（环境工程专业论文）桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法.pdf

摘要 本文针对马鞍山钢铁公司桃j 申铁矿中段矿体地压活动严重，无底柱分段崩落 法回采困难等问题，主要开展了如下研究工作：地压问题调查分析，巷道变形与 锚杆受力观测，破碎带或裂隙泥化夹层膨胀特性的试验研究，巷道支护的强度、 变形与稳定性分析，支护方案对比试验，遂路回采顺序对地压活动的影响与调整， 地应力测量与9 0 m 水平以下矿体开采闯题预测等。通过这些研究，摸清了该矿她 压活动的基本规律与影晌因素，提出了巷道维护思想、支护方案设计与合理回采 顺序等一系列行之有效的地压控制方法。该项目研究不仅解决了桃冲铁矿在特殊 地质条件下，露天转地下开采后，无底柱分段崩落法遇到的地压问题，指导矿山 摆脱了生产长期被动，矿石损失严重的不利局面，取得显著的经济与社会效益， 而且研究思路、研究方法及许多研究成果对其他类似矿山具有十分重要的指导作 用与应用价值。 关键词：地压显现；无底柱分段崩落法：巷道支护 t h e g e o p r e s s u r ep r o b l e m a n d c o n t r o l l i n gm e t h o d si nm i n i n gw i t ht h e b o t t o m l e s sp i l l a r ss u b l e v e lc a v i n gi nt a o c h o n g si r o nm i n e a b s t r a e t a i m i n ga t s o m ep r o b l e m si n t a o c h o n g si r o nm i n eo ft h em a a n s h a n ss t e e l c o m p a n y , l i k et h e s e r i o u s g e o p r e s s u r e a c t i v i t i e s i nm i do r e b o d ya n dt h es t o p i n g d i f f i c u l t yo f t h eb o r o m l e s s p i l l a r ss u b l e v e lc a v i n ge t c ，t h er e s e a r c h i n gw o r k i sc h i e f l y p r o c e e d e di n t h e f o l l o w i n gt e x t ：t h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h eg e o p r e s s u r e p r o b l e m ，t h er o a d w a y d e f o r m a t i o na n dt h eo b s e r v a t i o no ft h er o c kb o l tu n d e rt h ea c t i o n o ff o r c e s ，t h et r i a l sa n dr e s e a r c ha b o u tt h ez o n eo fd i s r u p t i o na n dt h ep e c u l i a r i t i e so f c r a n n ys l i m i n gi n t e r c a l a t i o ne x p a n s i o n ，t h es t r e n g t h ，d e f o r m a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i so f t h er o a d w a ys u p p o r t ，t h ec o n t m s t i v et r i a l so fs u p p o r t i n gp r o j e c t , t h ei n f l u e n c ea n d a d j u s t m e n t c a u s e db yt h ee n t r a n c e s t o p i n go r d e rt o t h eg e o p r e s s u r ea c t i v i t i e s ，t h e m e a s u r eo ft h ei n s i t ur o c ks t r e s sa n dt h ep r e d i c t i n gp r o b l e m so f e x p l o r i n go r eb o d y a t t h e d e p t h o fo v e r9 0 mb e l o wt h es u r f a c e e t c t h r o u g h t h e s es t u d i e s ，t h eb a s i c r e g u l a t i o n sa n da f f e c t i n gf a c t o r sa b o u t t h eg e o p r e s s u r ea c t