一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法與流程
2023-12-10 12:29:47
本發明涉及一種巖體工程地壓管理方法，尤其是涉及地下礦山深部開採時地壓管理，可廣泛應用於礦山、隧硐、地鐵等巖體地下工程。
背景技術：
在礦床地下開採中,採場地壓管理是生產工藝之一。其目的是防止開採工作空間的圍巖失控發生大的移動和威脅人員的工作安全。正確選擇回採期間採場地壓管理方法有非常重要的意義。
礦山井下巖體在未開挖以前承受著上覆巖層的重量以及其他力的作用而處於平衡狀態，稱為原始應力平衡狀態。一旦礦巖體被開挖以後或其附近有開挖工程，其原始應力平衡狀態便遭到破壞，礦巖體中的應力將重新分布以便達到新的平衡，在此過程中，次生應力場在二次分布過程中會在開挖範圍周圍的一定區域內形成應力集中區域和應力降低區域，將使巷道或採場周圍的巖體發生移動、變形和破壞，影響到採場等地下工程的穩定性，這種現象稱為地壓顯現。這種地壓顯現是礦床地下開採中面臨的一個重大安全問題。因此，揭示地壓活動規律、管控地壓顯現是實現礦山安全生產的基礎。
地壓的存在，使採礦工作變得困難，為了保證安全生產和回採工作的順利進行，必須採取減少或避免地壓危害的措施，或積極利用地壓進行開採，這種工作就是地壓管理。
《金屬礦山》2007年第2期發表的「基於flac3d程序的採空區穩定性分析」一文中，通過flac3d程序對某金礦的採空區穩定性進行了數值分析，得出了應力應變的分布規律，提出數值模擬程序可在巖體的穩定性分析中提供科學依據。《東北大學學報(自然科學版)》2015年第3期第36卷發表的「露天轉地下過渡期巖移危害控制方法」一文中，介紹了通過控制邊坡滑落方向來減小了露天地下同時生產的相互幹擾，提出了一種控制巖移危害的方法；《江西煤炭科技》2016年第2期「爆破卸壓技術防治衝擊礦壓的應用研究」一文中，介紹了深孔卸壓爆破參數及爆破工藝，並利用電磁輻射法對卸壓爆破效果進行了監測，提出了一種利用爆破卸壓技術防治衝擊礦壓的方法；《巖石力學與工程學報》2015年第11期第34卷發表的「深部巖體力學研究與探索」一文中，介紹了國內外深部煤礦、深部金屬礦、極深地下工程的深部巖體力學工程發展狀況，提出並分析了深部巖體力學需要解決的一些關鍵問題。
以上文獻及現有其它成果雖然提出了一些分析地壓規律、控制地壓和卸壓開採的一些方法，但這些地壓管理模式明顯缺乏系統性和動態性，未充分體現巖體工程中巖體固有的特殊性和開挖過程中應力場動態變化的複雜性。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對現有技術中存在的上述問題，而提供一種能夠提高回採效能、保障回採安全、降低開採成本的適於地下礦山深部開採的地壓管理方法。
為實現本發明的上述目的，本發明一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法，針對礦山開採等巖體工程特點，充分結合採礦工藝，提高回採效能、保障回採安全、降低開採成本，通過分析地壓(s)、轉移地壓(t)、利用地壓(u)、控制地壓(c)的循環模式實現地壓管理。具體採用以下步驟循環實施直至整個礦區的回採結束：
1)研究揭示地壓顯現規律(study)
通過調研地質資料、測試原巖應力、測試礦巖力學參數、折減力學參數、構建力學模型，在結合地下礦山開採規劃、採礦方法和開採工藝的基礎上，採用數值模擬、相似模擬、理論分析、現場監測、工程類比的方法，分析井下礦巖體每一步開挖形成採空區過程中的地壓顯現——巷道垮塌、頂板冒落、巖層移動、地表塌陷，得到井下礦巖體內的應力升高區、應力降低區、拉應力區、巖體移動角，為地壓管理提供理論依據。
2)引導採區地壓轉移(transter)
