底部结构巷道地压安全监测与分析_刘强.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2264-06底部结构巷道地压安全监测与分析*刘强1，2，3，彭张4，王平1，2，3，蔡永顺1，2，3，袁本胜1，2，3，石峰1，2，3(1 矿冶科技集团有限公司，北京 102628;2 中国 南非矿产资源开发利用联合研究中心，北京 102628;3 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628;4 云南迪庆有色金属有限责任公司，云南香格里拉 674400)摘要:为了及时掌握普朗铜矿底部结构岩体破裂状态与出矿作业对底部结构应力分布的影响，以地压问题突出的 S4出矿穿脉为背景，基于微震事件时空演化规律和应变云图分析了穿脉围岩破裂发展趋势，利用应力监测数据研究了出矿过程中底部结构矿柱的应力变化，结合地质资料与现场观测结果分析了穿脉围岩破坏的原因，并从支护与出矿作业两方面提出了具体的地压管控措施。结果表明:采区西南侧断层区域岩体破碎，断层下盘矿体超前崩落堆积在底部结构上易产生应力集中，由此导致的 S4 穿脉西侧微震事件频繁聚集现象反映了巷道围岩处于反复破坏状态，有类似现象的区域均应作为地压风险区进行管控;根据微震事件聚集形态的趋势变化合理选择支护时机，采取高阻让压支护措施可提高支护效果;通过优化和平衡各聚矿槽的出矿量控制崩落面与崩落矿堆面之间的空间，可有效防止两者距离过大导致顶板崩落时产生空气冲击波造成人员伤害和设施破坏，同时避免两者大面积接触形成地应力的传递通道。关键词:安全工程;自然崩落法;底部结构;出矿穿脉;地压管控中图分类号:X936文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0243*收稿日期:2022 02 21作者简介:刘强，工程师，硕士，从事矿山地压安全监测与岩石力学研究，liuqiang bgrimm com。基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFE0202800)0引言底部结构作为自然崩落法开采过程中的咽喉要道，是拉底与出矿作业的重要工程结构，其稳定与否不仅关系到长期稳定生产，还影响到井下人员与设备的安全。然而，自然崩落法通常适用于矿岩节理裂隙发育、弱面分布广泛的矿床，筛网状的底部结构岩体强度进一步削弱，在上覆崩落矿岩的重压下极易产生破坏。因此，采用地压监测手段及时掌握底部结构岩体状态，通过分析微震与应力等监测数据评估底部结构稳定性，对于地压安全管控具有重要意义。早在 20 世纪 40 年代，美国矿业局就开始应用微地震法来探测给地下矿井造成严重危害的冲击地压，20 世纪 80 年代矿山微震监测技术在我国多个大型煤矿得到应用1 2。1989 年，鲁振华等3 最早报道了门头沟煤矿引进波兰 SYLOK 微震监测系统监测并分析了煤矿冲击地压现象，评估了微震的近场监测效能。2002 年，姜福兴4 首次介绍了澳大利亚邦科学工业研究院勘探采矿局(CommonwealthScientificandIndustrialesearchOrganization，CSIO)开发的微震监测系统在兴隆庄煤矿岩层破裂监测中的应用情况，提出了井下智能化、自动化和可视化微震监测系统的新理念。2006 年，唐礼忠等5 率先开展了我国千米以上深井开采过程中矿山地震信号识别、矿山地震活动分析方法研究，总结了千米深井岩爆倾向地震活动规律。曲效成等6 通过研究钻孔应力测量代替钻屑量作为冲击地压危险性主要监测指标，实现了煤矿冲击地压危险区及危险程度的实时连续监测预警。张楚旋等7 8 根据初至时间、震源定位等参数以地震学理论基于沙坝磷矿微震监测数据研究了岩体失稳预测预警方法。2018年，魏全德9 提出了基于震动场、应力场双云图冲击危险区快速判定方法，通过微地震震动云图可以快速、直观地预测煤矿区域冲击危险性，利用钻孔应力云图对局部进行临场预警。张尔辉等10 结合试验现场地质与采掘活动情况，对采用充填采矿法的某金矿潜在危险区域进行了圈定和危险等级划分。总之，借助应力、位移、微震等技术能有效对矿山地压活动进行监测，结合卸压、支护等手段可形成有效的地压管控体系11 13。但自然崩落法作为一种对技术和管理要求较高的采矿方法，目前在国内成功运用的案例屈指可数，地压管控方面的可借鉴经验较少14 19。普朗铜矿采用自然崩落法开采，底部结构各区域出现不同程度的变形破坏，南部断层交汇区域地压问题突出。因此，矿山在南部区域底部结构进行了地压监测点的密集布置，重点对 S4、S5穿脉等地压显现强烈的区域进行监测。本文以S4 穿脉地压监测数据为例，基于微震事件时空演化规律分析出矿穿脉围岩破裂发展趋势，研究出矿作业对底部结构应力分布的影响，以期为自然崩落法底部结构穿脉在支护措施和出矿作业调整方面提供地压管控依据。