杨素俊,赵兴东,张洪波,万记龙

(1.东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110004;2.山东黄金集团股份有限公司沂南金矿, 山东沂南市 276300)

沂南金矿地压规律监测技术研究

杨素俊1,赵兴东1,张洪波2,万记龙2

(1.东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110004;2.山东黄金集团股份有限公司沂南金矿, 山东沂南市 276300)

矿山压力显现是与矿山开采过程中的应力场扰动所诱发的微破裂萌生、发展以至贯通等岩石破裂失稳问题相关的。借助地质力学手段以及应力测试方法对沂南金矿-330,-342 m中段采场及巷道围岩进行了变形、应力监测。运用压力盒观测整个采矿过程中围岩应力的变化规律,总结该矿地质力学特征及其应力分布规律;应用多点位移计观测整个采矿过程中巷道围岩深部位移变化规律,探讨采矿活动诱发围岩松动范围的变形规律,掌握了采矿活动全过程的围岩变形变化规律,为选择合适的采矿方法以及地压管理方法提供了科学依据。

岩层失稳;压力显现;地压监测;压力盒;多点位移计

0 引 言

沂南金矿位于沂南县界湖镇金场村内,目前开拓深度达 500余米。矿体倾角在 14°左右,为缓倾斜分支多层矿体,在垂直方向两矿体间距为 40 m左右,采矿方法为房柱法和全面法,空区采用废石回填,实现废石不出坑。矿区内地质条件复杂,为沉积变质矽卡岩型矿床,岩石变质程度高、蚀变物充填节理内部,造成岩体被节理切割破碎,在层间节理之间、以及岩体内岩块之间全部充填有蚀变物[1],此蚀变物在无水作用下具有一定强度,在水的弱化作用下该蚀变物失去强度,造成岩体失稳破坏。

图1 巷道底臌

图2 巷道两帮收缩

近年来,随着开采深度的增加,矿区岩体蚀变程度增加、节理裂隙发育,地压显现明显,致使在主要平巷掘进过程中出现各种地压显现现象,诸如:巷道两帮收缩或片帮、顶板下沉以至冒落、巷道底臌以及支护破坏等现象 (图1～图4)。上述地压显现现象使巷道断面缩小,导致部分地段的正常生产无法进行,制约着井下生产任务的完成,并且严重威胁着设备及工人的人身安全。目前,针对此种地压形式采取的支护形式主要有混凝土砌碹、工字钢支架、浆砌块石以及管缝锚杆配合金属网支护等。这些支护方法不能完全有效地控制地压显现,在高压力段同样造成两帮收缩变形破坏。所以运用特定的手段对整个采矿过程中的围岩应力及位移变化进行监测,据此探讨并总结矿区地质力学特征和应力分布规律,了解采矿活动诱发围岩松动范围的变形规律,掌握采矿活动全过程的围岩变形变化规律,对矿山的安全、高效生产具有重要的指导意义[2]。

1 运用压力盒监测围岩应力变化规律

1.1 压力盒工作原理

图4 支护破坏现象

图3 巷道顶板冒落

压力盒是用来量测岩土以及其他工程中某一方向上 应力变化规律的仪器,在地下矿山中通常用压力盒量测采矿过程中的垂直应力以及水平应力变化规律[3]。本研究应力变化监测采用的是液压枕测力计,此测力计是以充满油液的封闭枕体作为受压元件制成的,主要由压力表盘和液压枕两部分组成(见图5),枕体压力盒由上下盖板压模对焊而成。在测试过程中,枕体的上下面均处于三向应力状态,只是枕体四周处于二向应力状态,如在垂直方向发生地压活动,压力盒将进入工作状态并及时显示地压变化情况 (见图6),为掌握其地压活动规律提供依据[4]。

图5 液压枕测力计

图6 枕体受力工作状态

1.2 压力盒安设方法

为了便于进行对比,压力盒安设在不同的地质条件以及受采矿活动影响不同的地点。本研究在-330 m中段的 A7、N9等位置以及 -342 m中段的左 1、左 4等位置分别安装 1个压力盒。压力盒安装在上下 2根立柱之间,立柱用高强度钢管制作而成,其中一根立柱用直径不同的 2根钢管组成,在这2根钢管的一端分别开螺纹,使其能够正好咬合而实现上下伸缩,以便把压力盒牢固地安设在待测地点。为了使液压枕受力均匀,不致因应力太大而使立柱钻入岩石内,在立柱的两端各焊上一块厚度为10 mm的钢板,安装时先把该处的顶底板整平,然后把液压枕挤在两立柱之间并用工具旋转螺纹段,使压力盒被紧压在两立柱之间,而且液压枕处于一定的初始受力状态。

1.3 压力盒监测结果

每隔一段时间记录压力表读数并录入监测数据表中,仅以 -330 m中段 N9位置的数据记录为例(见表1)。

表1 压力盒监测数据

通过长时间的监测数据发现,安装在 -330 m中段N9位置的压力盒的示数从初始的 12 kN上升到了 105 kN,而安装在 -342 m中段左 1位置的压力盒的示数仅从初始的 20 kN上升到 28 kN,两者变化相差很大。仔细研究发现,前者在垂直方向上处于 -305 m中段采空区和 -342 m中段之间,水平方向上处于西南主运和北主运的交叉地带,由于在其周围存在大量的开挖空间,所以此处压力显现很明显,而后者仅处于单条巷道开挖边界,所以压力不是很明显。

