 m、1 280 m、1 230 m中段巷道的应力分布分别见表2、表3。

表2 鞍部有采空区时中段巷道应力分布

表3 鞍部无采空区时中段巷道应力分布

结果表明，按照目前实际开采（挖）顺序，无论鞍部是否有采空区，1 330m中段巷道北侧底部与帮墙、南侧顶部与帮墙都存在大面积受拉区域，最大拉应力值介于2.10～2.71 MPa之间，均超过灰岩抗拉强度的69.5%。巷道在长期暴露或后期不充分预应力支护的情况下，会发生疲劳拉应力破坏，出现北侧片帮和底鼓，南侧帮墙或顶板开裂、片帮等现象。随着开采深度增加，1 280 m中段巷道北侧帮墙和顶角受拉应力，个别点最大拉应力达到1.5 MPa，这些拉应力不超过灰岩抗拉强度的49.7%，但在长期疲劳作用下也会造成巷道在北侧帮墙和顶角局部发生开裂、片帮或冒落；类似地，鞍部采空时底板局部出现受拉底鼓。1 230 m中段巷道底板均微弱受拉，最大拉应力不超过0.71 MPa，仅为灰岩抗拉强度的3.3%，远低于发生疲劳拉应力破坏的强度，在长期疲劳作用下巷道不会发生明显破坏；类似地，鞍部采空时顶板局部不会受拉冒落。从表2、表3的比较分析来看，1 330 m中段巷道顶板局部卸压后，南侧采空区与鞍部采空区未连通，导致顶板应力沿两采空区的隔离岩层向1 330 m中段巷道的南侧顶角集中施压，使南侧顶角拉应力略微增大，北侧底脚拉应力略微减小[4]。

2 浅部开采的巷道地压显现原因分析

为了准确分析浅部巷道破坏的原因，笔者建立了数值模拟的计算模型[5]，并按生产实际开采（开挖）顺序，分1 330 m中段巷道以上的鞍部矿体开采及不开采两种情况，逐步模拟1 330 m中段巷道形成后，矿体开采引起1 330 m中段巷道的应力分布。

2.1 开采1 330 m中段巷道以上的鞍部矿体

①开挖形成1 330 m中段巷道，②开挖形成1 280 m中段巷道，③开采1 330 m中段巷道北侧矿体，④开采1 330 m中段巷道南侧矿体，⑤南侧与鞍部采通。开采（挖）后1 330 m中段巷道的应力分布分别见图1、表4～6。

图1 1 330 m中段巷道形成的应力分布

表4 北侧矿体开采后巷道的应力分布

表5 南侧矿体开采后巷道的应力分布

表6 南侧矿体与鞍部矿体之间开采贯通后的应力分布

结果表明，1 330 m巷道以上的鞍部矿体采空后，开挖1 330 m巷道相当于在垂直应力的局部卸载状态下开挖，巷道周边处于小压应力状态，使巷道处于整体受压的三向应力状态，有利于巷道的完整、稳定；北侧矿体开采后，1 330 m中段巷道南部顶角及帮墙、北部底板及帮墙拉应力急剧上升，增大到2.09～2.67 MPa，拉应力达到岩体抗拉强度的69.2%～88.4%，在长期暴露下或锚网无预应力支护时必将发生开裂、底鼓及局部垮落等地压显现；南侧矿体继续开采后，因无断层贯通南侧采空区及1 330 m中段巷道，1 330 m中段巷道南部顶角及帮墙、北部底板及帮墙拉应力继续微弱增大到2.10～2.71 MPa，增大值不超过1.5%，也就是说南侧采空对1 330 m中段巷道的稳定性影响很微弱；假若南侧采空区与顶部采空区贯通，南、北侧采空区与顶部采空区共同形成一近似门字的卸圧拱，1 330 m中段巷道南部顶角及帮墙拉应力降低达46.9%，北部底板及帮墙拉应力降低达64.3%，这说明采空区贯通而形成的门字形卸压拱，对浅部巷道的卸压效果很明显[6]。

2.2 开采1 330 m中段巷道以上的鞍部矿体并假设无断层

类似上述步骤开挖，只假设无断层切割1 330 m中段巷道及北侧矿体，计算结果见表7、表8和表9。

表7 1 330 m中段巷道形成的应力分布

表8 北侧矿体开采后的1 330 m中段巷道应力分布

表9 南侧矿体开采后的1 330 m中段巷道应力分布

对应比较表7、表8、表9与图1、表4、表5、表6，发现没有断层切割，鞍部以下的北侧矿体开采前，由于北侧不整体东南移动，1 330 m中段巷道的围岩整体压应力略有降低，底板显现微弱受拉；其他各步采动，1 330 m中段巷道的围岩应力变化趋势相同，只是拉应力绝对值相比无断层时南帮及顶帮略微降低，北侧帮墙和底板基本相同。出现这种地压显现，是由于无断层切割时南侧帮墙及顶板的弯曲拉伸作用减小，因而拉应力略微降低[7]；另外，下盘围岩是强度相对偏低的灰岩，矿体开采的移动角取60°可能偏大，导致巷道离矿体下盘分界线10 m时就处在移动带内。从表8和表9来看，巷道应布置在矿体下盘分界线以外不小于15 m处。