4622第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，20231底部结构概况普朗铜矿采用自然崩落法开采，设 4 个主要水平，从下至上分别为 3 660 m 有轨运输水平、3 700 m回风水平、3 720 m 出矿水平和 3 736 m 拉底水平。出矿水平的出矿穿脉垂直矿体走向布置，间距 30m，出矿进路间距 15 m，采用分支鲱骨式布置。拉底水平采用倾斜中深孔拉底方式，在两条出矿穿脉之间上方布置两条平行的拉底巷道，拉底高度为 5 8m。为了保证聚矿槽掘进工作在应力释放区进行，提高底部结构整体质量，采用前进式拉底方式，聚矿槽掘进滞后拉底推进线 30 m。根据底部结构数值模拟结果，拉底推进线方向约 20 m 范围内的区域处于应力集中状态，出矿水平巷道交叉口、聚矿槽和出矿进路交接处易形成塑性区。由于采区南部赋存交错断层，底部结构岩体较为破碎，从矿山投产出矿开始，出现了不同程度的变形破坏，特别是 S4、S5 穿脉围岩地压显现强烈。从矿山初期拉底达到持续崩落面积后，S4、S5 穿脉西侧即出现矿柱片帮、顶板下沉等现象(图 1)。此后较长一段时间内出矿能力不足，导致 S4、S5 穿脉断层位置围岩进一步变形破坏，矿山采用钢条带和喷混凝土支护对该区域破坏严重的围岩进行了加固，但支护效果不佳。此后 S4、S5 穿脉围岩长期处于变形破坏状态，支护结构在经过一段生产作业后往往会再次失效。图 1S4 与 S5 穿脉围岩变形情况Fig 1Deformation of surrounding rock of S4 andS5 transverse drifts2地压监测系统概况普朗铜矿底部结构微震监测系统包含 36 个监测点，其中在 3 660 m 运输水平 1#、3#运输巷围岩内布置 8 个微震传感器，在3 720 m 出矿水平的 N4、N1、S3、S6、S9 共 5 条穿脉矿柱内布置 28 个传感器。应力监测系统包含 47 个应力传感器，分别布置在3 720 m 出矿水平 N3、N2、S2、S4、S5 共 5 条穿脉内的关键矿柱上。该监测方案针对 S4、S5 穿脉等地压显现强烈的区域，将应力传感器进行了密集布置。如图 2 阴影部分所示，S4 穿脉共布设了 16 个应力传感器，两侧 S3 穿脉与 S6 穿脉均匀布置了 12 个微震传感器，监测数据最为全面。图 3微震事件空间分布Fig 3Spatial distribution of microseismic events3微震监测数据分析微震事件的时空分布能够表征岩体破裂发育状态，针对围岩破坏严重的 S4 穿脉巷道建立块体模型，以围岩变形破坏和支护治理过程中一段时间内的微震监测数据为例，分析破裂发展趋势，评估支护效果。图 3 为 2020 年 11 月2021 年 6 月每 2 个月S4 穿脉监测模型内微震事件空间分布情况，小球体图 2地压监测系统布置图Fig 2Layout of ground pressure monitoring system56222023 年 7 月刘强，等:底部结构巷道地压安全监测与分析Jul，2023积代表震级。图 4 为对应时段基于微震事件的位移云图。2020 年1112 月微震事件数量较少，主要分布在 S4 穿脉西侧断层切割的三角区域。2021 年12 月该区域微震事件数量激增，在 S4 穿脉偏西侧的 W1 E7 进路区域异常聚集，位移云图显示对应区域出现较大变形，表明该区域断层活化，岩体出现了较为强烈的破裂活动，现场巡查发现 S4 穿脉W2 E10 进路出现了底鼓、顶板下沉现象，矿山采用了锚网喷等方式对 S4 穿脉进行了强化支护。2021 年 34 月微震事件数量减少，未出现有较大位移区域，表明强化支护抑制了巷道围岩进一步破坏。2021 年 56 月 S4 穿脉东侧微震事件数量明显增加，沿东西向大断层分布，震级大于 3 的微震事件占比上升，穿脉东侧区域岩体位移较大，表明S4 穿脉西侧应力集中有所缓解，应力集中区向东侧转移，中部相对完整的岩体相继出现了破裂。该情况与现场 S4 穿脉 E6 E16 进路巷道开裂、局部喷射混凝土断裂脱落现象相印证，矿山采取长锚索、围岩加固注浆等方式进行了强化支护，经过一段时间生产之后，S4 穿脉西侧围岩相对稳定，但中部围岩再次出现收敛变形。从上述现象可知，微震事件聚集区均出现在 S4穿脉断层破碎带，对应位置岩体破裂信号频繁，应作为地压高风险区。在微震事件聚集初期及时进行支护，可以一定程度抑制岩体进一步破坏。但对于微震事件持续聚集的高应力状态区域，在采矿作业的影响下，围岩与支护体难以达到应力平衡，支护体将再次出现破坏。图 4基于微震事件的位移云图Fig 4Displacement nephogram based onmicroseismic events4应力监测数据分析底部结构矿柱作为崩落矿石的载体，在简化条件下处于单轴抗压状态，但由于构造应力的存在其受力状态更为复杂，矿柱应力监测值变化反映了其竖直方向受力状态。