i v i t i e so f t h em i n ea r ef i g u r e d o u t ，as e r i e so fe f f i c i e n t l yc o n t r o l l i n gm e t h o d so f t h eg e o p r e s s u r ea r ep u tf o r w a r d ，s u c h a st h et h o u g h to f r o a d w a ym a i n t e n a n c e ，t h ed e s i g no f s u p p o r t i n gp r o j e c ta n dt h er a t i o n a l s t o p i n go r d e r , a n ds oo n i nt h er e s e a r c h ，t h eg e o p r e s s u r ep r o b l e me n c o u n t e r e di nt h e b o t t o m l e s sp i l l a r ss u b l e v e lc a v i n gi sr e s o l v e du n d e rt h es p e c i a lg e o l o g yc o n d i t i o n so f t a o c h o n g si r o nm i n e ，a f t e rt u r n i n gs t r i pm i n i n gi n t ou n d e r g r o u n dm i n i n g m o r e o v e r , t h em i n eh a sb r o k e na w a yf r o mt h ed i s a d v a n t a g e o u ss i t u a t i o no fl o n g t e r mp a s s i v e p r o d u c t i o na n dc o r el o s s e ds e r i o u s l ya n dh a sa c h i e v e dn o t a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t so w i n gt ot h ed i r e c t i o no ft h er e s e a r c h b e s i d e s ，i t st h o u g h t ，m e a n sa n dm u c h r e s e a r c h i n gf r u i th a v ev e r ys i g n i f i c a n td i r e c t i o na n da p p l i e dv a l u ef o ro t h e ra n a l o g o u s m i n e s k e yw o r d s ：g e o p r e s s u r es h o w ；t h e b o t 蜘帆l e s 8p i l l a r ss u b l e v e l c a v i n g ； r o a d w a ys u p p o r t 桃冲铁秽无底拣分段崩藩法采矿的地压问题与控制方法 1 引言 无底柱分段崩落采矿法，因其回采工作安全，结构工艺简单、标准，机械化 程度高采准工作量小，回采强度大，出矿效率高等突出优点，自上世纪6 0 年代 从瑞典引入我国以来，在金属矿山，特别是大储量、厚矿体，不很贵重的铁矿开 采中得到广泛应用。为使这一采矿方法更好地适合我国国情，提高采矿强度，降 低生产成本，减少损失贫化，高校、矿山、设计研究单位的科研人员开展了一系 列研究工作，伎这一方法逐步成为铁矿开采的主力方法，占了矿石产量的8 0 。 无底柱丹段崩落采矿法因为是在进路中凿岩、爆破和出矿，相对空场法等其 他大面积暴露豹采矿方法而言，对矿石的稳固性要求要低些。僵在地压较大，矿 石稳定性差的条件下应用仍较困难。由于原先对无底柱分段崩落法适应条件及相 关配套措旖要求的准备不足，随着开采水平的不断下降，许多矿山已不同程度的 出现了地压问题，影响采掘计划的完成。甚至造成采撼失调，矿石损失贫化严重， 生产成本加大。如国内的张家洼、玉石洼、金山店等铁矿都不同程度地出现了她 压问题。所以，在地质条件复杂，矿山压力严重的矿山，如何保证无底柱分段崩 落采矿法的顺利实施己成为采矿工程面临的严重课题。 马鞍山钢铁公司桃冲铁矿是一个开采历史悠久的老矿山。采矿始自1 9 1 8 年， 至1 9 4 9 年为露天开采，标离为4 1 4 3 1 0 m ，采出矿石约为6 1 0 万t 。】9 5 4 年恢复 生产后，又进行了部分露天开采，1 9 5 7 年从3 1 0 m 水平由露天转为地下开采。在 ( 2 9 1 m 2 5 0 m 水平) 、二( 2 4 3 m 2 0 0 m 水平) 两个中段先后采用分层崩落法、浅 隈留矿法、阶段自然崩落法、溻室落矿的阶段强制崩落法、深孑l 峒室联合落矿的 阶段强制崩落法等，其中从1 9 7 8 年8 月开始，在二中段部分开始使用无底柱分段 崩落法。