急傾斜極薄礦脈削壁充填法開采采動壓力監測

丁航行 任鳳玉 何榮興 李波然 常 帥

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧二道溝黃金礦業有限責任公司，遼寧 朝陽 122126；3.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051)

急傾斜極薄礦脈削壁充填法開采采動壓力監測

丁航行1任鳳玉1何榮興1李波然2常 帥3

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧二道溝黃金礦業有限責任公司，遼寧 朝陽 122126；3.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051)

二道溝金礦為急傾斜極薄礦脈，采用削壁充填法與淺孔留礦法開采，隨著采深的增加，發生了多起采場巖爆。為研究巖爆發生所需高應力的來源，特對開采過程進行了采動壓力監測。采用巷道變形收斂監測的方法，實測了1530采場削壁充填法回采過程中，穿脈監測巷道頂底板和兩幫的收斂變形。監測結果表明：隨著回采高度的增加，監測巷道頂底板間距呈減小的趨勢，而兩幫間距則呈增大的趨勢，且兩幫的變形幅度比頂底板的變形要大。并根據兩幫各監測點最大收斂值，繪制了采動壓力特性曲線。由該曲線可知，采動壓力在距上部采場上盤回采邊界約7 m的范圍內形成波峰，再往上盤側則趨于平緩。對于這種比較集中的采動壓力分布特點，適合采用卸壓的方法對其進行控制，從而達到阻止巖爆發生所需外部高應力條件的形成。

削壁充填法 采動壓力 收斂監測 巖爆 卸壓

地下巖體在未受到井巷和采場等地下工程開挖影響前為原巖體，原巖體在各種天然賦存的應力作用下處于平衡狀態。在原巖體中進行工程開挖會擾亂原巖應力平衡狀態，引起工程圍巖中應力的重新分布，直至形成新的平衡應力場——采動應力場。在該過程中，當重新分布的應力超過圍巖的極限強度時，使其發生破壞，并向已開挖空間移動，此時作用在圍巖中的壓力為采動壓力。采動壓力可能導致片幫、冒頂等一般的礦山壓力現象，也可能導致巖爆、地表突然塌陷等嚴重的礦山動力現象[1-2]。采動壓力隨采掘工作的進行，在時間和空間上不斷變化，通過對采動壓力進行監測，弄清采動應力場在開采過程中的時空演化規律，對于研究各種地壓危害的機理與防治方法具有重要的意義。

本研究以二道溝金礦急傾斜極薄礦脈為工程背景，針對該礦脈削壁充填法開采過程中發生的多次巖爆現象，為了弄清巖爆發生的外部采動壓力環境，采用了巷道變形收斂監測的手段，對采場整個開采過程下盤圍巖的采動壓力進行了監測，獲取了采動壓力分布規律，為下一步巖爆的防治提供了依據。

1 采動壓力監測方法

由于壓力為一虛擬物理量，無法直接測出，只能通過變形監測的方式來間接反映。在地下工程的變形監測中，對2固定點之間的徑向收斂與發散長度變化的測量工作，稱為收斂監測或收斂觀測[3]。收斂監測是監測點對點的相對變化，是工程狀況和工程地質環境變化的綜合反映。收斂監測適用于量測隧道、巷道、硐室及其他工程圍巖周邊任意方向2點間距離的微小變化，達到評定工程穩定性、研究工程圍巖及支護的變形發展規律及確定合理支護參數的目的。收斂監測方法所采用的儀器，普遍為收斂儀和全站儀2種。收斂儀的優點在于操作簡單方便，較經濟，測量數據精度高，且穩定可靠，是地下工程常用的測量手段之一[4]。因此在本次采動壓力的監測中，選擇收斂儀進行監測。

收斂儀是利用機械傳遞位移的方法，將2個基準點的相對位移轉變為位移計的2次讀數差。如圖1所示，當用掛鉤連接2基準點A、B預埋件時，通過調整調節螺母，改變收斂儀機體長度可產生對鋼尺的恒定張力，從而保證量測的準確性及可比性，機體長度的改變量，由機械或電子的方式測出。

