郭 斌 王立杰 耿 帅，2 王福全 尹爱民 杨金光

（1.河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北 邢台 054100；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

开掘巷道形成空洞，破坏了原岩应力的平衡，应力重新分布，形成次生应力场[1-2]，围岩中次生应力场的应力小于岩石极限强度，或应变小于岩石极限应变时，巷道不需支护即能保持稳定，否则需人工支护。当巷道围岩应力和变形变化到一定程度超过围岩强度及支护阻力时，造成支护变形破坏。

某铁矿为一埋藏较深的矽卡岩型磁铁矿床，井下不稳固围岩主要是矽卡岩和蚀变闪长岩，根据已经开采的-170 m、-230 m水平等工程揭露，大部分矿岩节理裂隙发育，渗水性较强，软岩遇水泥化，稳定性较差。随着时间的推进，井下部分巷道地压显现，陆续出现巷道底臌变形、侧帮向内挤压、顶部支护体下沉、锚杆脱落和浆皮开裂脱落等情况。另外还存在支护成本高、返修率高、支护难度高等问题，严重影响安全生产。为此，亟需进行巷道围岩应力和变形机制监测[3-6]，了解巷道围岩的变形和压力变化规律，分析构造应力、膨胀应力对巷道稳定性的影响，揭示矽卡岩、蚀变闪长岩巷道地压显现机制，根据不同地压显现机制，指导优化巷道支护设计，研究针对性的支护方案，保障采掘安全及支护结构的长期稳定。

1 地压监测方案

1.1 测区选择

由于-230 m水平为首采中段，对于安全生产极为关键，因此在-230 m水平下盘沿脉巷道中选择典型断面安装地压监测设备。共选取5个区域，本研究以其中3#测区为例进行地压监测方案描述。3#测区巷道左侧为矽卡岩，顶部和右侧为大理岩，巷道断面约为4.8 m×3.85 m。巷道开挖造成围岩的扰动范围一般为5倍的巷道直径[7]，因此井下巷道围岩扰动范围直径约为24 m，半径约为12 m，据此将巷道周围11 m内围岩作为重点监测区域。地压监测以应力、变形监测为主，监测仪器的选择遵循经济可靠灵敏，便于安装等原则。

1.2 巷道围岩压力监测

巷道围岩压力监测选用锚杆应力计，断面测点布置如图1所示。在两帮和顶部各施工1个6 m深钻孔作为监测点，钻孔孔径75 mm。每个钻孔中埋设4个锚杆应力计，测量巷道围岩内部径向压力的变化。4个锚杆应力计距离巷道表面分别为0.5 m、1.5 m、3 m、4.5 m。3个钻孔共计12个锚杆应力计。

1.3 巷道变形量监测

为了便于分析巷道围岩内部压力和变形的变化规律，与压力监测断面得到的压力变化规律相互印证，在对应的巷道断面进行变形监测。变形监测主要采用多点位移计，测点布置方案与压力监测方案相同。在两帮和顶部各施工1个6 m深钻孔作为监测点，钻孔孔径128 mm。每个钻孔中埋设4个多点位移计，测量巷道围岩沿钻孔轴向的位移[7]。孔内位移计布置方式和间距如图2所示，4个多点位移计距离巷道表面分别为1 m、2 m、3 m、4 m，孔底为固定点，3个钻孔共计12个位移计。

1.4 监测仪器工作原理

（1）锚杆测力计。采用JTM-V1000A系列振弦式锚杆测力计，当被测巷道内部应力发生变化时，锚杆受到拉伸或压缩，同步产生变形对应的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出所受应力。

（2）多点位移计。采用JTM-V7000J多点位移计进行巷道围岩的变形监测，当被测巷道发生位移变形时，多点位移计的锚头带动拉杆产生位移变形，同步产生对应变形的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出变形量[8-10]。

1.5 数据采集及传输

数据采集箱安装在锚杆测力计和多点位移计测点断面附近，多台数据采集箱可以串接至矿山井下环网系统中的各中段环网交换机，经环网光纤传输至地表集控中心的主机上。在地表实现对井下巷道围岩的受力和变形进行长期观测和危害预警。

2 地压监测结果及分析

2.1 数据读取及计算方法

水泥浆凝固后打开采集系统开始采集数据，每个测点读数反复出现3次以上时，此频率为初始频率f0，使用频率计算荷载、位移时，公式如下：

式中，F为锚杆应力计荷载，kN；L为多点位移计位移量，mm；K1、K2为系数，kN/Hz2、mm/Hz2，见表1和表2；f0为初始频率，Hz；fi为实时频率，Hz。

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2.2 压力监测结果分析

对3个测点进行实时监测，荷载传感器扫描频率为1 min/次，以持续时间为55 d计，通过对监测数据结果的分析研究，得出相应的荷载变化过程线性图如图3、图4和图5所示。

