1998, Vol. 12引用本文 |
| 急倾斜薄矿体开采矿区的地压测试技术 |  [PDF全文] |
2. 合肥煤炭设计研究院, 合肥 230041
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斗南锰矿位于云南省文山州砚山县境内, 为一海相沉积型富锰矿床, 由5个矿段组成, 目前开采白姑和嘎科两矿段, 设计生产能力均为5万t/a。矿石为氧化锰和碳酸锰, 属低硫、低磷、低铁、易选的优质富锰矿。
该矿嘎科南翼矿区为急倾斜薄矿体, 矿体顶底板围岩多由泥岩、泥质粉砂岩和灰岩组成, 泥岩、泥质粉砂岩遇水软化, 强度变低。在1845 m中段和1810m中段曾采用横撑支柱空场法进行开采, 该方法虽然具有采准工程量小的优点, 但同时存在矿石回采率低(仅为58 %-60%)、采场内安全作业条件较差、工人劳动强度大、坑木消耗大等缺点。因此, 试验研究回采率高、作业条件好、能提高矿山经济效益的采矿方法, 对该矿持续生产和二期工程扩建具有重要意义。针对嘎科南翼矿区矿体厚度多变的特点, 分别进行了浅孔留矿法、下向分段采矿法和削壁充填采矿法的试验研究。为了掌握急倾薄矿体开采时上覆岩层移动规律和采场底部桃形矿柱的稳定性, 采用了收敛变形量测、压力枕量测和水准测量等地压测试手段, 对开采区段的围岩进行了监测。
2 脉内巷道围岩收敛变形量及分析测量巷道收敛变形是研究矿山地压显现的一种手段。该法简单方便, 可以在一定程度上反映巷道地压活动的大小、范围及一般规律, 从而对巷道围岩支护的可靠性作出定性判断, 为矿山生产中采用相应的工程措施提供依据。为此, 在采矿方法试验研究地段的采场底部脉内巷道, 布置了4个断面进行收敛变形测量, 采用CL-Ⅱ型收敛计测量测点的相对位移, 在备采、回采和放矿、采空区崩落期间监测脉内巷道围岩的收敛变化情况。14#-Ⅱ断面和15# -Ⅰ断面的收敛变形-时间曲线分别见图 1(a)和(b) 所示。
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| 1.备采期; 2.回采期; 3.放矿期; 4.采空区塌落期。 图 1 脉内巷道断面收敛变形-时间曲线 |
由围岩收敛变形-时间曲线表明。
(1) 巷道两帮围岩收敛变形不太(见图 1(a)), 顶板岩层变形明显。两帮围岩累计收敛变形量为23.39mm, 平均收敛变形速率为0.189mm/ d; 顶板岩层累计收敛变形量为68.21mm, 平均收敛变形速率为0.55mm/d。说明当采场开始回采时底柱就有沿软弱夹层滑动的迹象, 引起巷道顶板岩层变形。
(2) 备采期巷道收敛变形小, 回采期及放矿期巷道收敛变形较大, 采空区塌落期巷道收敛变形最大。由图 1(b)可见, 备采期巷迸顶板累计收敛变形量为10.15mm, 平均变形速率为0.149mm/d; 而回采期、放矿期巷遴变形量分别为16.34mm, 和5.30mm, 平均变形速率为0.654mm/d和0.353mm/d, 为备采期的4.4倍和2. 4倍; 采空区塌落期巷遴顶板累计收敛变形量为4.6 3mm, 平均变形速率为0.244mm/d, 为备采期的1. 6倍。
(3) 采用锚喷网支护后, 巷道的最大允许变形量为220mm(破碎软岩), 而本次监测地段累计最大变形量为68.21mm (14#-Ⅱ断面), 仅为允许变形量的31 %, 由此可以认为经锚喷网支护后的脉内巷道是稳定的。
3 巷道支护压力测量与分析在采矿方法试验的地段, 为了监测采场底部桃形矿柱的受力状况, 在脉内巷道内架设了4对钢拱架, 从1990年8月到1991年2月用压力枕监测其上部支护压力的变化。通过监测, 取得了一些监测数据, 并对其进行了分析, 绘出了支护压力变化曲线(见图 2所示)。从图 2(a) 可见:在采场回采初期支护压力上升为2.8MPa; 在放矿期间达到了最大位, 支护压力为6.4MPa; 采空区塌落期支护压力逐渐减小, 最终趋于稳定。
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| 1.备采期、回采期; 2.放矿期; 3.采空区塌落期。 图 2 支护压力变化曲线 |
4 上覆岩层移动观测与分析
在采场回采过程中, 由于采场顶板受断层、裂隙的破坏, 多次发生采场顶板脱落、离层现象, 为了及时掌握采场回采过程中上覆岩层的移动规律, 采场回采之前, 利用1845m中段上回风巷道及反向横穿观测采空区冒落和上覆岩层移动。从1990年9月到1991年2月对岩层移动进行了观测, 主要在巷道内采用水准仪、经纬仪观测空间坐标变化, 用收敛计测量巷道顶底板的收敛变形。岩层移动观测曲线见图 3所示。
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| 图 3 上覆岩层观测岩移曲线图 |
根据上覆岩层移动观测曲线分析表明，采场直接顶板冒落高度一般在2.0~3.0m, 14#采场顶板冒落为2.5~3.0m, 由于垮下岩石将采空区几乎充满, 深部岩层移动受到限制, 上覆岩层移动影响范围在10m以上。山实验室相似材料模拟实验表明, 采场顶板岩层移动范围为1 6~1 8倍矿厚, 而且向岩层深部发展时, 其相对移动量逐渐减小, 这一结果与现场观测结果吻合。
5 结论与建议(l) 采用收敛变形量测、支护压力测量和上覆岩层移动观测的地压测试手段是可行的, 其结果基本反映了岩层的变化规律。
(2) 分析脉内巷道收敛变形量测结果可知, 监测地段最大收敛变形以为允许变形量的31%, 说明巷道在服务年限内是稳定的。支护压力测量结果表明, 支护压力在回采初期几乎为零, 随着工作面暴露而积不断增大, 支护压力呈上升趋势, 但采空区塌落后, 支护压力又逐渐减小、最终趋于稳定。
(3) 从上覆岩层移动监测结果及支护压力显现结果表明, 矿区地压显现以围岩变形离层为主, 断层破碎带以松散压力出现。采场顶板冒落高度一般为2.0 -3.0m, 由于垮下岩石将采空区几乎充满, 深部岩层移动受到限制。
(4) 斗南锰矿嗄科南翼矿区顶底板以泥质页岩为主, 加上断层、构造彩响, 节理发育, 这些因素是采矿方法选择的最重要依据。采矿方法和地压活动规律的研究结果认为:在围岩中等稳固-稳固地段可以采用浅孔留矿法, 在围岩不稳固-极不稳固地段可以采用下向分段采矿法回采。
(5) 斗南锰矿嘎科南翼矿区最大构造应力方向为NW向, 与采矿工程的长轴方向相垂直, 对工程稳定极为不利。因此, 在工程布置时要考虑此因素, 特别是1620m中段以下接近向斜轴部, 应力集中, 矿岩破碎, 要进一步研究适用的采矿方法。