从三中段五分层至二分层( 1 9 3 m 1 6 3 m 水平) 开始全面采用无底柱分段 崩落法。但在1 0 1 4 线之闻魄矿体串部，无底拄分段嶷落法一开始就因巷邀垮甏 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 严重，采出来的矿石不多，至三中段二分层，地压问题日趋严重： ( 1 ) 巷道跨冒严重，炮孔的错孔、堵塞及其悬顶事故频繁发生； ( 2 ) 矿石损失严重，累计平均损失率达5 6 2 ，最高达7 7 1 ； ( 3 ) 采掘比失调，形成不合理的回采顺序，矿山生产长期处于被动局面； ( 4 ) 矿山生产缺乏安全感，使生产人员受到很大威胁。 该论文主要通过桃冲铁矿地压显现规律与控制方法的课题研究探讨如下问 题： ( 1 ) 桃冲铁矿无底柱分段崩落采矿法地压调查与原因分析； ( 2 ) 明确研究任务与研究方法； ( 3 ) 提出改善地压状况的基本思路与方法： ( 4 ) 对9 0 m 水平以下矿体的开采问题进行分析预测，提出合理开采建议a 祧；中铁矿无底柱分段崩藩活采五r 的地压问题与控制方法 2 矿区地质概况 桃冲铁矿为一矽卡岩型的高温热液矿床，该矿床位于红花山一长龙山扇形背 斜的北翼，是组成整个扇形背斜的一部分。由于受水平方向的挤压力作用，岩层 褶皱强烈，矿区内的岩层发生了严重倒转，上述背斜在剖面上呈“s ”型构造，背 斜轴向呈东西方向。背斜例转促使翼部地层局部出现次级向斜和次级背斜，桃冲 铁矿的主矿体主要受次级倒转向斜的控制。 图2 - 1 15 3 m 水平地质构造平面图 桃冲铁矿矿体受层间断裂控制，产于二叠纪栖霞灰岩与石炭纪黄龙灰岩之中。 矿体原出露在地表海拔3 8 0 m 以上，底部延深至2 0 0 m 以下，最大水平厚度为1 1 0 m ， 垂直厚度平均为6 5 m ，矿体走向n s 0 。巨，上部矿体( 海拔5 0 m 以上) 南倾，倾角 6 0 。7 0 4 ，下部矿体倒转并向北惯，侯奄2 0 4 3 0 。，整个矿体 桃冲铁矿无底桩分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 自东向西侧伏，侧伏角为2 7 。海拔5 0 m 以上矿体，上盘围岩为柘榴予石或黄龙 狄岩，下盘为栖霞狄岩；海拔5 0 m 以下矿体一f ：盘围岩为栖霞灰岩，下盘为栖榴 子石或黄龙灰岩。黄龙灰岩致密性脆易碎，不耐风化，f 为4 8 ；柘榴子石坚硬 性易碎，f 为1 4 1 8 ：栖霞灰岩较硬，f 为1 0 1 2 。矿体结构大体上分为整体性 好的与松散的两类，9 4 进路以西的矿体松散破碎，9 4 进路以东矿体整体性较好。 矿区构造较为复杂，比较大的层间断裂和横断层均产于成矿前，对矿体稳定 性无多大影响。成矿后的断裂在矿体中表现为若干条小断层，穿切矿体的煌斑岩 脉，红泥夹层就是断裂的一种表现形式。构造走向基本与矿体走向一致，倾角近 于垂直，参见图2 1 。 矿体内节理以n e 7 0 6 8 0 。和n w 5 。1 5 。两组最发发育，一般倾角较陡， 介于5 0 。8 0 。之间。富矿中的节理被红泥所充填，将矿体切割成不连续体。调 查表明，矿体内有厚0 1 2 o m 的煌斑岩脉和红泥夹层，延长方向多同矿体走向， 长从几米到1 5 0 m 不等。煌斑岩脉主要穿插于柘榴子石、矿体、黄龙灰岩与乌桐系 页岩之中：红泥夹层多分布在上下盘矿体与灰岩接触带上。煌斑岩为暗绿深黑色 或浅绿色，风化后疏松：红泥遇水膨胀崩解，稳定性极差；这些夹层很不利于巷 道的掘进和维护常是巷道垮冒的突破口。 调查表明，矿体中晶洞，溶峒分布甚广，峒中积存有地下水。最大的一个在 矿体中部从1 4 6 m 到1 2 0 m 水平，横跨1 1 1 3 4 进路之间。 矿区含水层不多，含水量不丰富，主要分布在矿体上下盘：地下水与大气降 雨有关，水量随季节变化。 桃冲铁矿无底柱分笈崩蔫法采矿的地压问题与控制五涪 地压显现形式与原因分析 3 ，1 进路和联络巷道的围岩及其支护系统的变形破坏 1 0 1 4 线地段在掘采过程中，由于巷道跨落严熏。大部分巷道都进行了不同 程度的支护，但仍不能阻止其变形破坏，表3 一l 列出了1 9 9 6 年至1 9 9 7 年间桃冲 铁矿对三中段的1 7 3 m 、1 6 3 m 、1 5 3 m 水平巷道和1 9 3 m 、1 8 3 m 水平部分巷道的支 护量和巷道破坏程序等方面的调查资料。由此不难看出： ( 1 ) 巷道支护比例随着开采深度增加而逐步增大。从五分层到一分层增大了 5 倍，而1 0 1 4 线之间地段支护比例又比其它地段大1 5 2 倍，到一分层巷道的 支护比例达5 0 以上。 ( 2 ) 巷道支护的破坏是扶1 7 3 m 水平开始的，而且其破坏失稳的比例占支 护总量的5 0 左右。 ( 3 ) 根据该矿以前的观测资料，1 6 3 m 水平靠近下盘1 0 4 1 4 4 进路之间，巷 道平均下沉量为1 4 3 m m ，联络巷平均下沉量为2 6 0 5 m m ，收敛变形值为5 8 5 m m ， 平均收敛变形速度为2 6 6 m m d ，这说明自1 6 3 m 水平以下地压活动明显加剧。 