2.3 1 330 m中段巷道以上的鞍部矿体不开采

第一部开挖形成1 330 m巷道，第二部开挖形成1 280 m巷道，第三部开采1 330 m巷道北侧矿体，第四部开采1 330 m巷道南侧矿体，第五步对1 330 m巷道锚网支护。开采（挖）后1 330 m巷道的应力分布分别见表10～13。

表10 1 330 m中段巷道形成的应力分布图

表11 北侧矿体开采后巷道的应力分布图

表12 南侧矿体开采后巷道的应力分布图

表13 预应力锚杆加固1 330 m中段巷道的应力分布图

结果表明，1 330 m巷道以上的鞍部矿体不开采，开挖1 330 m巷道时由于帮墙的支承压力向底板传递，巷道底板中部受拉，最大拉应力达到1.1 MPa，达灰岩抗拉强度的36.4%，在这种幅度的拉应力长期疲劳破坏下会发生底鼓；北侧矿体开采后，1 330 m中段巷道南部顶角及帮墙、北部底板及帮墙拉应力急剧增大到2.0～2.42 MPa，达到灰岩抗拉强度的66.2～80.1%，在长期暴露下或锚网无预应力支护时必将发生开裂、底鼓及局部垮落等地压显现；南侧矿体继续开采后，1 330 m中段巷道南部顶角及帮墙、北部底板及帮墙拉应力继续微弱增大到2.10～2.42 MPa，增大值不超过5%，这同样说明南侧采空对1 330 m中段巷道的稳定性影响很微弱；假若预应力锚网支护1 330 m中段巷道，预应力为8 kN时南部顶角及帮墙拉应力降低29.8%，北部底板及帮墙拉应力降低19.0%；预应力为32 kN（约3.27吨力）时南部顶角及帮墙拉应力降低38.0%，北部底板及帮墙拉应力降低28.6%，这也说明用带弯钩而不施加预应力的树脂锚网支护该类巷道基本不起作用，为了控制这类巷道的地压，施加很小的预应力（8 kN）就会起到很好的效果（拉应力降低19.0～29.8%），施加约3吨力的预应力时拉应力可降低1/3以上[2]。

3 结论

（1）1 330 m中段巷道发生底鼓、片帮、冒顶，是由于地压长期作用而发生疲劳拉应力破坏的结果。

（2）北侧矿体开采直接导致1 330 m中段巷道南部顶角及帮墙、北部底板及帮墙拉应力急剧增大，这是1 330 m巷道发生破坏的主要原因。从表8、表9及表4～6、表10～13分析来看，无断层切割时巷道应布置在矿体下盘分界线以外不小于15 m处，有断层切割时还应预应力锚网支护。

（3）由于南侧矿体无断层与巷道贯通，其开采对巷道的稳定性影响微弱。

（4）鞍部矿体采空，有利于1 330 m中段巷道卸压；若南、北侧矿体开采的采空区能都与鞍部采空区贯通而形成拱形（门字形）采空区，卸压效果将更明显。

1 伍法权.统计岩体力学原理[M].武汉：中国地质大学出版社，1993.

2 蔡胜海.FLAC3D断层模拟中接触面法与弱化法的研究及应用[D].北京：中国矿业大学，2016.

3 李向阳，李俊平.采空场覆岩变形数值模拟与相似模拟比较研究.岩土力学，2005，26（1 2）：1907-1912.

4 李俊平，王红星，王晓光，等.卸压开采研究进展[J].岩土力学，2014，35（2），350-358.363.

5 李俊平，王红星，王晓光，等.岩爆倾向岩石巷帮钻孔爆破卸压的静态模拟[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2015，47（1）：97-102.

6 李俊平，张 浩，李鹏伟.毕机沟露天矿岩体力学参数折减系数的数值模拟确定[J].安全与环境学报，2016，16（5）：140-145.

7 李俊平，王晓光，王红星，等.某铅锌矿采空区处理与卸压开采方案研究[J].安全与环境学报，2015，15（1）：137-141.

Analysis of Roadway Pressure in Shaanxi Qiandongshan Mining Co., Ltd.

Li Longwei
(Shaanxi Qiandongshan Mining Co., Ltd., Fengxian 721707, China)

With the roadway mining of Qiandongshan gradually extending to the deep, the mining affected by the goaf, fault and other ground pressure is growing, some of the middle section of the roadway appears spalling, roof cracking, bottom drum phenomenon. In this paper, through the establishment of the model, in-depth study and analysis, it obtained the stress distribution of roadway, access to the middle of the roadway pressure law.

Roadway; pressure; model; stress

TD322

A

1008-9500(2017)05-0090-04

2017-03-14

李龙伟（1990-），男，陕西咸阳人，助理工程师，从事采矿设计管理工作。