2 运用多点位移计监测围岩位移变化规律

2.1 多点位移计测试原理

本次现场监测使用 KDW-1型机械式多点位移计。该多点位移计由测点锚固头、测量钢丝和孔口测读装置组成(见图7)。埋设在钻孔内的各测点锚固头与孔壁紧密连接,岩层移动时能够带动各测点锚头一起移动,测点的位移状态通过与之固定的位移传递钢丝引至岩体外部。各组锚头安装在不同的位置,当岩石、矿体发生位移时,不同层次的测点位置移动量由标尺指示[5]。

图7 多点位移计测孔结构

当浅部范围内移动时 (如 1.5 m),浅部标尺位置不变,深、中部位置的标尺向内移动,表明岩体浅部有移动,移动量由标尺指示,当中部范围内移动时(如 4 m),浅部、中部标尺位置不变,深部的标尺向内移动,移动量由标尺指示[6],据此可测出岩层移动量。

2.2 多点位移计安装方法

在 -330,-342 m中段选择若干个地方安装多点位移计 ,每个地方都打 30°、60°和 90°3个不同角度的孔 (见图8),每个孔内各安装 1个多点位移计。安装时在巷道周围测点处打好安装位移计用钻孔后,对孔进行吹洗,并测量深度。先安装长锚头、然后安装中锚头、最后安装短锚头,用安装杆或钻杆把锚头送至设计位置,送入时,用手拉紧测绳。将 3根测绳穿过每个测点,再穿过弹簧和标尺,将基准座与标尺的某一刻度对齐后把孔芯紧固螺丝与钢丝绳连接牢固。

图8 多点位移计安装位置

2.3 多点位移计监测结果

每隔一段时间记录多点位移计读数并录入监测数据表中,-330 m中段N14位置的数据记录见表2。

表2 多点位移计监测数据

监测结果显示,安装在 -330 m中段 N14位置的多点位移计变化比其他位置大得多,分析其原因是因为该处是在多点位移计安设前几天才新开挖的空间,其岩体正处于二次应力平衡的过程中,所以围岩位移比较明显。

3 结 论

通过对各个压力盒和多点位移计长时间的监测数据进行对比和分析可以得出如下结论:

(1)安装在垂直或水平方向上受采矿活动影响大的地方的压力盒和多点位移计数据明显比受采矿活动影响小的地方的数据变化大;安装在地质条件比较复杂、岩石比较破碎的地方的压力盒和多点位移计数据明显比地质条件比较好的地方的数据变化大。这说明地压活动受岩体应力、岩性以及地质构造的影响,是在岩体中回采矿石破坏原岩应力平衡的必然结果。

(2)安装在新开挖的地方的压力盒和多点位移计数据明显比开挖后时间长的地方的数据变化大;安装在新开挖地方的压力盒和多点位移计初期的数据变化比较大,后期逐渐趋于平缓。这说明在岩体中进行采矿,扰乱了原岩的应力平衡状态,在采场或巷道周边形成二次应力场。当二次应力场应力达到某一特定值时岩层便发生失稳导致地压活动,其结果是形成二次应力平衡状态。

[1]高玉杰,等.金场矿区矿化特征和深部找矿潜力分析[J].有色金属 (矿山部分),2010,62(4):25-28.

[2]耿献文.矿山压力测控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002.

[3]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002.

[4]叶粤文.铜绿山南露天坑东帮与地下开采采场地压监测研究[J].采矿技术,2001,1(4):16-20.

[5]李家鳌,等.DW型多点位移计的研制和应用[J].煤炭科学技术,1987,(2):33-34.

[6]汤新福.多点位移计在岩溶桥基监测中的应用[J].工程勘察,2008,(5):23-26.但每次拆装维修时都要检查密封圈。

(4)该装置的电磁铁部分必须配备隔爆元件,以防止失爆事故的发生。

2.2 效果分析

以往掘进工作面因喷雾问题造成工作面粉尘浓度达到 1～3 g/m3,最大达到 5 g/m3,严重威胁工人的健康,而使用新型喷雾装置后,喷浆过程中最大的粉尘浓度仅为 0.5 g/m3左右,充分实现了降尘的效果。

3 结 论

矿井粉尘治理是一项长期艰巨的任务,不仅关系到职工的身心健康,而且还影响到煤矿的经济效益、社会效益等一系列问题。采取有效技术措施抑制和消除悬浮于空气中的粉尘,是防治粉尘危害的根本方法。通过实践证明,新型喷雾装置大大提高了工作面的防尘效果,杜绝了因人为因素造成的工作面空气质量下降的现象,使喷浆时的粉尘浓度由5 g/m3降到 0.5 g/m3,收到了较好的效果,对煤矿煤巷掘进及工作面回采时的降尘也有很强的借鉴意义。

参考文献:

[1]刘辉辉,邹 伟,徐 超.煤矿综采面喷雾除尘机理[J].山东煤炭科技,2010,(2):136-137.

[2]刘雨涛,张红军.风水联动放炮自动喷雾装置设计[J].煤矿爆破,2008,(3):38-38.

[3]谢 超,刘 银.煤矿巷道定点喷雾降尘方法探讨[J].煤矿机械,2007,(6):75-77.

2010-10-10)

杨素俊 (1985-),男,内蒙古卓资人,硕士研究生,研究方向为岩层失稳及其控制,Email:yangsujun1202@163.com。

(

2010-07-30)

作者简介:李培春 (1981-),男,安徽淮北人,助理工程师,从事煤矿钻掘工区生产技术管理工作。