长期统计分析表明，部分区域应力监测值受出矿作业影响明显，S4 穿脉共安装 16个应力监测点，因此通过分析 S4 穿脉应力监测值与出矿量的关联性，为平衡放矿量调节穿脉围岩的应力分布提供依据。图 5 中曲线为 2021 年 3 月 S4 穿脉 W5 矿柱应力变化情况，3 月 916 日该点应力下降了 1.2 MPa左右，柱状图为该时段 S4 穿脉 W5 矿柱附近 6 个出矿进路每天出矿量总和。3 月 6 日之前每天出矿量变化不大，应力相对稳定;3 月 79 日连续 3 d 大量出矿后，从 3 月 9 日开始应力下降了 1.2 MPa 左右;3 月 10 日后每天出矿量保持稳定，该点应力逐渐趋于平稳，表明该监测点矿柱应力受出矿影响较大。图 6应力监测值变化Fig 6Change of stress monitoring value图 6 为 2021 年 45 月 S4 穿脉部分矿柱应力曲线，S4 W17 测点应力在 4 月29 日与5 月8 日出现两次突降。由于该区域为新掘进出矿口，4 月 27日前均未进行出矿，在 4 月 28 日与 4 月 29 日该测点相邻 S4 W15 进路进行了数百吨的出矿，S4 图 5出矿量与应力对比Fig 5Comparison of ore drawing amount and stress value6622Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期W17 测点应力在 4 月 29 日下降了 8.5 MPa，表明大量放矿使得已经局部稳定的矿堆发生形态变化，导致矿柱承压迅速下降。类似地，在 5 月 6 日 S4 W17 测点应力下降了 2.7 MPa 左右，也是由相邻S4 W15 进路与对面 S4 W16、S4 W18 进路突然大量出矿所致。根据 S4 穿脉各测点长期监测数据和对应区域出矿统计可知，S4 穿脉东侧岩体相对完整，各测点受出矿量影响较小，应力变化幅度不大;S4 穿脉西侧断层发育导致岩体较为破碎，断层附近各测点应力波动较大且频繁出现突增或突降现象。通过上述分析可知，S4 穿脉西侧应力状态与出矿作业关联性较强，加大该区域出矿量对矿柱有一定卸压作用;但对于长期未进行出矿的区域，其出矿量应梯度式增长，大量出矿将会导致应力平衡突然打破，影响围岩稳定性。5穿脉围岩破坏原因分析根据上述地压监测数据规律分析和现场长期巡查统计可知，底部结构 S4、S5 穿脉围岩巷道变形破坏有两个主要方面的原因。在矿岩条件方面，采区西南部有多条断层交汇且位于断层下盘，岩体完整性较低，地表沉降范围超出拉底推进线 100 m，该现象表明下盘矿体超前崩落作用在底部结构之上，造成采区西南侧底部结构产生应力集中。在生产作业安排方面，不均匀出矿导致局部区域待崩顶板与崩落矿堆接触，各出矿口上部形成的放矿椭球体未能相交，进而在出矿穿脉上部形成放矿残余脊柱，形成地应力的传递通道，加速了底部结构破坏变形。6地压管控措施在底部结构巷道地压管控过程中，矿山可在支护与出矿作业两方面采取措施。针对底部结构 S4、S5 穿脉等区域支护体和围岩反复性发生破坏的问题，若围岩变形影响到生产安全，应及时进行封闭管理，并采取高阻让压支护措施。对破坏段巷道进行挑顶、刷帮与卧底，恢复断面尺寸后喷 50 mm 厚的混凝土，注入水泥浆加固松动围岩，之后安装长度大于 6 m 的锚索，再安装间距不大于 0.8 m 的 U 形钢拱架，补充施工长锚索并将锚索与拱架连成一体，最后对巷道顶、底、帮喷射混凝土恢复设计断面尺寸。针对不均匀出矿导致局部区域形成放矿残余脊柱引起应力集中的问题，矿山可通过优化和平衡各聚矿槽的出矿量，适当加大应力集中区域出矿量，可采用地表钻孔电视观测顶板崩落高程，控制崩落面与崩落矿堆面之间的空间高度不大于 5 m，防止两者距离过大导致顶板崩落时产生空气冲击波造成人员伤害和设施破坏，同时避免两者大面积接触形成地应力的传递通道。7结论1)普朗铜矿底部结构断层区域岩体强度较低，采区西南侧断层下盘矿体超前崩落堆积在底部结构上易产生应力集中，S4 穿脉西侧区域围岩破裂信号频繁，且矿柱应力状态受出矿量影响而大幅波动，应作为地压高风险区管控。S4 穿脉南北两侧的多条穿脉矿岩条件相似，有类似微震事件聚集现象的区域同样存在地压风险。2)微震事件的时空演化特征反映了普朗铜矿底部结构穿脉围岩的破坏发育规律，基于微震监测数据划分的地压高风险区与底部结构实际破坏区域一致，矿山可依据微震事件聚集区变化趋势合理选择支护时机，采取高阻让压支护措施，从而提高支护效果。3)普朗铜矿底部结构穿脉不同位置矿柱应力监测值与出矿量关联性不同，通过优化和平衡各聚矿槽的出矿量，可减缓底部结构局部区域应力集中，防止待崩矿岩和崩落矿堆接触形成地应力的传递通道。