从-230 m水平下盘沿脉巷道监测断面围岩内锚杆轴力的日常监测数据来看，围岩测点的锚杆轴力受开挖扰动影响逐渐增大，在一定时间后逐渐趋于稳定。左帮矽卡岩测点的荷载变化较大，最大荷载达6.4 kN；0.5 m、1.5 m、3.0 m测点受拉力，4.5 m测点受压力。顶部大理岩测点的荷载变化较小，最大荷载达2.0 kN；0.5 m、1.5 m、4.5 m测点受拉力，3.0 m测点受压力。右帮大理岩测点0.5 m、1.5 m、3.0 m测点的荷载几乎无变化，4.5 m测点荷载一直增大，最大荷载为16 kN，此处应受右侧新掘巷道影响加剧了围岩的松散破坏状态。

2.3 变形监测结果分析

对3个测点进行实时监测，位移传感器扫描频率为1 min/次，按持续时间为55 d计，通过对监测数据结果的分析研究，得出相应的位移变化过程线性图如图6、图7和图8所示。

从-230 m水平下盘沿脉巷道监测断面围岩内位移的日常监测数据来看，围岩测点的位移受开挖扰动影响逐渐增大，在一定时间后逐渐趋于稳定。左帮测点的位移变化较大，最大位移达48 mm；顶部和右帮位移移变化较小，最大位移分别为2.6 mm和0.28 mm，说明巷道稳固性较差。各测点孔口处的位移量最大，孔底最小。受开挖扰动影响，变形急剧增长，最高变化率达1 mm/d，持续超30 d，此后变形逐渐稳定。

2.4 锚网喷支护参数优化

巷道围岩应力和位移是巷道围岩应力和形状发生变形最直接的反映，通过监测采掘阶段围岩与支护结构的动态变化，了解巷道围岩的变形和压力变化规律，把握采掘过程中结构所处的安全状态，在此基础上，对巷道现有支护方案进行优化研究。-230 m水平3#测区巷道围岩现有支护方式为锚网喷支护，采用KMG500-20-2400型锚杆，锚杆长度1 800 mm，锚杆间距1 000 mm，网片ϕ6 mm，网度200 mm×200 mm。利用前述-230 m水平3#测区所测得的巷道围岩左帮、顶板、右帮最大变形量及锚杆应力荷载，结合矿山已有地质资料和矿岩强度特征及巷道围岩松动圈测试结果，进行锚网喷支护参数优化研究，以确定合理的锚杆长度、锚杆间距和锚杆排距。

首先，根据3#测区巷道围岩松动圈厚度最大值及松动圈支护理论，选取锚杆最佳长度为2 400 mm；然后，利用FLAC3D软件建立符合现场围岩条件的巷道支护三维数值模型，根据上述地压监测获得的巷道围岩变形量和塑性区面积，以锚杆最佳长度为定量，锚杆间排距为变量，分别计算不同锚杆排距下的最佳锚杆间距。最后，根据模拟计算结果，确定合理的锚杆间排距。经过三维数值模拟计算，确定-230 m水平3#测区巷道围岩锚网喷支护优化方案为：锚杆长度2 400 mm、间距800 mm、排距800 mm。经实践验证，优化后支护效果较为稳定。表明地压监测数据可为软岩巷道合理的支护设计提供理论依据和指导，为支护结构的长期稳定提供保障。

3 结论

（1）设计了一套完整的巷道地压综合监测体系，以巷道围岩压力监测和变形监测为主，实现在地表集控中心对井下巷道围岩的受力和变形进行长期观测和预警。巷道围岩压力监测选用锚杆应力计，变形监测选用多点位移计，实践表明，本系统对捕捉巷道围岩变形规律效果显著，可作为类似工程监测体系设计参考。

（2）通过对监测数据进行分析，获得不同岩性的巷道围岩的应力和变形机制。围岩测点的锚杆轴力受开挖扰动影响逐渐增大，在一定时间后逐渐趋于稳定；围岩测点的变形量受开挖扰动影响逐渐增大，在一定时间后逐渐趋于稳定；各测点孔口处的位移量最大，孔底最小。

（3）根据地压监测所获得的巷道围岩左帮、顶板、右帮最大变形量和锚杆应力荷载，结合矿山已有地质资料和矿岩强度特征及巷道围岩松动圈厚度范围，利用FLAC3D建立符合现场围岩条件的巷道支护三维数值模型，进行锚网喷支护参数优化，确定-230 m水平3#测区巷道锚网喷支护优化方案为：锚杆长度2 400 mm、间距800 mm、排距800 mm。经实践验证，优化后支护效果较为稳定。表明地压监测数据可为软岩巷道合理的支护设计提供理论依据和指导，为支护结构的长期稳定提供保障。