根據第1)步揭示的地壓顯現規律，結合開採工藝、開採順序，在井下礦巖體內採用水平切割巷、垂直切割槽、鑽孔預裂等的方式引導採區(採場、巷道或硐室等)內的應力進行轉移，重新分布形成新的應力升高區、新的應力降低區，同時在新的應力降低區內布置回採巷道，從而改善採區內礦巖體的應力分布狀態，降低井巷、硐室工程等周邊應力，為礦體高效開採再造環境。
①當礦區以垂直應力為主時，通過垂直切割，將採區(採場、巷道或硐室等)上部覆巖層應力部分或全部轉移到四周，採區段內壓力拱下的開採工程只承受上覆礦巖之重量，此時垂直應力值顯著降低而變得易於開採。
②當礦區以水平應力為主時，通過水平切割，將作用於開採區(採場、巷道或硐室等)內礦體的水平應力隔斷，形成水平應力降低區，此時採區內水平應力值顯著降低而變得易於開挖。
3)利用採區高應力崩落(use)
前面第2)步通過應力轉移可實現巖體區域應力狀態的重分布，形成新的應力降低區和新的應力升高區，在第2)的基礎上，充分結合不同開採工藝，利用應力升高區應力集中特點或深井自身存在的高應力特性，通過在採空區頂板上形成新的應力升高區內布置中深孔，採用誘導冒落方式誘導採空區頂板巖體冒落，消除採空區頂板上應力集中的衝擊災害隱患，同時形成回採所需的覆蓋層。
在3)步驟，將井下高應力災害轉變為可控地壓能進行破巖，實現高應力災害的轉換利用，顯著提高回採效率，降低開採成本。
4)控制作業區地壓顯現(control)
在第1)、2)、3)步的基礎上，對仍因地壓顯現影響巷道、硐室、採區安全的區段，採用錨杆、錨索或注漿對回採巷道進行支護的內部加固方式，以及外部支護、聯合加固支護、廢石充填或尾礦膠結充填的方式，以進一步控制地壓顯現，以進一步控制地壓顯現，保障了回採安全。
所述的外部支護採用木垛、鋼架、液壓支架、人工假柱、噴射混凝土中的一種或兩種及以上的組合，所述的聯合加固支護採用錨網、網噴的組合加固方式。
本發明方法每一步回採都按stuc方式進行地壓的動態循環管理，直至整個礦區的回採結束。本發明針對巖體工程的特性，以調整巖體應力狀態、綜合利用地壓為核心思想，將地壓的被動控制轉變為主動管理，實現了「研究地壓規律(study)—引導地壓轉移(transter)—利用地壓崩落(use)—控制地壓顯現(control)」的地壓動態循環管理與控制，極大提高了效能，有效保障了安全。
與現有技術相比，本發明一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法具有如下優點：
①針對巖體工程中巖體固有的特點，通過「研究地壓規律(study)—引導地壓轉移(transter)—利用地壓崩落(use)—控制地壓顯現(control)」的循環管理模式，實現了地壓管理的系統性和動態性。
②地壓管理stuc循環是綜合性循環，四個階段是相對的、是相互關聯和融合的，該模式更符合巖體工程多次開挖、反覆擾動的特性。
③stuc循環突破了常規以地壓控制為主的地壓管理思路，以調整應力狀態、綜合利用地壓為核心思想，實現了地壓管理模式的重大理論突破。
④將地壓管理與礦區構造、工程地質、採礦方法、採礦工藝等進行了動態結合，實現開採更安全、更經濟、更高效。
附圖說明
圖1為本發明一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法的stuc循環實施流程圖；
圖2是本發明對深部崩落法開採時揭示的地壓顯現規律圖；
圖3是本發明對採區段高應力引導轉移的方案圖；
圖4是本發明對採區段高應力綜合利用方案圖；
圖5是本發明採用支護方式控制地壓顯現的方案圖。
1－應力升高區；1`－新的應力升高區；2－應力降低區；2`－新的應力降低區；3－井下礦巖體；4－拉應力區；5－巖體移動角；6－採空區；7－水平切割巷；8－垂直切割槽；9－回採巷道；10－中深孔；11－覆蓋層；12－錨杆。
具體實施方式