圖1 收斂儀工作示意

當A、B2點間隨時間發生相對位移時，在不同時間內量取AB的距離l，其差值就是A、B2點間的相對位移值。有如下關系：

(1)

(2)

式中，εn為第n次當次收斂量，mm；εnt為第n次累計收斂量，mm；ln、ln-1和l1分別為第n次、第n-1次和第1次測量的AB距離，mm。

2 監測方案設計與實施

監測工作以二道溝金礦為工程背景，選擇了15中段剛開始回采不久的1530采場(深617m)。該采場采用削壁充填法開采，在進行采動壓力監測時，已經上采了約10m左右。根據監測需要和現場條件，監測巷在深度方向上，設計布置在1530#采場下部運輸水平；在走向方向上，設計布置在采場中間位置。監測巷的測點邊界和采場頂部投影的位置對齊。按照設計，共需埋設P1～P55排測點，測排間距2 m。

監測巷斷面尺寸取2.0 m×2.0 m，測排內測點布置如圖2(a)所示，在巷道的頂底板和兩幫中央位置分別布置測點A、B和C、D，4個測點布置在同一垂面上。在施工監測點鉆孔時，要求鉆孔軸線垂直于巷道表面，鉆孔深度0.8 m，用于埋置監測掛鉤。掛鉤用φ8 mm鋼筋加工而成，尾部用混凝土埋入孔內0.5 m，掛鉤頭露出巷道表面以便于測量作業。選擇采用HJH-20-30A型收斂儀進行監測，見圖2(b)。

圖2 監測點布置及收斂儀工作示意

監測巷于2011年5月19日開始施工，其施工方法同正常采準巷道掘進一樣，采用筒形掏槽法，炮孔深度1.8 m，進尺約1.5 m。由于現場脈外運輸巷穩固性較差，多處進行了鋼架支護，因此實際施工時，位置并沒有嚴格施工在中間，而是偏向一側(圖3)。監測巷于5月31日施工完畢，于6月13號開始施工監測點，各測點于2011年6月16日安裝完畢。各測點實際位置見圖3，剖面位置見圖4。

圖3 監測巷實測平面

3 監測結果分析

監測工作從2011年7月5日開始進行，此時采場已上采了約10 m高(圖4)，到2012年1月12日，已經上采了約37 m高。將監測的數據整理，可得到頂底板和兩幫的累計收斂值隨采高的變化關系(圖5)。圖5中數據根據公式(2)進行計算，即以第1次監測數據為基準，其他時間的監測數據在第1次監測的基礎上，得到累計收斂值，其中正數表示頂底板和兩幫的間距較第一次是變大的，負數則表示是減小的。

圖4 監測巷和測排布置剖面

圖5 監測巷頂底板和兩幫的收斂值隨采高的變化

由圖4所示的相對位置可知，1530采場從下向上回采，逐漸卸掉監測巷道的垂直壓力。由圖5對比可見，在該卸壓過程中，巷道兩幫的變形幅度要大于頂底板變形幅度。即對于卸壓的反應，巷道兩幫要比頂底板敏感。這種差別的形成主要與兩者受力情況不同有關。

為分析監測巷道兩幫與頂底板受力差別，對其進行了平衡拱力學分析。由于1530采場附近應力場以垂直應力為主，此時監測巷道受垂直壓力作用，并將其簡化為均布載荷，可得到如圖6所示的監測巷道受力狀態，在監測巷道的應力平衡拱上，頂板圍巖受到水平壓力T、兩幫圍巖受到垂直壓力R的作用。根據力系平衡關系，可得到如下關系式[5]：

(3)

整理得：

(4)

式中，l為巷道寬度的一半；h為巷道的高度；q為垂直壓應力，kN/m2；q=γH；γ值為上覆巖層容重，kN/m3；H為巷道頂板埋深，m；各符號的意義見圖6。

圖6 巷道平衡拱受力狀態分析

根據監測巷道斷面尺寸，有h=2l=2 m，代入式(4)可得：R=4T，即兩幫所受壓力為頂板壓力的4倍。因此，正是這種受力大小的差別，才導致兩幫的變形量要比頂底板變形量要大。

