黄海余

(内蒙古锡林郭勒盟镶黄旗安全生产监督管理局)



金属矿深部开采巷道位移监测与围岩稳定性分析

黄海余

(内蒙古锡林郭勒盟镶黄旗安全生产监督管理局)

针对新城金矿深部开采过程中出现的巷道围岩稳定性问题，采用深部开采位移监测系统实时监测矿区深部采场和围岩变形，基于监测信息，综合分析了围岩稳定状态，揭示了金属矿深部开采过程中影响巷道稳定性的主要因素和岩体损伤与变形规律：软弱结构面是影响深部开采巷道稳定性的内在因素，开采扰动是影响巷道稳定性的外在因素；岩体损伤破坏经历了“稳定—失衡—再稳定”的过程，巷道变形表现出了“急剧增长—缓慢增长—基本稳定”3个阶段；浅部围岩破碎后巷道变形会急剧增大，应及时支护掘进巷道，充填回采结束采场，提高围岩体的自承力。结果对矿山优化开采及地压管理具有现实指导作用。

深部开采 围岩变形 位移监测 变形速率

随着浅部矿产资源的日益枯竭，深部开采已成为地下矿山开采的必然趋势。深部开采过程中巷道和采场围岩处在高地应力和高熔岩水压的复合应力环境中，稳定性面临着巨大的威胁[1-2]。位移监测是评估围岩稳定性的重要方式，是揭示矿山采场岩体变形规律的科学手段，在现场应用中具有直观性和实用性[3-4]。新城金矿已进入深部海底开采阶段，开采深度将超过1 000 m[5]。深部开采过程中地压显现加剧，巷道围岩变形、塌方、冒顶、片帮等事故日渐增多，特别是在-600 m水平以下已出现了显著的巷道围岩失稳状况，为了解决新城金矿深部开采中出现的一系列问题，建立基于多种监测手段的深部开采位移监测系统，实现对矿区深部围岩变形的实时监测，综合分析围岩稳定状态，揭示深部海底开采过程中围岩损伤和变形规律，对于指导类似深部矿山安全高效开采具有重要的科学和实用价值。

1 巷道概况

新城金矿为海底开采井工矿山，影响深部开采巷道稳定性的主要因素为F1、F3断层等大型软弱结构面。坑道位于F1断裂的下盘，北西向构造比较发育，断裂带及附近岩石受挤压而破碎，掘进时易产生掉块和塌方。F3断裂走向北西，倾角接近90°，断裂带内岩石破碎，主要由碎石、泥石、高岭土、砂砾石及黏土充填而成。地下水的长期浸泡使其处于水饱和状态，导致填充体物质颗粒之间摩擦力减少，-600 m 水平运输巷掘进至F3断层时，急剧增加的地应力使巷道围岩变形、塌方、事故日益增多。作为衔接采场深部开采的关键运输巷道，-600 m巷道(图1)的稳定性关系到整个采场安全生产。

图1 -600 m水平运输巷

2 巷道表面位移监测

2.1 监测方法

采用煤科院北京建井所生产的JSS30A型伸缩式数显收敛计对巷道两帮收敛、顶板下沉等进行监测，该仪器的测量精度为±0.1 mm，读数精度为±0.05 mm，量测基线长0.5～15 m。具体测量原理参照文献[6]。本次监测出现问题较多的-600 m水平巷道北段运输巷道，具体巷道量测断面测量基线布置见图2。

图2 巷道断面测线布置

2.2 监测点布置

新城金矿采用上向水平充填采矿法[5]，采矿作业向上推进，围岩体应力会经历“平衡—失衡—再平衡”的过程，巷道的稳定状态会经历明显的阶段性。为了保证监测的长期性和精准性，在充分考虑避让风管和水管位置、保证仪器读数和正常监测、仪器安装不影响矿山正常生产工作的前提下，将监测点设置在连接采联的-600 m中段巷道。主要包括多点位移监测点2个，巷道断面收敛测点4处，各测点具体位置见图3。

图3 各测点位置分布

2.3 断面各测线位移监测结果

图4(a)、图4(b)为1#和2#断面测点处测线收敛变形曲线，整个监测周期内巷道变形速率最大值为0.08 mm/d，最小为0.04 mm/d，从监测的第40 d开始，受-600 m水平主要生产采场的影响，测线收敛变形的速率有所增大，但因采场距该测点较远，收敛变形速率受此影响的变化幅度较小，说明围岩稳定性影响较小。开采结束后，巷道围岩最大变形速率为0.04 mm/d，平均变形速率在0.02～0.03 mm/d，可以看出此区域内的围岩稳定性主要受采动扰动影响，采场作业过后，该测点附近的巷道围岩比较稳定。

图4(c)、图4(d)为3#和4#断面测点处测线收敛变形曲线，此处测点位于-600 m中段，1830线附近，F3断层以北。F3断层以北的巷道都是由南向北逐步开拓，因此，此处巷道位移较明显。AC测线在84 d内的累计收敛量达到了3 mm，比3#测点AC测线最大收敛量超出了1 mm。监测初期的变形比较剧烈，且有比较明显的增长趋势，随着时间的推移，增长趋势逐渐放缓，围岩变形趋于稳定。在巷道开挖和回采的全过程中，巷道围岩变形经历3个阶段：变形急剧增长—变形缓慢增长—变形基本稳定。在120 d时，接近6个月的监测时间内，上述3个阶段的变形特征在该监测点都得到了很好的体现。

