深井矿山联合开采交错区地压显现时空规律研究

朱鹏瑞，王亚民，聂智超，于 洋，尹纪龙

(交通运输部 天津水运工程科学研究所，天津 300456)

0 引 言

采空区下的矿体回采一直是采矿工程的技术难点，诸多矿山采用空场法、崩落法回采留下了不确定的采空区或空区群，随着开采深部的增加，采用合适的充填法逐渐成为下部矿体回采的趋势，空场法转充填法、崩落法转充填法的地压问题是许多面临深部开采的矿山亟需解决的问题[1-7]。

深部资源开采在今后的金属矿山发展将成为中坚主导，由于深部开采高地应力的长期作用，围岩中集聚了大量的弹性能，在周围采动的影响下，往往造成多种形式的地压显现。我国金属矿山对矿山地压的形成机制、显现规律进行了大量的观测与研究，积累了丰富的地压控制技术的资料，取得了较大的进展[8-14]。杜建华等[15]在程潮铁矿建立了钢弦式应力计为基础的采场在线监测系统，唐礼忠等[16]在冬瓜山铜矿设计实现了深井开采微震监测系统，蔡永顺等[17]提出了基于不同监测尺度实现矿柱安全回采的理论，但在深部开采地压显现领域的研究还有待更深的提高，尤其是对采用崩落法和充填法联合开采的矿山，采矿方法交错区域地压显现更加剧烈，对矿山正常生产提出了挑战。因此，有必要开展深部开采地压研究，掌握其时空显现规律，并建立长期的动态监测系统，优化深部回采顺序，对深部地压进行有效控制。

以夏甸金矿无底柱分段崩落法和上向分层充填采矿法联合开采交错区为重点监测区域，结合数值模拟结论，采用互补性较强的多种监测手段建立地压动态监测网，探究深井矿山联合开采地压显现的规律。

1 工程背景

夏甸金矿目前采深已远超 800 m，系国内金矿开采深度最深的矿井，其矿体赋存于招平断裂带主裂面以下 80 m 范围内黄铁绢英化碎裂岩及黄铁绢英化花岗岩质碎裂岩中，总体走向45°，平均倾角47°。主要采用无底柱分段崩落法和进路式上向水平分层充填法联合开采。如图1所示，其中 -692 m 水平以上中部(529线～546线)采用崩落法开采，跨度超过 300 m，两翼(529线以南和546线以北)采用充填法开采，其下将采用充填法回采。多年的开采必然使得中浅部崩落法边界内存在隐伏采空区，是下部矿体回采的安全隐患。

图1 夏甸金矿不同采矿方法应用区域Fig.1 Application area of different mining methods in Xiadian Gold Mine

从力学上讲，采空区的存在会形成应力释放拱形，降低正下部矿体的地压，增加下部两侧矿体的地压，由于隐伏采空区难以精确探测，应力释放拱范围、大小均不明确，深部矿体的地压既有卸压部分也有加压部分，地压分布较不均匀，实际生产中 -682 m 水平大巷掘进过程出现了轻微的岩爆活动，尤其无底柱分段崩落法与上向水平分层充填法交错区的地压显现较强烈，地压显现方式如图2所示。

(a)两帮岩体片帮 (b)顶板冒落 (c)锚网失效图2深部开采地压显现形式Fig.2 Deep mining ground pressure appearance form

2 数值模拟计算

2.1 模型建立

前期工作获知上盘岩体可崩性级别为易崩，开采后围岩冒落不断填充，采空区的体积处于动态的补充中，考虑到崩落法已经持续开采12年，后经钻孔探测，未探测到大型隐伏采空区，将深部开采矿体上部定义为冒落散体。依据表1矿岩参数，建立-525～-740 m 水平无底柱分段崩落法与上向水平分层充填法联合开采的数值模型，在交错区预留宽度为 10 m 的矿柱，如图3所示，模拟时两种方法同时回采。

表1 力学参数计算表

图3 无底柱分段崩落法和上向水平分层充填法开采模型 Fig.3 Mining models of pillarless sublevel caving method and upward horizontal layered filling method

2.2 模拟结果分析

如图4～图6所示，在无底柱分段崩落法与上向水平分层充填法交错区，崩落法采场回采进路的顶板中水平应力有少量下降，最大水平应力为 32.2 MPa，垂直应力值上升显著，最大应力值为 46.3 MPa。充填法采场采空区顶板中的水平应力最大值相比于单一充填法开采基本相同，但是采空区顶板中的应力集中现象有较大程度的缓解，顶板中水平应力较大的区域面积相比于单一充填法开采有明显的减小。采空区两帮中的垂直应力有明显的增加，其最大应力值为 44.6 MPa，两采场之间的矿柱中虽应力值相对较大，但没有出现大规模的应力集中现象，不会发生大规模的破坏。崩落法采场回采进路的顶板下沉量有所增加，最大值为 3.7 mm，充填法采场采空区顶板的最大下沉量与之前基本相同，但是顶板中发生下沉的区域面积大大增加，同时采空区底板的鼓起量减小。充填法采场回采后对崩落法采场的垂直方向的位移量影响并不大，基本可忽略不计。

