某铁矿开采扰动下矿压变化规律研究

刘 艳，蔡美峰，杨志军，王 潇，李航空

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

某铁矿露天开采自1965～1968年进行短期生产，1981年恢复生产，至2007年2月露天开采结束。为了实现露天转地下的不停产过渡，该矿采用露天-地下联合开采的过渡方案，于2006年9月开始进行挂帮矿开采。露天挂帮矿体开采和地下开采，均使用无底柱分段崩落法进行。

-45m水平是该矿露天与地下联合开采的一个关键水平，主斜坡道和主要联络巷道都布置在该水平中。由于在露天开采过程中的大规模开挖，已经给周围岩体造成了较大的应力扰动，其中，以压应力释放为主，局部可能产生应力集中[1]。在地下开采过程中，使用无底柱分段崩落法继续开采，将会形成更为复杂的应力场，从而引起巷道围岩的进一步变形破坏。因此，对该水平开采扰动下的矿压变化规律进行研究，是非常有必要的。

1 矿区地质构造与岩体结构

1.1 矿区地质构造

该矿位于华北地台北缘燕山沉降带中部，马兰峪-山海关复背斜的次级构造单元中，矿区内主要断层为F9断层，是矿区的主要结构面。该断层走向20°～50°，倾向NW，倾角83°；走向长500 m，宽8～10 m，倾向延伸可达700～800 m，属于正断层。由于受F9断层破坏，矿床被分割为大小两部分。断层带内可见压碎岩，断层角砾岩，擦痕。绿泥石化、片理化发育，局部有岩脉穿插。矿区内F9断层穿过-45 m水平的主运输巷道，围岩受区域构造影响严重。

1.2 -45m水平岩体结构

分析-45m水平岩体的地层特性可以看出，该水平主要是由黑云混合片麻岩和混合花岗岩组成，而且岩石质量都为IV～V，且节理、裂隙发育，岩体的稳定性比较差。

2 巷道围岩应力监测

当巷道开挖以后，会引起附近围岩内应力的重新分布，其分布状况与开采技术条件以及岩体的物理力学性质密切相关[2-4]。在进行巷道围岩稳定性分析时，通过对开采扰动下矿压的变化规律进行研究，从而了解岩体内应力的大小、方向、分布状态以及它的变化规律。经实践研究证明，对采场地压进行监测，可以很好的评价开采巷道的稳定性，推断采场进入危险状态的时间、位置[5-6]。

本文主要针对-45m水平，采用动压监测手段对开采扰动下的矿压变化情况进行监测。

2.1 监测原理

钻孔应力监测是通过测量由采动影响导致的岩层内部应力场的变化，从而研究采场地压作用规律的一种重要手段[7]。该方法可以为巷道围岩稳定性评价及支护设计优化提供科学依据，对矿山安全生产具有非常重要的指导意义。本研究中选用具有灵敏度高、读数方便等特点的ZYJ-25型钻孔应力计对地下围岩应力进行监测。

在安装钻孔应力计进行监测时，用安装杆将探头缓缓推入直径为45～55 mm的钻孔内，并通过加压使探头紧贴孔壁。当岩体内的应力发生变化时，钻孔内应力通过应力枕两面的包裹体传递到应力枕，转变为应力枕内的液体压力，该压力经油管传递到压力表，压力表即可显示出孔内的应力值。

2.2 测点及布置形式

2.2.1 测点布置

为掌握采场地压变化规律，结合回采顺序、爆破进度等，主要在-45m水平的J3和J4工作面进行了重点监测，地压监测点在J3进路布置8个，分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#；J4进路布置4个，分别为9#、10#、11#、12#。其中，2#、4#、5#、7#、10#、12#测点布置在巷道左帮，1#、3#、6#、8#、9#、11#测点布置在巷道右帮，两相邻测点之间的距离为7 m。其中，J3进路的1#测点距开切眼最近，为20 m；J4进路的9#测点距塌陷区距离最近，仅有6 m。

2.2.2 布置形式

由于ZYJ-25型钻孔应力计可以监测任何一个方向的应力变化，在本次监测中，主要是针对竖直方向上的应力变化情况进行监测，故将钻孔应力计布置在回采巷道两帮的水平孔内，埋深为2～3 m。在安装时，将应力枕水平放置，使包裹体处于上下位置。钻孔布置参数见表1。