表3 1 巷道支护情况统计 分层标高巷道氏度支护总量支护比例l o 1 4 线地段巷道支护变形 ( m )( m )( m )( ) 支护比例( )破坏比例( ) 五( 9 3 )2 8 52 0 7 四( 1 8 3 ) 3 3 03 41 0 三( 1 7 3 ) 1 5 8 6 3 0 l 1 9 3 7 8 5 0 1 二( 1 6 3 ) 1 2 2 7 3 5 3 2 9 4 2 4 4 7 5 一( 1 5 3 ) 2 4 4 68 8 6 33 65 4 , 04 9 4 7 挑冲铁* 并，鹿蛀分段崩藩浩票矿的站雁问韪与控制方；： 图3 1喷层开裂剥落 目前桃冲铁矿主要采用下列支护形式及其参数：喷射混凝土，设计厚度为 6 0 m m ，实际仅为2 0 4 0 m m ；锚杆支护，采用缝管摩擦式锚杆，锚杆长度为1 ，4 1 6 m ，网格为1 0 1 o m 2 ：喷锚网联合支护；钢棚支护，主要用于加强支护。 地压显现剧烈常表现在巷道交叉口和地质构造复杂、矿石稳固性较差地段。 巷道及其支护系统破坏形式主要有以下几种： ( 1 ) 顶板冒落，主要发生在稳固性较差的中部矿体中，这部分矿体松散破碎， 节理裂隙发育，而且裂隙中充填有红泥夹层。 ( 2 ) 片帮鼓裂，主要发生在软弱夹层以及联巷岔口部分，其破坏特征为两帮 酥裂、片落，而且首先在巷道拱基处产生剪切裂缝，然后两帮收敛变形，顶板下 沉，因而使巷道断面聪显缩小。 ( 3 ) 喷层开裂剥落，见图3 1 ，此类破坏在1 0 1 4 线之间地段最为普遍。 ( 4 ) 在钢棚支护地段，棚腿倾斜弯曲，棚梁扭曲，见图3 2 。此种现象在港 峒区周围巷道以及上下盘联巷处较为普遍。 洮冲h 、， 蠢疆分段? 强瘩最粟矿的“，昧门i 自与控i j 方， ( 5 ) 巷道墙脚处自0 喷层压酥脱落，岩石碎裂，此类破坏多发生在破碎矿体地 段，墙脚破坏后导致了整个巷道支护的变形破坏。 3 2 炮孔变形和破坏 图3 2钢棚变形、扭曲情况 炮孔变形破坏是该矿地压显现的另一表现形式，它不仅影响装药质量和爆破 效果，出现悬顶和隔墙等不良现象，使矿石大量丢失，而且给下个水平的工采带 来严重影响。炮孔变形破坏的主要形式有以下几种： ( 1 ) 错动，即由于炮孔穿过的岩层产生剪切变形和位移，使炮孔在轴线方向 发生错动，这是炮孔变形破坏的主要形式。 ( 2 ) 塌落，其破坏特征是炮孔i l 壁破坏塌落，由碎块将炮孔堵塞，这种现象 主要发生在破碎矿体中。 ( 3 ) 变形，其破坏特征是由于受应力作用炮孔断面形状由圆形被挤压戚籀赡 7 静 ：中铁矿无底柱分段崩藩法采矿的地压问题与控判方法 形，这种现象主要发生在矿石松软地段。 3 3 地压原因调查分析 调查分析表明，l o 1 4 线间的矿体中部地压严重主要有以下一些原因： ( 1 ) 矿体与围岩整体性不好，稳定性差。该区段节理裂隙发育，穿切大量煌 斑岩脉、页岩夹层、红泥夹层和溶峒，使矿体的完整性受到严重破坏。调查发现， 凡是巷道破坏严重的地段几乎都与上述因素有关，尤其是在岩峒和页岩夹层附近 则更为明显。当巷道暴露面积过大，暴露时间过长或支护不及时时，就有发生片 帮冒顶的危险。 ( 2 ) 上部矿柱和空区处理不及时、不彻底。如前所述，桃冲铁矿在采用无底 柱分段崩落法前的一、二中段，曾先后采用过分层崩落、浅眼留矿、阶段自然崩 落、峒室落矿的阶段强制崩落法等多种采矿方法，留下了大量矿柱和空区。在二 中段后期采用无底柱分段崩落法采矿前，没有对这部分矿柱和空区进行及时彻底 的处理，项板岩石未能崩落，覆盖废石层没有形成，使得这些残留矿柱一直支承 着上盘覆岩的重力，限制着上盘岩体的变形和移动，给下部矿体造成强大压力， 形成高应力集中区。因而在以下各分层的回采中出现了地压现象日益严重的状况。 ( 3 ) 回采顺序不合理。由于对9 号线以西的复杂地质情况了解不够，开采经 验不足，在以前的回采中就遇到很大困难，大量矿石以残留矿柱形式损失。采用 无底柱分段崩落法后，这部分矿柱末及时处理，将上盘围岩压力传递到下方，在 矿体围岩本身稳定性不好的情况下，采准和回采各项作业均落后于东西两头，形 成了三中段各分层回采中，先东西后中央的不合理回采顺序，这又进一步加剧了 中部地段的应力集中程度，造成1 0 1 4 线地段地压显现程度明显高于其他地段。 ( 4 ) 巷道的支护形式、参数和质量也存在一定的问题。从谭蠢申碡翘l o 雠 线地段矿傣松散破碎，节理囊睁发育，红混及鸯篇看夹器磐嘲羲广，冀承载能力 桃冲铁矿无底柱分段崩落渍采矿的地压问题与控制方法 低，存强烈的采动应力影响下，不采用有效的支护难以保持其稳定，虽然该地段 5 0 以上巷道都采用了不同的支护手段，但巷道变形破坏依旧十分严重。调查表明 原育的支护形式和支护强度均不能满足保持该地段巷道稳定的要求，例如：镭杆 长度偏短，未能托板，金属网强度偏低；很多地方只用素喷，个别地方采用被动 支护形式木栅或钢棚支护等。 支护不及时是造成巷道承载能力降低和破坏的一个原因。调查表明掘进期间 巷逍的垮冒，大都是不及时支护造成的；变形破坏严重的巷道也都与支护不及时 有关。 ( 5 ) 回采爆破是激发地压活动的重要因素。无底柱分段崩落法的爆破方式属 于挤压爆破，但崩矿步距小，爆破次数多。频繁的爆破能产生瞬时高度应力集中 和强烈的冲击震动，使围岩反复加载卸载，导致破碎矿体中巷道表面垮冒。调查 表明，回采期间巷道的垮冒，支护系统破坏很多是紧随爆破而发生的。 