為描述本發明，下面結合附圖和實施例對本發明一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法採用做進一步詳細說明。
本發明一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法實施例在雲南玉溪大紅山礦業深部崩落法開採中成功應用。該礦屬海底火山噴發沉積變質中厚緩傾斜高溫礦床。有七層礦體,三層銅四層鐵。
存在的問題：多次爆破後長時間的空區頂板暴露,致使地壓顯現活動加劇。大紅山採空區頂板暴露面積一般在2000m2左右,由於盤區生產周期長,空區不能及時進行充填,從採供開始空區一般都長達8個月左右,而且空區頂板還受到採礦期間多次大爆破的疊加衝擊破壞,以及地質構造影響,造成空區頂板大面積垮落,形成大塊,造成貧化,隨著地壓顯現活動的加劇,應力重新分布並在礦柱產生應力集中,還發生了礦柱的垮落現象。據觀測,頂板垮落最高達到了28m,一般情下也達到3m～5m。如果礦柱也再垮落,將帶來很大的安全隱患，必須進行地壓管理與控制。
由圖1所示的本發明一種適於地下礦山深部開採的地壓管理方法的stuc循環實施流程圖看出，本發明方法包括四個步驟的stuc循環，即：1)研究地壓規律(study)，2)引導地壓轉移(transter)，3)利用地壓崩落(use)，4)控制地壓顯現(control)。
由圖2所示的本發明對深部崩落法開採時揭示的地壓顯現規律圖看出，本發明方法的第1)步驟為：
1)研究揭示地壓顯現規律(study)
井下礦巖體3每一步開挖形成採空區6過程中，都會形成相應的應力升高區1、應力降低區2、拉應力區4、巖體移動角5。
在此規律基礎上，首先採用水平切割、垂直切割或預裂爆破等方式對高應力分布進行轉移，然後在應力升高區利用高應力進行誘導崩落，在應力降低區或應力恆定區(儘量避免在應力升高區)布置工程，最後對局部區段採用支護方式控制垮冒、片幫等地壓顯現。
由圖3所示的本發明對採區段高應力引導轉移的方案圖看出，本發明方法的第2)步驟為：
2)引導採區地壓轉移(transter)
根據第1)步揭示的地壓顯現規律，結合開採工藝，在井下礦巖體3內採用水平切割巷7、垂直切割槽8的方式引導採區內的應力進行轉移，重新分布形成新的應力升高區1`、新的應力降低區2`，消除或降低高應力對開採區段的影響，同時在新的應力降低區2`內布置回採巷道9。
由圖4所示的本發明對採區段高應力綜合利用方案圖看出，本發明方法的第3)步驟為：
3)利用採區高應力崩落(use)
在第2)的基礎上，通過在採空區6頂板上形成新的應力升高區1、內布置中深孔10，採用誘導冒落方式誘導採空區6頂板巖體冒落，既消除採空區6頂板上應力集中的衝擊災害隱患，同時又安全、經濟地形成了回採所需的覆蓋層11，可謂一舉多得。
由圖5所示的本發明採用支護方式控制地壓顯現的方案圖看出，本發明方法的第4)步驟為：
4)控制作業區地壓顯現(control)
在第1)、2)、3)步的基礎上，對仍因地壓顯現影響巷道、硐室、採區安全的區段，採用錨杆12、錨索或注漿對回採巷道9進行支護的內部加固方式，以及外部支護、聯合加固支護、廢石充填或尾礦膠結充填的方式，以進一步控制巷道垮塌、頂板冒落、巖層移動、地表塌陷等地壓顯現，保障了回採安全。
所述的外部支護採用木垛、鋼架、液壓支架、人工假柱、噴射混凝土中的一種或兩種及以上的組合，所述的聯合加固支護採用錨網、網噴的組合加固方式。
本發明通過「研究地壓規律(study)—引導地壓轉移(transter)—利用地壓崩落(use)—控制地壓顯現(control)」的循環管理與控制模式，將地壓的被動控制轉變為主動管理，提高了回採效能，保障了開採安全。採用本發明的方法，在雲南玉溪大紅山礦業深部崩落法開採中實現了大參數(分段高度×進路間距為20m×20m，為國內最大)、高中段(高度120m)、高強度(450萬t/a)的安全高效開採。