图4 不同断面各测线时间位移曲线

3 巷道深部多点位移监测

3.1 监测方法

采场深部开采过程中，岩体在扰动应力的影响下，围岩不同深度会经历不同程度的损伤演化过程，岩体不同深度的位移可以一定程度上表征围岩体的稳定状态，并且相较于表面位移监测具有一定的超前性[7-8]。根据新城金矿涌水量较大、岩体较完整的特点，本次监测采用自行研发的锚固式多点位移计，通过在岩体不同深度布设测点，可以对岩层位移情况进行实时、连续监测，监测装置主要包括内管、圆盘、量测钢丝、钢爪和数据传输装置5部分，位移计采用分布网络测量系统，能够实现自动化采集数据，并按照采集时间顺序存储在数据库中，监测人员可通过监测系统实现数据的查阅、实时显示、绘制曲线等功能[9]。

3.2 监测点位置

本次监测工作在-600 m水平巷道南北两端布设2个多点位移计测点(图2)。根据岩体不同深度每个测点分别布设4个监测点，距离岩体表面的深度分别为20,15,10和5 m，实现对岩体稳定性的立体监测，多点位移计断面布置见图5。

图5 多点位移计断面布置

3.3 深部多点位移监测结果

图6为岩体不同深度位移时间曲线。在该监测周期的前40 d，各测点平均变形速率在0.03 mm/d以上，变化较平稳，在监测后期100 d内，各测点岩体内不同深度的位移都呈现出渐进增长的趋势，平均变形速率在0.07 mm/d以上。不同测点又具有差异性，说明采场内岩体破坏损伤呈现出一定的时空差异性。在时间上，岩体在采动影响下位移逐渐增大，最后趋于稳定，表明岩体的损伤破坏经历了“稳定—失衡—再稳定”的过程，因此，在工程上应避免短时间内的集中大规模开采，及时支护，缩短岩体失衡时间，使岩体快速再稳定；在空间上，同样的采动影响下，浅部岩体位移较大，深部位移相对较小，1#测点整体岩体的位移变化值差别不大，2#测点岩体内部各测点位移变化差异较大，这是因为2#测点距离F3断层较近，短时间的集中开采作业造成浅部岩体位移增大较迅速，深部位移相对较平稳，说明此区域内浅部岩体已较破碎，应防止浮石垮落造成的安全隐患，及时采用锚喷支护增强围岩自承力，确保开采安全进行。

4 结 论

(1)断层等结构面是影响深部开采巷道稳定性的内在因素，开采扰动是影响巷道稳定性的外在因素，-600 m采场内断层附近的开采活动对采场稳定性影响较大，应避免断层附近的大规模集中开采，合理优化开采顺序，保障开采安全。

图6 各测点不同深度位移时间曲线

(2)通过监测可以看出开采活动使岩体损伤破坏经历了“稳定—失衡—再稳定”的过程，巷道变形经历了“急剧增长—缓慢增长—基本稳定”3个阶段，因此，开采过程中应及时支护采场岩体，缩短岩体失衡时间，提高围岩体的自承力，保持巷道稳定。

(3)采场岩体的损伤演化过程中呈现出了很强的时空差异性，总体上来说，开采过程中深部岩体的变形要小于浅部岩体，浅部围岩破碎后巷道的变形会急剧增大，稳定性会受到很大的影响，必须及时支护掘进巷道，充填采场，保障安全高效开采。

[1] 赵文斌，阎 南，蔡增祥．浅论我国金属矿山采矿技术现状与发展趋势[J]．有色金属设计，2011，38(3):15．

[2] 陈宗基.地下巷道长期稳定的力学问题[J].岩石力学与工程学报，1982(1)：1-19.

[3] 刘 高，王小春，聂德新．金川矿区地下巷道围岩应力场特征及演化机制[J].地质灾害与环境保护，2002，12(4)：40-45．

[4] 高建科，杨长祥.金川二矿区深部采场围岩与充填体变形规律预测[J].岩石力学与工程学报，2003，22(S2)：2625-2632．

[5] 付秋波，冯连伟，杨 强.新城金矿残留矿壁回采技术研究及应用[J].科技创新导报，2015(13):50.

[6] 华北科技学院.一种边坡位移预测方法:中国，CN103207952A[P].2013-07-17.

[7] 柏建彪，侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报,2006，35(2)：145-148.

[8] 贺永年，韩立军，邵 鹏，等.深部巷道稳定的若干岩石力学问题[J].中国矿业大学学报，2006，35(3)：288-295.

[9] 刘 炜，杨瑞霞，张睿冲．深部矿体回采过程对巷道变形影响研究[J].金属矿山，2013(5):53-55．

2016-08-11)

黄海余(1988—)，男，助理工程师，013250 内蒙古锡林郭勒盟镶黄旗新宝拉格镇。