3 4 研究内容与方法 上述研究分析表明，解决桃冲铁矿无底柱分段崩落法的地压问题，需要研究 和解决如下问题： ( 1 ) 通过巷道变形、锚杆受力观测及岩性地应力分析等手段了解地压显现的 基本规律，为巷道设计提供基本依据； ( 2 ) 进行巷道支护设计的实验研究，提出巷道合理的设计方案： ( 3 ) 进行进路回采顺序的研究，提出合理的回采顺序，改善应力状态a 桃冲铁矿无底柱分段霸落法采矿的地压尚照与控籼方法 4 采矿巷道变形、锚杆受力观测 生产矿山岩体中的应力状态随着开采过程的进行而不断发生变化，这种变化 的结果必然反映在围岩变形和支护结构受力上。巷道开挖之后，围岩产生一次应 力重分布，相邻巷道丌挖时或回采过程中引起的应力分布也将引起围岩的应力变 化，f “生应力叠加。在这一系列的反复加载过程中，当应力超过巷道自身的承载 能力时，巷道的破坏就不可避免了。 桃冲铁矿1 7 3 m 水平和1 6 3 m 水平的下盘联络道，由于这种原因曾发生过严重 的变形和破坏，采场巷道冒落、片帮、外鼓十分严重，直接影响到采矿工作的顺 利进行。为了摸清地压活动规律，给1 5 3 m 水平及其以下水平的采矿工作、支护工 作和安全工作提供可靠的指导依据，我们对采矿巷道的变形、锚杆受力进行了系 统的监测。 4 1 观测系统的建立 根据需要我们采用了如下监测手段：对采矿巷道变形的监测，采用安装表面 收敛测点和四点位移计进行观测：对锚杆受力监测，采用安装量测锚杆进行观测。 ( 1 ) 测点布置原则 由于研究工作的需要，测点布设的主要力量放在即将回采的1 4 5 m 水平，其 次是1 5 3 m 水平和1 3 4 m 水平，并且均在1 0 1 4 线之间。 每个水平测点重点布设在应力集中的下盘联巷、巷道交叉口以及独立矿柱 处，其次是采场进路。 变形极大的软岩夹层带( 页岩、煌斑岩、黄泥夹层等) 及溶峒发育地段也 是重点布设地方。 测点布置情况如4 1 所示。 f 0 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 表4 一l 巷道变形、锚杆受力测点统计 分层号收敛测点位移测点量测锚杆 1 5 3 m 分层1 5 对9 个2 个 1 4 5 m 分层2 2 对5 个 1 3 个 1 3 4 m 分层l l 对 ， 合计4 8 对1 4 个1 5 个 ( 2 ) 测量仪器和测试兀件 s m k 1 型钢环式收敛计主要用于测量巷道两帮的收敛情况，以便于对研究巷 道稳定性、施工安全、支护效果、支护合理时间、方法等提供有效的技术依据， 其精度为o 0 5 m m 。 j w s 四点位移计主要用于测量围岩不同深度的四点“绝对”位移，由此确定 围岩的变形与深度、时间关系，并由这些资料确定支护参数和支护工艺，其精度 为o ，0 5 m m 。 c g n 型量测锚杆主要用于测锚杆轴向受力的大小及其分布，由此评价锚杆 对围岩的支护效果和围岩的稳定状态，其精度为2 s k n 。 ( 3 ) 测量周期 测量周期是根据变化大小而定，一般情况下是两周一次，变化大时一周一次 或一周两次。 4 2 测量结果 图4 - 1 为1 5 3 m 水平三个收敛测点的变化曲线，在连续观测的9 3 天时间内， 最大累计收敛变形为0 5 2 m m ，最大收敛速度为2 7 3 x 1 0 m m d ，收敛变形很小。 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 兽 g 村 皇 ； ； l 二 蠡 嚣 菩 - 一 一# i s? 53 0 5 07 z9 3i i 弘“a ：，o t l j 3 1s o i 29 17 3 时 ；o l i l 图4 11 5 3 m 水平收敛测点曲线 一1 5 3 m 水平收敛测点9 ：t 一1 5 3 m 水平收敛铡点1 5 4 ； - 1 5 3 m 水平收敛测点 t 1 霸 ( d 】 图4 - 2 为1 4 5 m 水平收敛测点的变化曲线，在3 5 0 天内1 8 “测点变化较大，累 计收敛值为1 0 1 1 m ，最大收敛速度为5 , 7 x 1 0 一m m d ，而8 4 测点变化很小。 图4 - 3 为靠近溶峒区的2 2 。和1 0 4 测点的变化曲线，其中2 2 。测点累计收敛值达 1 1 6 2 5 n 仰，最大收敛速度为1 6 5 m m d ：1 矿测点累计收敛值为4 1 r a m ，最大收敛速 度为0 6 9 2 m m d 。这说明溶峒区附近地压大，巷道变形大。 2 桃冲铁矿无底柱分段崩藩法采矿的地压问题与控制方法 i 蔷 蕾 茎 _ 童 l 蔷 w 村 # ，力 ， ， ， ， 一 一一o ：5 1 0 2 ：i b oj ，d2 ，3 2 43 5 0a q m 1 7 7 呻- ：s 1 3 3 日j 1 5i ? 1 2l l o；扣越，3 材筇e 对期 h 一1 r 。 哆 w 一 ；! 、 一 l i l j 图4 - 21 4 5 m 水平收敛测点曲线 一1 4 5 m 水平收敛测点8 2 ；一1 4 5 m 水平收敛测点1 8 = e s 目 抖 鲁 告 i 罩 兽 釜 捌 掌x 图4 - 31 4 5 m 水平收敛测点曲线 一1 4 5 m 水平收敛测点2 2 3 ：一1 4 5 m 水平收敛点测l o 。 