Ser i es N o .392February 2009金 属 矿 山M ETAL M INE总第392期2009年第2期刁心宏(1961 ),男,华东交通大学道路与铁道工程江西省重点实验室,教授,330013江西省南昌市。

采场地压动态控制刁心宏(华东交通大学道路与铁道工程江西省重点实验室)摘 要 详细阐述了采场动态地压产生的原因和采场地压动态控制的含义,提出了采场地压动态控制的内容,在此基础上,比较深入地论述了采场地压进行动态控制的方法,给出了对采场地压进行动态控制的实施步骤。

所提出的地压控制方法和实施步骤,对于空场法采矿生产具有一定的指导意义。

关键词 地下矿山 采场地压 动态控制D iscussion on t he D yna m ic Cont rol of Stope Ground P ressureD iao X i n hong(K ey Laboratory of R oad and Rail w ay Eng i neering of J iangx i P rov i nce ,East Chi na J iao tong Universit y )Abstrac t T he paper e l aborates t he causes f o r dynam ic ground press u re o f st ope and the m eani ng o f dyna m i c contro l o f stope ground pressure ,puts for w ard its contents ,m akes a deep discussion on itsm e t hods and presents the i m p le m enta -ti on procedure for the dyna m i c contro l o f stop ground pressure .The g round pressure contro l m et hods and i m ple m enta ti on procedure presented can have so m e gui dance s i gnificance to t he open -st ope m i n i ng .K eywords U nderground m i ne ,Stope ground pressure ,D yna m i c control1 采场地压动态性产生的原因所谓地压的动态性,不仅是指地压现象随时间推移而变化的特性,如岩体流变(蠕变、松弛现象)和岩体风化造成的地压现象加剧,也更是指岩石工程结构随其所处空间位置和施工顺序的不同,地压现象的表现形式和显现程度随之变化的客观存在。

对于后者,其原因主要在于如下几个方面。

(1)地质条件的变化。

矿体及其围岩都是经过漫长的地质年代而形成的地质体,期间经历了许多次的压拉断裂、岩脉充填、地震活动、风化卸荷等多种地质作用,经历了长期的交变地应力作用,因此形成了矿岩体极其复杂的结构特征和物理力学性质。

(2)矿体赋存条件的变化。

矿体赋存条件包括矿体厚度、矿体倾角、矿体埋藏深度、矿体顶底板围岩性质及直接顶板厚度等。

(3)应力环境的变化。

应力环境的变化除前述随开采深度增加地应力随之增大外,上部采空区的形成对下部矿岩体的应力环境也有不可忽视的影响。

上部矿体开采后形成采空区,使下部的采矿工程处于应力升高区或承压带中,因此地压显现将更为明显和激烈。

(4)岩石具有应力历史记忆特性。

岩体为非完全弹性介质,岩体是否破坏不仅取决于岩体的力学性质和应力大小,而且取决于达到这一应力状态所经历的过程。

回采顺序不同,岩体所经历的应力路径也不同,最终的应力状态也就不同。

由上述可知,由于采矿工作在空间上是不断推进变化的,在此过程中,采场地质条件、矿体赋存条件、应力环境自始至终不断变化,采场中地压的显现随之发生不断变化,即采场地压是动态的。

所以,必须以动态的观点观察和研究采场地压,并以动态的方法预测和控制采场地压的显现。

只有这样,才能做到积极主动,满足采矿工作的需要。

2 采场地压动态控制的含义及内容广义地讲,控制是为了 改善 某个或某些对象的功能或发展,需要获得并使用信息,以这种信息为基础而选出的、施加于该对象上的作用。

通俗地讲,所谓的 控制 ,是指施控者选择适当的手段作用于受控者,以期引起受控者的行为发生预期变化的一种策略性主动行为。

在采场地压控制中,矿房顶板岩体和矿柱是被控对象,对顶板或矿柱进行加固,以及改变采场结构尺寸及回采顺序,即是为了改善采场矿岩稳定性、获得最优的矿石回收率和经济效益而采取的控制作用。

在这个过程中,需要获得有关信息,据以施加控制作用。

信息的来源包括: 地质勘探获得的矿体赋存特征和矿岩性质,如矿体倾角、厚度、顶板厚度、矿岩破碎程度、矿岩体地质构造弱面产状及其力学性质、地下水情况、原岩应力等; 地压监测获得的采场矿岩对外部环境作用的反映,如矿柱中的压力大小及其变化规律、矿房顶板和矿柱变形大小及其变化规律等; 岩石力学计算分析和实验室试验获得的矿岩应力分布、顶板及矿柱变形破坏趋势等; 领域内的一般知识和专家的知识、经验; 地质条件和工程条件相类似的工程实例。

所谓采场地压动态控制,即是根据采矿工作所处的地质的、工程的环境和条件的变化,以采场地压观测、试验研究、计算分析以及与类似工程类比等手段所获得的反馈信息为依据,随时对采场结构参数及顶板和矿柱加固方式、参数进行调整,以使采场地压处于最佳状态 即在保持采场矿岩稳定的前提下,矿石回采率和经济效益达到最大。

由上述可知,房柱式空场采矿法采场地压动态控制的内容主要是:(1)合理确定、及时调整顶板跨度和矿柱宽度;(2)确定并及时调整顶板、矿柱加固方式和加固参数;(3)确定合理的中段回采顺序,并根据发展趋势及时进行调整。