参考文献(eferences):1李世愚，和雪松，张天中，等 地震学在减轻矿山地质灾害中的应用进展J 国际地震动态，2006(4):1 9.LI S Y，HE X S，ZHANG T Z，et alecentdevelopments of mining seismology for mitigating mininghazards J ecent Developments in World Seismology，2006(4):1 9.2姜福兴，叶根喜，王存文，等 高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用 J 岩石力学与工程学报，2008，27(9):1932 1938.JIANG F X，YE G X，WANG C W，et al Application ofhigh-precision microseismic monitoring technique to waterinrush monitoring in coal mineJ Chinese Journal ofock MechanicsandEngineering，2008，27(9):1932 1938.3 鲁振华，张连城 门头沟矿微震的近场监测效能评估76222023 年 7 月刘强，等:底部结构巷道地压安全监测与分析Jul，2023 J 地震，1989(5):32 39.LU ZH，ZHANGLCEvaluationofnear-fieldmonitoring efficiency of tremers in Mentougou mineJ Earthquake，1989(5):32 39.4 姜福兴 微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用 J 岩土工程学报，2002，24(2):147 149.JIANG F XApplication of microseismic monitoringtechnology of strata fracturing in underground coal mine J Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(2):147 149.5唐礼忠，潘长良，杨承祥，等 冬瓜山铜矿微震监测系统及其应用研究J 金属矿山，2006(10):41 44，86.TANG L Z，PAN C L，YANG C X，et al Establishmentand application of microseismicity monitoring system inDongguashan copper mineJ Metal Mine，2006(10):41 44，86.6曲效成，姜福兴，于正兴，等 基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用 J 岩石力学与工程学报，2011，30(11):2346 2351.QU X C，JIANG F X，YU Z X，et alockburstmonitoring and precaution technology based on equivalentdrilling research and its applications J Chinese Journalof ock Mechanics and Engineering，2011，30(11):2346 2351.7张楚旋，李夕兵，董陇军，等 顶板冒落前后微震活动性参数分析及预警J 岩石力学与工程学报，2016，35(增 1):3214 3221.ZHANG C X，LI X B，DONG L J，et al Analysis ofmicroseismic activity parameters pre-and post roof 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Ping1，2，3，CAI Yongshun1，2，3，YUAN Bensheng1，2，3，SHI Feng1，2，3(1 BGIMM Technology Group，Beijing 102628，China;2China-South Africa Joint esearch Center for Development andUtilization on Mineral esources，Beijing 102628，China;3National Centre for International esearch on Green MetalMining，Beijing 102628，China;4 Yunnan Diqing NonferrousMetal Co，Ltd，Shangri-La 