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 一一 l 誊 矗 善 名 e e 甚 精 采 每 厂。_ 一： 4 7 6 7 恐 2 钯3 2 2 3 7 5 9r 。4 5 3 时间 a 9 7 l 6 雷i 2 6 ：3 2 33 7 5 ：5 3 时阃 u _ 图4 4 1 3 4 j i 】水平收敛测点( 4 ”) 曲线 图4 4 为1 3 4 m 水平4 4 测点收敛值变化曲线，其累计收敛值和收敛速度也是较 小的。 图4 5 为两个量测锚杆受力变化曲线，其中2 8 测点位于溶峒附近，其最大受力 为9 8 ，4 + 测点就较小只有2 4 t 。此外，可看出。锚杆 受力最大处在距锚杆孔口0 | , 2 n b m 的范围内，深部受 力较小。 4 3 结果分析 通过对巷道变形、锚杆受力的监测以及对地压活 动情况的调查、观察和分析研究，对桃冲铁矿地压活 动及其规律得出如下认识： ( 1 ) 地压显现沿矿体走向是东部小，西部大，中 4 n mgj ? j 2 td 毫5 “m ) 1 s 承千器_ 忤2 点 0m i l ii 2 】 0 ：5l ( m j4 5 术千萱膏 晰t l 赢 图4 5 量测锚杆爱力 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 瞄最突出；沿矿体厚度方向是南部大北部小。 由于矿体9 4 进路以西( 包括中部和西部) 节理、裂隙特别发育，丌始转入地 下开采时，因地质条件、采矿方法及采矿顺序的影响，回采效果很不理想，留下 大量的残柱实体，地表基本上没有陷落，上部岩体重力通过残柱集中传递给下部 分层，并且随着开采水平的下降，压力越来越大。其中中部9 “1 4 4 进路由于破碎 带厚度较宽，地质条件复杂，该处巷道一方面要承受上部岩层的集中压力，另一 方面因从两边向中间的回采顺亭导致两端卸载后集中压力向中部传递，所以中部 压力最为突出。 1 5 3 m 水平及其下部水平回采顺序调整以后，由于首先从中部采起，克服了端 部集中压力的影响，回采效果较好，也充分破坏了上部残留矿柱，所以中部由地 表岩移引起的的大规模地压显现开始好转( 但局部地方由于地质条件引起的地压 仍很严重，如溶峒区、页岩夹层带等) 。 矿体西部( 1 4 8 进路进西) ，由于回采时间较晚，中部采空区卸压后，集中压力 向该区转移，同时该部位残留矿柱实体没有得到充分的破坏，反而又留下新的残 拄，致使地表下降速度缓慢，不能形成正常的覆盖岩层，所以西部地压显现仍较 严重。 矿体东部( 9 。进路以东) 由于地表覆盖岩层陷落正常，地质条件较好，所以东 部地质活动小。 沿矿体厚度方向，由于南部( 靠上盘) 有一厚大的富矿帝被北东东和北北西 两组交叉纹理切割成块，并在节理裂隙中充填大量的黄泥夹层，致使矿岩整体强 度降低，南部地压显现严重，据现场调查，该处巷道开挖后两天左右开始埯冒， 临时支护后五天左右开始垮冒， ( 2 ) 进路退采过程中，距工作面l o 2 0 m 范围内是应力增高区，小于l o m 是 应力降低区，大于2 0 m 是原始应力区。 在进路退采过程中，地应力的重新分布。使得工作面附近形成超前支承力。 通过对采矿进程的监测发现，在距矿工作面l o 2 0 m 时巷道压力增高，变化速度 增大；在2 0 m 以外基本没有多大变化；在l o m 以内变形速度降低，见图4 - 6 。如 1 9 9 8 年8 月中，日j ，1 5 3 m 水平新1 1 进路变化突然增大；1 3 4 进路垮冒时距离1 3 m 左 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 右的1 5 4 测点速度也增大( 见图4 - 1 ，1 5 。测点收敛曲线) 。1 4 5 m 水平1 9 9 9 年9 月 当1 2 4 进路回采，工作面距溶峒1 9 m ，溶峒区测点变化突然增大，有的达至q2 5 m 耐d ： 在距溶峒1 5 m 时，溶峒开始垮冒：当距离小于l o m 时变化速度减小。 耕l3 口口口 3 舞i ： 口口口 图4 6 超前支承压力的分布 图4 7 单进路滞后开采 观测还发现超前支承压力是随着采矿的推进而不断转移的，其大小与回采 速度快慢成正比。当工作面回采推进快时，支承岩体不能充分变化，这时的超前 支承压力分布范围大，集中程度低、峰值小，工作面前方支承压力就小。这一结 论告诉我们，在回采工作面前方，如果遇到暴露面积较大的岔口、空区和地质条 件差的溶峒、页岩夹层带等，应加快回采速度，以便减小超前压力的影响。 ( 3 ) 在回采过程中，破碎松软岩体处在减应力区时，巷道维护更加困难。 一般情况是在增压区的巷道难以维护，但对于松软破碎岩体，不但在应力增 高区难以维护，而且在低应力区也难以维护。这是因为，处于应力增高区时，前 方支承岩体变形大，处于低应力区时支承岩体变形减小。松软破碎岩体通过挤压 和卸压作用后，岩体整体强度大大降低以致于容易垮冒。所以对于节理、裂隙发 育的破碎岩体和各种软岩夹层带，在回采工作面临近时，更应注意维护。 如我们在对1 5 3 m 水平新l l 。进路页岩带旁的测点监测发现，当它处于应力 升高区时，收敛变化虽有增大，但页岩兴层并没有垮冒，而当它距工作面5 8 左右时，收敛变化减小，但页岩夹层开始垮冒。