要实现对采场地压的动态控制,必须能够:(1)对采场地压显现模式进行快速、准确的判断。

通过对采场地压显现模式的识别,判断采场顶板、矿柱是否会失稳破坏和以何种方式破坏,从而确定采用何种方法进行控制。

控制参量(手段)包括:改变支护方式或强度,改变采场结构参数,改变回采工艺。

(2)及时确定地应力及矿岩体物理力学性质参数指标,并在采矿过程中不断求精,为岩石力学计算分析提供可信的数据。

(3)对采场围岩应力及变形进行快速分析。

通过对采场围岩应力及变形的分析,获得矿岩体中应力及变形分布规律,为地压监测方法、监测点布置、分析矿岩破坏的可能性及破坏方式提供依据,找出可能引发矿岩破坏的薄弱环节。

(4)对采场地压进行实时监测。

通过对采场地压进行监测,一方面可以保证采场回采安全,另一方面可以返回采场地压发展趋势及采场地压控制效果的信息,为分析采场地压显现规律和调整采场结构参数及矿岩加固措施提供直观可靠的依据。

必须指出,对采场结构参数和中段回采顺序的调整必须与矿体开采工艺相结合。

若采用沿脉装矿运输,则可对采场结构参数进行随时调整;若采用穿脉装矿运输,采场结构参数的调整应适应穿脉间距的约束。

回采顺序的调整应以不破坏通风、运输系统或增加大量附加工程为条件。

总之,在进行矿体开采设计时,应将地压控制作为一个重要设计依据综合考虑,既满足矿体勘探、开采的工艺要求,又能给采场结构参数、回采顺序的调整以一定的灵活性。

这一工作应贯穿在整个矿体、每个中段的开采过程中,这也正是采场地压动态控制的灵魂所在。

3 采场地压动态控制方法空场采矿法采场地压控制中,被控对象为矿柱和顶板(或上下盘围岩),控制的目的是将矿柱和顶板或上下盘围岩的地压显现控制在一定的限度之内,以保持矿柱和顶板或上下盘围岩稳定,同时满足对矿石回采率的要求。

可以施加的控制手段包括:(1)改变采场结构参数。

(2)改变顶板的支护方式和支护参数。

(3)改变回采顺序。

事实上,对采场地压进行控制的过程,即是对采场结构参数和支护参数的优化过程。

按照控制论的观点,采场地压控制过程可以表示为图1所示的一个闭环。

图1表示了通过改变采场结构参数、支护结构参数和回采顺序控制采场地压的一般过程,其中既包含了对采场矿岩性质、地质环境等认识不足所引起的参数设计偏差的修正,也包含了由于采场地质条件、矿体赋存条件、地应力环境的变化而必须对设计参数进行的调整。

前者通过对采场地压的观测和监控而获得有关信息,是被动进行的;后者通过勘测获得所需信息,是主动进行的。

整个过程包含2个层次。

第一个层次是对1个采区、1个中段、数个中段或整个矿体而言。

即根据地质勘探和生产勘探结果,以地质条件和矿体赋存条件为依据,将矿体划分为条件相同的区段,并确定合理的采场结构参数、支护结构参数和回采顺序。

每一分区的采场结构参数、支护结构参数和回采顺总第392期 金 属 矿 山 2009年第2期序的确定过程可用如图2表示。

图1采场地压控制实施过程图2 回采分区采场回采、支护参数确定过程采场顶板和矿柱的支护方式和结构,需根据采场顶板、矿柱的可能破坏模式确定。

顶板和矿柱的破坏模式取决于采场的地质条件和工程条件,如矿房矿柱宽度、顶板及矿柱岩体结构和稳固性、矿体倾角、是否有断层破碎带和大型裂隙切割、采矿深度或应力环境等。

采场矿岩稳定性分析采用数值模拟方法,如有限单元法、离散单元法等。

采场结构参数的调整包括增加或减少矿房或矿柱宽度。

参数的调整是双向的。

当初选的采场结构参数、采场矿岩体支护参数和回采顺序能使采场稳定时,如果采场结构参数不能满足矿石回采率的要求,则可增加矿房宽度,提高支护强度等级,改变回采顺序等;若采场结构参数能够满足矿石回采率的要求,且采场稳定性仍有较大的储备,从提高矿石回采率、降低成本和提高经济效益的目的出发,可增加矿房宽度、降低支护强度等级等;如果采场不稳定,则可以减小矿房宽度、增加矿柱宽度和提高支护强度等级,但采场结构尺寸的选取还须满足矿石回采率的要求。

确定的每个分区的采场结构参数、采场支护结构参数和回采顺序在采矿推进过程中应当是可变的。

此外,回采顺序的调整,应兼顾矿井通风和矿石运输的要求。

第二个层次是针对每一个采场或一些典型采场的。

在采场回采过程中和回采完毕后的一定时期内,对采场地压活动进行观测、量测,掌握采场地压活动的规律,如顶板及矿柱的稳定状况、顶板及矿柱的破坏模式、矿柱压力、顶板沉降量、顶板岩层离层量、顶板沉降量和沉降速度与采场地压显现的关系等,并据此对采场结构参数、支护参数和回采顺序进行调整,同时根据地压观测结果进行反分析,修正进行岩石力学计算所采用的有关参数指标,包括矿岩体变形参数指标、矿岩体强度参数指标和顶板厚度等。

每一个采场或若干个采场回采后,应根据采场回采过程中地压显现规律调整采场结构参数和支护参数,并及时进行反分析。