表1 钻孔布置参数表

2.3 数据处理与分析

2.3.1 监测结果

此次采场地压监测在-45m水平的J3、J4进路共设置12个监测点，平均每两天下井观测一次。监测时间从2010年7月29日到2010年的10月31日，历经37d。其中，5#、10#、11#、12#监测点损毁。随着工作面的不断向前推进，各进路的测点先后被损毁。通过将监测到的数据进行归纳整理，得到以距工作面的距离为横轴，应力计读数为纵轴的折线图，见图1～图4。(由于-45m水平9#监测点距塌陷区较近，故作应力随时间的变化曲线)。

2.3.2 监测结果分析及预测

从钻孔应力计的安装到工作面开始回采(历经14d)，J3、J4进路的应力计读数均有所下降，J3进路的应力计读数最少下降了0.3 MPa，最多下降了0.7 MPa，平均下降了0.54 MPa；J4进路的应力计读数最少下降了0.6 MPa，最多下降了1.3 MPa，平均下降了1.0 MPa。这种情况，主要是由于巷道开挖以后，围岩体发生塑性变形，使得应力有所释放造成的。随着围岩体逐步趋于稳定，应力计读数也趋于恒定。另外，J4进路的应力计读数下降值几乎是J3进路的两倍，这进一步说明了J4进路的巷道围岩体较为破碎。

图1 -45m水平3-1#测点压力观测曲线

图2 -45m水平3-2#测点压力观测曲线

图3 -45m水平3-4#测点压力观测曲线

图4 -45m水平4-9#测点压力观测曲线

从图1～图4上的测点压力观测曲线可以知道：-45m水平采场地压最大峰值点在距工作面33.5m～36.5m之间，这说明采场地压不仅受回采工艺的影响(炮孔排距、装药量、回采顺序等)，且还与采场节理、裂隙、断层等地质因素有关。

从图4的压力观测曲线上可以看出，9#钻孔应力计读数先是缓慢下降，最后降低为0 MPa。这主要是由于9#钻孔应力计距坍陷支护区较近(仅有6m)，一方面巷道围岩较为破碎，另一方面巷道围岩变形量较大(两帮移近量最大15.2 mm)，使得围岩应力得以充分释放。

综上可知，巷道围岩体中的竖直压力变化幅度总体上不算太大，都在6.2 MPa以下，这说明受爆破扰动后，采场应力突出不是很明显，局部的应力集中，不会对巷道的稳定性造成太大的影响。

3 结论

通过对巷道围岩进行钻孔应力计监测发现，在开采扰动作用下，采场地压不仅受回采工艺的影响，而且还受到采场节理、裂隙、断层等地质因素的影响。在目前的开采扰动过程中，采场应力突出不明显，不会对巷道的稳定性造成较大影响，但随着开采深度的增加，今后有必要继续对矿压进行监测。根据围岩应力集中大小与分布形式，建议采用声发射监测技术及其他测定地应力方法，来预测预报顶板来压的强度和时间，从而更深入的掌握地压规律，及时采取有效措施，达到预防冒顶、片帮事故，保证矿山生产安全的目的。

[1] 何姣云, 任高峰. 露天转地下开采巷道变形监测及灰色预测[J]. 矿业研究与开发, 2006, 26(5)：72-74,82.

[2] 赵海军, 马凤山, 丁德民, 等. 采动影响下巷道变形机理与破坏模式[J]. 煤炭学报，2009, 134(5):599-604.

[3] 苏国韶, 冯夏庭, 江权,等. 地应力下地下工程稳定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25 (12):2453-2460.

[4] 蔡美峰, 何满潮, 刘东燕. 岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

[5] 蔡美峰. 金属矿山采矿结构设计优化与地压控制—理论与实践[M]. 北京：科学出版社, 2001.

[6] 冯仲仁, 张兴才, 张世雄,等. 大冶铁矿巷道变形监测研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(3):483-487.

[7] 周诗建, 周华龙,等. 矿山压力观测与控制[M]. 重庆：重庆大学出版社, 2010.