在对有黄泥夹层的破碎富矿体的 观测中发现，当它处于工作面附近的应力降低区时，巷道出现片帮、冒顶的情况 更加严重。 ( 4 ) 进路滞后，特别是单进路滞后应力明显集中。 在回采过程中某条进路的推进速度较慢，落后于相邻的进路，就形成了单进 6 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 路滞后回采( 图4 7 ) 。由于超前进路回采后的覆盖岩体产生的压力转移到滞后回 采进路上，所以使滞后进路支承压力增高。 在观测中我们发现，位于1 4 5 m 水平1 3 。进路中的2 14 、2 2 。测点，从1 9 9 9 年5 月开始变化很快，而且速度越来越大( 见图4 3 ) ，通过分析发现1 4 5 水平回采时 新1 2 4 、1 3 4 进路回采速度都比1 3 。进路快，1 3 4 进路比新1 2 进路落后1 5 m ，比新1 3 。 进路落后2 0 m 形成明显的滞后回采，结果导致巷道片帮、外鼓以致垮冒。 ( 5 ) 上分层留有支承矿柱，下分层相应部位巷道地压显现就大，在薄弱地带 甚至会影响到更下一个分层的巷道稳定。 如图4 8 所示，在矿柱下方的第一弓形( i 区) 内，压力最大，但各向均衡； 在矿柱下方的第二弓形( i i 区) 内，正应力 小于i 区，但切应力最大，此区内通常产生 断裂和裂隙，然后产生滑动，如果下分层进 路位于此区，则巷道难以维护：在第三弓形 ( i i i 区) 内，此区正应力和切应力减小。 在对1 4 5 m 水平溶峒区周围测点观测中发 现，1 9 9 8 年1 1 月份位于溶峒区周围的测点变 化较大，在岔口的l o 。测点变化速率达到 0 7 m m d ：1 8 4 测点也达到0 1 5 m m d ( 见图4 3 ， l o 测点收敛曲线) 。分析认为，由于该溶峒上 部1 5 3 m 水平l l 、12 。进路变形严重，基本上图4 8 残留矿柱下方的应力分布 没有采出矿，留下大量残柱，以后又从这些残柱后面回采，使应力集中于残柱上 传递到1 4 5 m 水平，同时爆破动荷载对其影响也较大。在对1 3 4 m 水平的观测中发 现，也在这个时间内位于溶峒附近的4 。测点变化也增大，也在这个时间内位于溶 峒附近的4 。测点变化也增大，速度达0 1 4 m m d ，这是出于在薄弱条件下( 溶峒区) ， 1 5 3 m 水平的支承压力不但影响到1 4 5 m 水平，而且还会传递到1 3 4 m 水平。 所以回采时应先回采残柱下面的巷道，解除应力集中。同时，对有残柱的下 分层巷道应尽早维护，特别是对处于溶峒区及页岩层带等地质条件薄弱区的巷道 要对下两个分层进行维护。 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 ( 6 ) 独立矿柱以及联络道与进路笳口处是应力集中之地。 在对独立矿柱的观测中发现，1 9 9 9 年1 1 月位于1 5 3 m 水平独立矿柱处的9 4 测 点( 见图4 1 ) 以及1 4 5 m 水平独立矿柱处的2 4 测点( 两个部位j 下好对应，见图4 - 2 、 图4 1 ) ，在1 4 5 m 水平l o b l l 。三条进路中部回采时变化都明显增大，而从地表测 量结果看位于该部位的地表测点沉降量也明显增大。分析认为1 5 3 水平以上由于 留有大量残柱，而该部位又有一条较宽的黄泥夹层带，当i 4 5 m 水平采矿时，这个 部位可能发生过大冒落，致使地表下陷，应力增高集中于独立矿柱处。该联络巷 道( 特别是矿体中部联络巷道) 与进路岔口处的矿柱地压显现也特别严重，如1 9 9 9 年1 0 月左右1 4 5 m 水平上盘矿体回采时，位于前方的中部联络巷与进路岔口处矿 柱，据观察大部分已片帮、鼓裂，收敛变化很大( 如图4 - 3 ，1 4 5 m 水平1 0 。测点) 。 在1 5 3 m 水平回采时该部位也是地压显现较严重的部位之一。 ( 7 ) 进路匿岩受力最大部位为距巷道表面深l m 左右，松动范围一般情况为 1 5 m ，在应力集中区和松软破碎地方的达2 m 左右。 对进路里的量测锚杆观测表明，巷道帮的最大受力部位约为距巷道表面深l m 左右( 如图4 5 ，量测锚杆受力曲线) ，而拱基比拱顶和侧帮受力大，巷道破坏也 首先从拱基开始。 一般情况下围岩的松动范围在围岩深1 5 m 处。观测表明，在受力集中或破碎 松软的地方松动范围可达2 o m 左右。这就要求一般情况下锚杆长度至少应在 1 8 m ，在特别情况下应为2 2 m 左右。 ( 8 ) 矿岩接触带处地压显现严重 由于桃冲铁矿矿岩接触带处的矿体和围岩比较破碎，且该处又有一条宽约2 m 左右的页岩夹层，地质条件较差。因此在该部位巷道开挖时经常出现掉碴、脱落， 以后回采时该部位片帮、垮冒也相当严重。 ( 9 ) 上分层地压显现严重时，下分层相应部位地压显现也大。 通过观察和收敛监测我们发现，在一般情况下，上分屡如果地压显现严重， 则下分层相应部位地压显现也较大。分析认为，这主要有以下三个方面的原因： 一是在同一部位，上分层的地质条件不好，下分层的地质条件也差；二是上分层 地压显现大时，会对下分层岩体造成很大影响，削弱岩体的强度；三是覆盖岩层 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 中可能有较大的滑落实体，在下滑时产生较大的冲击压力。 ( i 0 ) 当回采工作线呈北东东方向布置时地压显现就大 合理的回采顺序可以减少不利的支承压力传递，所以回采工作线的布置则应 考虑相邻进路的应力分布状况以及岩体本身的地质构造。 通过对挑冲铁矿地压调查发现，当回采工作线呈北东东方向布置时，这些回 采进路的地压显现就大。如l5 3 m 水平的1 2 4 1 5 4 六条进路回采时，采矿工作线呈 北东东方向布置，结果矿岩接触带以及页岩夹层带巷道支架弯曲、喷锚网支护层 开裂、内鼓，巷道其它部位也出现片帮现象。在1 4 5 m 水平1 2 8 进路以西也出现过 以这种方式布霞工作线的情况，所以该处巷道破坏严重。这是因为矿区内节理以 n e 7 0 。8 0 。和n w 5 。1 5 。两组最为发育，如果工作面推进时压力升高线和压 力降低线与节理走向线相重合，那么压力显现就大。同时，由于页岩夹层走向、 矿岩接触带走向和n e 7 0 。8 0 。节理走向基本一致，所以北东东方向布置回采工 作线很不利于巷道稳定性。由于不稳定的中部联络巷道是东西方向，所以按东西 方向布置采矿续也是不利的。最好的和置方式是北西西方向和北北东方向，这样 既不和两组节理方向一致，又克服了其它方向的不利( 如图4 9 所示) 。 ? 5 彳 一一，托j 呵一i 匕下- ，2 一 ， i口 图4 - 9采矿工作线与节理关系 根据桃冲铁矿进路之间应力分布 状况和岩体地质条件，我们曾建议将 回采工作线改为与进路方向呈4 5 。 角的两条线布置( 如图4 - 9 ) ，反映在 图上即是n e 2 5 。和n w 6 5 。两条线。 这两条线正好在北西西和北北东这 1 1 个有利的区域里，所以与进路方向呈 4 5 。布置采矿工作线是比较合理的。 ( 11 ) 爆破对巷道稳定性有很大影响 由于药包爆炸在岩体中产生的应力波在遇到界面时产生的反射波是一种拉伸 波，强烈的爆炸对节理性岩体有比较大的破坏作用，会使原有的节理裂隙开裂、 扩展，并产生新的裂隙，在自由面上则会因拉伸作用产生岩体崩落。无底柱分段 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 崩落法属于中深孔挤压爆破，按步距回采方式，进路和附近联络巷道受到爆破的 反复影响，在地压较大，岩体稳定性不好的情况下极易引发事故。甚至对下一阶 段造成影响。如1 4 5 m 水平1 1 4 、1 2 4 进路中部采矿爆破时，由于爆破动荷载的影响， 1 3 4 m 水平溶峒旁进路出现掉碴、脱落，页岩夹层处出现垮冒。同时，爆炸还会影 响巷道的变形，如1 9 9 8 年1 1 月3 日1 5 3 m 水平的新1 4 。进路在位于1 2 4 测点前破大 块，1 1 月2 日测量变化较小为0 0 0 2 m r r d d ，1 1 月4 日测量时已明显增大到o 0 6 m m d ( 如图4 1 ，15 3 m 水平1 2 4 测点收敛曲线) 。 根据调查和爆破震动时对巷道稳定性研究发现，炸药量对稳定性系数影响较 小，随着药量的增加稳定性系数降低比较缓慢，近似于直线：爆中距离对稳定性 有明显的影响，爆中距增大，稳定性系数也相应提高。 由于桃冲铁矿矿岩节理、裂隙比较发育，破碎松软夹层较多，当回采工作面 距离较远时，应加强节理、裂隙、软岩夹层的维护工作，特别是二次爆破时，爆 破地点应尽量远离这些地方增大爆中距。进行回采爆破时宜采用微差爆破技术， 以减小爆破动荷载对其稳定性的影响。 ( 1 2 ) 地表未陷落或沉降较小地段，井下相应部位地压显现就大 地表未充分陷落或下降较小，说明该部位下残柱较多，空区垮冒不充分，支 承压力通过这些残柱集中传递下来，作用在巷道上使巷道地压显现增大。如1 9 9 7 年之前矿体中部以上地表沉降很小，沉降速度 5 m m d ，所以矿体中部地压活动激 烈，1 6 3 m 水平以上该部位基本上没有采出多少矿。西区地表到目前为止，真正因 为矿体西部采矿引起的地表下沉仍很微小( 一部分下沉是由于中区沉降引起的滑 移) 。所以西区地压仍没有得到缓解。 ( 1 3 ) 出矿不均匀时，巷道压力增大 观测结果表明，如果出矿1 2 1 出矿不加以控制，易出的多出，不易出的少出， 则会引起地表下沉不均匀，从而导致巷道压力增加。如1 9 9 9 年底井下e 在1 4 5 m 水平9 8 1 2 4 进路的中、下部出矿，由于1 2 4 进路前面溶峒区的影响不易出矿，所 以就在1 0 4 、新1 0 4 进路大量出矿，引起地表下沉不均，对应1 2 4 进路的地表1 3 4 测 点下沉速度为1 3 3 m m d ，而对应1 0 4 进路的地表1 4 4 测点下沉速度达2 1 2 3 m l r d d ， 所以井下这几条进路，特别是中部联巷地压显现较大，巷道鼓裂、片帮严重。 桃冲铁矿无底柱分段崩落法采矿的地压问题与控制方法 ( 1 4 ) 下盘联络巷道地压显现小，溶峒区地压显现大 通过观测发现安装在下盘联络巷道中的收敛测点和位移测点变化很小。围岩 中的位移基本没有发生变化，表面收敛变化平均在o 0 0 5 m m d 左右，最大为 o 0 1 4 4 m m d 。实际情况