无底柱分段崩落法采场和上向水平分层充填法采场之间存在相互影响，上向水平分层充填法采场的开采使得无底柱分段崩落法进路中垂直方向应力增大，水平方向应力略有减少，而上向水平分层充填法采场在向上回采过程中，岩体中应力逐渐增加，在开采中要注意交错区的开采破坏情况。

图4 交错区域水平应力分布Fig.4 Horizontal stress distribution in the ecotone

图5 交错区域垂直方向应力分布Fig.5 Vertical stress distribution in the ecotone

图6 交错影响区垂直方向位移Fig.6 Vertical displacement in the ecotone

图7 深部矿体沿矿体走向上最大垂直应力分布规律 Fig.7 The maximum stress distribution law of the ore body along the direction of the ore body

如图7所示，沿走向统计每个剖面最大主应力值，得到深部矿体沿矿体走向上最大主应力分布规律，可知 -692 m 中段下部矿体范围内存在应力集中较大，崩落法采场下方应力集中明显，即529至546勘探线下深部矿体应力值较大，矿体两翼略小，交错区应力达到最高点，最大主应力超过 45 MPa，而529勘探线以南深部矿体和547勘探线以北深部矿体主应力略小，但也均超过 25 MPa，值得注意的是在距离模型矿体走向起始点 200 m，即526勘探线附近深部矿体应力集中增大明显，这可能是由于受矿体形状特点影响，因为该部分上方矿体较其他部分厚大，上阶段开采引起的应力重分布范围也更大，下阶段深部矿体的应力集中也更为突出。

3 现场监测及地压时空规律

3.1 动态监测网布置

图8 监测断面图 Fig.8 Monitoring section

结合夏甸金矿开采实际情况，建立动态应力、应变与微震监测系统，对联合开采交错区及其它重点工程的围岩应力应变进行监测，掌握采场开挖过程中的应力分布和稳定性情况，主要监测方面为采场围岩中二次应力的变化、采场的顶板下沉量、巷道围岩相对位移量，所用仪器分别为KSE-Ⅱ-1矿用本安型钻孔应力计、YHW300型智能顶板离层仪、JSS30A型数显收敛计与微震监测系统，监测断面如图8所示。

监测点布置在 -682 m 水平、-692 m 水平、-700 m 水平及 -740 m水平巷道内，如图9所示，崩落法采场监测点主要布置于 -682 m 水平，对于分层充填法采场，应力监测点布置于 -692 m 水平与 -700 m 水平546线～552线及526线～519线与 -740 m 水平回采进路中；在 -692 m 水平与 -700 m 水平选择在开采方法过渡区域，作为联合开采交错区域监测点。每个监测点均布置钻孔应力计、顶板离层仪与收敛构件，共计安装钻孔应力计29个，顶板离层仪29个，收敛构件29对。同时微震监测点4个，布置在 -692 m 与 -700 m 水平的545#与547#采场。初期监测周期为 35 d，初步研究地压变化的时空规律。

(a)-682 m水平崩落采场监测点 (b)-692 m水平监测点图9 动态地压监测系统布点图Fig.9 Dynamic ground pressure monitoring system distribution map

3.2 地压时空规律分析

图10 钻孔应力监测系统 Fig.10 Dynamic stress monitoring system

应力监测分为动态监测和静态监测两种。应力动态监测采用钻孔应力监测管理系统，顶板沉降监测采用顶板离层监测系统，如图10所示，检测分机每 1 min 自动计数一次并保存，实现围岩二次应力与顶板位移的动态监测。当应力(顶板位移)值超过设定应力(顶板位移)阈值时，会触发声光报警，实时监测应力(顶板位移)的变化。静态监测时间从2020年11月11日至2020年12月30日，间隔1～2天提取读数，读数时间为上午9～10点。选择具有代表性的监测点，对应力监测曲线、顶板沉降曲线和巷道收敛曲线进行综合分析。