674400，Yunnan，China)Abstract:The purpose of this paper is to grasp the fracture stateof bottom structural rock mass and the influence of miningoperations on the stress distribution of the bottom structure in thePulang Copper mine The development trend of surrounding rockfracture was analyzed based on the space-time evolution law ofmicroseismic events，and the stress variation of the bottomstructural pillar during ore drawing was studied by using thestress monitoring data in the background of S4 transverse drift inwhich the ground pressure problem was prominentBesides，combined with geological data and field observation，the causesof surrounding rock failure through veins were analyzed，andconcrete ground pressure control measures were put forward fromtwo aspects of support and drawing operation The results showthat the rock mass in the fault area southwest of the mining areais broken，and the ore body in the footwall of the fault isaccumulated on the bottom structure，which is easy to producestress concentration The phenomenon of the frequent gatheringof microseismic events on the west side of S4 transverse driftcaused by stress concentration reflects that the surrounding rockof the roadway is in a state of repeated failure，and the areas withsimilar phenomena should be controlled as ground pressure riskareasAccording to the trend of microseismic events，thesupporting time can be reasonably selected and the supportingeffect can be improved by adopting high resistance and pressuresupporting measures The space between the caving surface andcaving ore pile surface can be controlled by optimizing andbalancing the amount of ore discharging from each aggregatetrough，which can effectively prevent the damage to personneland facilities caused by the air shock wave caused by roof cavingdue to the large distance between the two，and avoid thetransmission channel of ground stress formed by large contactbetween the twoKey words:safety engineering;natural caving mining;bottomstructure;transverse drift;pressure control96222023 年 7 月刘强，等:底部结构巷道地压安全监测与分析Jul，2023