監測巷道為穿脈巷道，穿過巖層的傾角約為72°。由于傾角大，層理面對頂底板與兩幫的變形影響較小，監測得到的頂底板與兩幫圍巖的收斂值，能夠較好地反應巖體沿層理面方向的變形大小。同時，由于圍巖堅硬，監測巷道穩固性好，在整個監測過程中，周邊圍巖未出現明顯的塑性變形，因此可以推斷，圍巖主要處于被壓密和彈性變形階段。在該階段，變形能夠與所受壓力保持較好的單調變化關系。而巷道兩幫的橫向變形，不受重力場作用。因此，可以利用巷道兩幫的收斂變化，來揭示巖體所受采動壓力的變化。

由圖5(b)可以看出，兩幫收斂值基本呈現隨著采高增大而逐漸增大的趨勢。5排測點收斂值增加幅度從大到小依次為P4、P3、P5、P2和P1。P1排收斂值增加幅度最小，主要是因為該排在最靠近采場側，采動壓力已基本穩定。相反地，P5排在最外側，影響也較小。而P2～P4排處于回采投影范圍之內，受采動壓力影響較大，這同時也驗證了二道溝金礦以垂直應力為主這一原巖應力特點。

在巖體變形與壓力保持單調變形階段，所受壓力越大，巖體變形量越大。同理，在卸壓過程中，受壓力越大的部位，在解除壓力后巖體恢復變形量也就越大。從卸壓后恢復變形量的大小，可反應出卸壓前巖體所受壓力的大小。因此，為了得到采動壓力曲線，只需取各監測點兩幫最大收斂值，即可用其表示壓力的變化，由圖5可得，P1～P5測排最大收斂值分別為1.2、1.11、2.67、3.82和2.01 mm，將這些值繪制如圖7所示。從圖7可以看出，采動壓力從上部采場上盤回采邊界到P4測排投影位置過程中急劇變大，并在P4測排投影位置處形成峰值，隨后往上盤側趨于平緩。整個波峰區域寬約7 m。由于二道溝金礦原巖應力主要以垂直應力為主，因此，采動形成的應力集中是該礦采場巖爆發生的主要外部條件。這種比較集中的采動壓力分布特點，適合采用卸壓的方法對其進行控制，從而阻止巖爆發生所需外部高應力條件的形成。

4 結 論

(1)對于二道溝金礦急傾斜極薄礦脈的削壁充填法開采，采動壓力收斂監測結果表明，隨著回采高度的增加，監測巷道頂底板間距呈現減小的趨勢，而兩幫間距則呈現增大的趨勢，且兩幫的變形幅度比頂底板的要大。

(2)通過分析，利用巷道兩幫的收斂變化，來揭示采場圍巖所受采動壓力的變化。根據各監測點兩幫最大收斂值，繪制出采動壓力曲線。由該曲線可知，采動壓力在距上部采場上盤回采邊界約7 m的范圍內形成波峰，再往上盤側則趨于平緩。

(3)對于二道溝金礦這種比較集中的采動壓力分布特點，適合采用卸壓的方法對其進行控制，從而阻止采場巖爆發生所需外部高應力條件的形成。

圖7 采動壓力特性曲線

[1] 林韻梅．地壓講座[M]．北京：煤炭工業出版社，1981． Lin Yunmei.Ground Pressure Lectures[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，1981.

[2] 付東波，齊慶新，秦海濤，等．采動應力監測系統的設計[J]．煤礦開采，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] 李玉寶，楊 麗．收斂計檢驗與精度分析[J]．測繪通報，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] 趙先福，楊 偉，高菊容,等．廟林水電站引水隧洞施工中的圍巖收斂變形監測[J]．云南水力發電，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] 任鳳玉，丁航行，張東紅，等．緩傾斜層狀巖體巷道斷面形狀與支護方式[J]．東北大學學報：自然科學版，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.

(責任編輯 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

中國博士后科學基金項目(編號：2013M541244)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2013BAB02B08)。

丁航行(1984—)，男，講師，博士。通訊作者 任鳳玉(1956—)，男，教授，博士研究生導師。

TD853.34,TD326

A

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