围岩二次应力的变化与初始应力场、回采顺序、爆破扰动及时间效应等因素密切相关。

以 -682 m 水平11月15号实时地压监测曲线为典型，如图11所示，50#进路进行切割爆破，爆破过程中和爆破后 2 h，应力值大幅度增加，距离爆破点越近，增加值越大，增加值在0.7～1.3 MPa 之间，而后逐渐减少并趋于稳定。结合当日的微震监测，如图12所示，岩体破裂主要由爆破振动和爆破后岩石内部应力场的改变和再平衡过程引起，而在当天的其他时间段未接收到岩体破裂的微震信号，微震监测与应力监测的规律相一致。

以-692 m水平某一段时间采矿活动为例，仪器安装后，数据趋于稳定后记下初始读数。分析2020年11月12日—2020年11月29日采矿活动表(表2)与监测点围岩二次应力变化曲线(图13)得，监测期间54801、54803、55001、533、525进路开采活跃，爆破活动结束稳定后附近区域应力集中，55001进路、54702进路二次应力值大幅度增加，约1.4～2.1 MPa。54702进路(S3监测点)、52503进路S9监测点安装在交错区分层充填法的矿柱上，垂直应力增加明显，但尚保持在稳定状态，在后续的开采中应该重点观察。S9监测点增加值稍大于S3监测点，验证了数值模拟中526勘探线上方矿体较为厚大，应力集中明显的规律。533进路二次应力亦有小幅度的上升，附近相邻进路监测点受其影响应力值平缓增加至稳定。

图11 -682 m水平动态应力监测变化曲线Fig.11 Dynamic stress monitoring curve in -682 m level

图12 微震事件随时间的分布Fig.12 The distribution of the microseismic events over time

表2 2020.11.12～2020.11.29采矿活动描述

图13 -692 m各监测点二次应力变化曲线 Fig.13 Change curve of stress monitoring of each monitoring point in -692 m level

从顶板位移监测曲线(如图14所示)可以看出受出矿进路掘进和采场爆破影响的巷道，其顶板位移变化明显较大，增加速率先快后慢。其余监测点区域周围无大的开采活动影响，变形量较小。533进路爆破活动频繁，D7监测点变形最大，为 4.1 mm；结合二次应力值的变化 2.46 MPa，巷道处于较稳定的状态，不会发生大规模的破坏；交错区的54702进路D3与525进路D7监测点，顶板下沉量分别为 2.9 mm、3.5 mm，二次应力变化值分别为 3.21 MPa、4.35 MPa，交错区充填采场比较稳定，崩落法采场继续加强监测，曲线增加速率上升时应对顶板进行及时支护，防止垮冒。如图15所示，各监测点的收敛速率有些差异，但整体变化规律基本一致，即巷道呈现逐渐收敛的趋势，而其变形速率与开采进度密切相关。当各监测点进路进行爆破回采后，巷道收敛量增大较为明显。

无底柱分段崩落法与上向水平分层充填法联合开采时，交错区域崩落法采场如 -692 m 水平545进路与 -700 m 水平-58进路开采活跃，垂直应力、顶板位移、巷道水平收敛位移增加明显，但尚保持在稳定状态，应重点关注 -692 m 水平525进路，必要时进行锚网支护，防止发生大规模的破坏；交错区域充填法采场如 -692 m 水平54702进路垂直应力增加显著，顶板位移、巷道水平收敛位移增加不明显。综合各方数据来看，联合开采时，无底柱分段崩落法区的顶板沉降位移与巷道水平收敛位移普遍大于上向分层充填法，但围岩二次应力的变化要略小于上向分层充填法。后期又进行了4个月的监测，印证了此结论的正确性。

图14 -692 m各监测点顶板位移变化曲线Fig.14 Change curve of stress monitoring of each monitoring point in -692m level

图15 -692 m水平各监测点相对位移曲线Fig.15 Relative displacement curve of each monitoring point in -692m level

综合各方数据来看，联合开采区域在整体上处于稳定状态。但对于局部应力变形明显的位置，应加强观察，结合现场巷道稳固性状况，采取必要的支护等安全措施，实现深部开采地压的长期监测预警。

4 结 论

1)无底柱分段崩落法与上向水平分层充填法联合开采时，无底柱分段崩落法区的顶板沉降位移与巷道水平收敛位移普遍大于上向分层充填法，但围岩二次应力的变化要略小于上向分层充填法。交错区处于应力应变明显的区域，在深部开采中加强观察结合现场巷道稳固性状况，采取必要的支护等安全措施，控制开采诱发的地压灾害。

2)现场监测与数值建模分析得到了相互印证，进一步提高了地压监测系统的准确性。

3)针对多种方法联合开采的深井矿山建立地压监测网，多种监测手段的相互配合，实现了多参量联合动态监测，为深部开采过程中地压显现的有效监测预警提供了新的手段，具有良好的推广示范效应。