小岭硫铁矿开采地压效应及控制措施研究
第一章 绪论
1.1研究背景
地下岩体在受到开挖之前，原岩体处于应力平衡现实[1]。在矿岩体开采过程中，由于不断的开挖破坏了原岩体的原始平衡现实，将会不同程度地表现出各种地压现象，这种由于受到矿山开采活动的影响，在巷道围岩体中形成和作用在巷道支护物上的力定义为矿山压力[2]，其表现形式如顶板下沉、开裂、冒落，巷道的片帮、底鼓、冒顶，矿柱的垮落，采空区的塌陷等。在大多数的情况下，矿山地压显现会对采矿活动造成不同程度的危害，因此，在矿床开采的过程中，采取合适的地压控制技术是实现矿山安全生产的必要条件。地压活动有时会严重影响到矿山的安全生产，导致局部停产，甚至会酿成大的灾难，在地下矿山开采方面，在很长一个时期内，由于人们对采矿活动引起的地压显现规律没有充分的认识，加上不少矿山只重视片面开采，而忽略对采空区的处理，结果因地压活动失控而造成灾害，这些都是十分值得引起注意的教训[3]。为了保障矿山各项采矿工作的正常运行和矿山安全生产的需要，必须采取相应的控制措施把地压显现控制在一定的范围内[4]，其中井下巷道围岩的支护和加固以及采空区的处理是十分重要的工作，及时支护和加固围岩并对采空区进行治理能够有效的控制地压活动。一般情况下，大多数的金属矿产资源都是在比较复杂的地质环境条件下赋存的，在这些复杂的地质环境下，地应力本身的分布就具有多变性和复杂性，而随着矿产资源的开采利用，以及不同的开采方式对矿区地应力的分布也会有相应的影响[5]。因此，矿山开采地压显现效应及控制措施的研究已经是矿山岩土工程的重要课题之一，分析并掌握矿山地压分布规律，可以对实际生产进行科学指导，采取必要的控制措施，减小地压危害的发生，确保矿山安全生产。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 矿山地压现象的研究现状
地压现象是一种复杂的物理或化学作用的结果，它除了引起岩体的变形或破坏之外，不同性质的地下岩体工程也往往引起不同的地压现象，如竖井工程中出现井壁破裂、矿体开采造成岩层移动等现象。地压现象从宏观角度反映了因采掘作业所引起的岩体的各种受力时所表现出的行为。广大矿山工作者通常用地压;一词来说明，从力学角度分析，地压一词反映了岩体与岩体之间，岩体与支架之间的相互作用。顾名思义，地压这一概念属于力的范畴，我们知道，力分为内力和外力，是相对所研究的对象而言的。对因采掘作业使原岩应力σ发生显著变化（大于 5%σ）的区域，地压属于面力，该范围的直径，一般为井巷最大尺寸的 3~5 倍，习惯上，称此范围内的岩体为围岩;，而将此范围外的岩体称为原岩；原岩对围岩施加作用力，因而在围岩中所产生的应力变化（即内力）及其对支架所施加的作用力统称为广义地压，而将围岩对支架等外部结构物所施加的压力（外力），称为狭义地压[11]。地压的显现是一个极其复杂的问题，它取决于我们所研究的主体岩石这一复杂的地质体性质、开采工作面形状及采掘工程本身的一些特征等因素，根据地压的表现形式，可以分为以下四类：松散地压、变形地压、冲击地压和膨胀地压[12]。
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第二章 工程地质条件分析
2.1 矿区地质与矿体赋存状况
小岭硫铁矿于 1978 年 3 月建矿，矿区位于安徽省庐江县城东南约 32m 处，行政区划隶属于庐江县龙桥镇安定村，地理坐标东经 117°27′21″，北纬 31°04′50″。北与钟山铁矿，西北与庐江矾山明矾石矿相毗连。小岭硫铁矿矿床的区内构造比较简易，其主要构造有褶皱、断裂和火山构造。
（1）褶皱：位于矿区以北缺口东南的枣树咀背斜构造，背斜的核部为下侏罗统磨山组，两翼为中侏罗统罗岭组，倾角 44°～79°，轴线走向北东 50°，轴面直立，略向东南倾，平面呈S;形延伸 4m。花山庵向斜构造，位于何家大岭北部的太华山，向斜轴近东西，长约 1000m，轴面近于直立，两翼倾角 21°～23°，由砖桥组下段第二韵律层中、上组的熔岩、沉凝灰岩组成，核部为上组顶部的豆状凝灰粉砂岩。天光山短轴背斜构造，位于矿区西南天光山，轴向北东 60°，长约 1500m，轴面直立微向西倾伏。轴部为砖桥组下段第二韵律层上组的凝灰质粉砂岩，两翼为砖桥组中段的沉凝灰岩、熔岩。
（2）断裂：矿区内存在断层，以近南北、北北西向、北东向展布为主，近东西及北西向次之，断层附近多见碎裂岩、构造角砾岩、糜棱岩。区内查明的断层共有 34 条，其中 F11 为矿床中规模最大的 NNW 向断层，F24 为矿床中规模最大的 NEE 向断层，受泥化作用，二者含水性较弱，基本属隔水断层。影响矿床的断层主要为 F11，走向 340°～350°，倾向南西，倾角为 70°～88°，切割和破坏矿体。基底断裂，发育于早侏罗世的火山岩地层中，它对火山喷发型式、次火山岩的侵位、火山机体的空间展布起着十分重要的控制作用。推断其主要为南北向及东西向两组，北东及北西向次之。
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2.2 矿床开采技术条件
何家小岭硫铁矿始建于 1978 年 3 月，原属地方国营矿山，开采范围为 1～4 号勘探线+110m 以上的矿体。至九十年代末期，+110m 标高以上矿体基本开采完毕，并形成了部分采空区。矿山陷入困难，承包给私人开采，受利益驱动和市场价格影响，私人业主开采+80m～+110m 分层的局部富矿，破坏了矿体的完整性，遗留了大量的采空区，其采空区分布现状见表 2.1。目前主要开采+100m 分层矿体，采用无底柱分段崩落法开采，垂直矿体走向布置盘区。分断层和节理两部分。断层有北北西向和北北东向两组，以 F11规模最大，断层带岩性松软破碎，挤压面多见泥化，不稳定；F24 主结构面附近有糜棱岩化、碎裂岩化、泥化，岩性松软，工程地质条件不好。节理结构面以北北西、北东东向两组最发育，发育于泥化岩层中，具明显挤压特征。本矿区可分为三个工程地质条件不同区（不良区、一般区和稳定区）。开采区不良工程地质条件较多，相当一部分岩石遇水膨胀崩解，属半坚硬至软弱岩石，为工程地质不良区。掘进至断层及泥化岩带中要加强支护，特别要注意形变和失稳情况。矿山自开采以来，采用平硐溜井开拓，无底柱分段采矿法开采。经过多年的地下开采，矿山地下酸性水外排对周边黄屯河和上河院部分河段造成了一定的污染，目前矿山已建有污水处理厂，对排放的矿山酸性水加以治理后排放，取得了一定的效果。矿山今后开采时，应加强环境监测和治理，使排放的废水符合国家工业废水排放标准。本矿床为顶板和矿体本身直接进水的裂隙孔洞充水的隐伏层状矿床，地形高有利于排水。附近无大的地表水体，补给条件不好，矿床水文地质条件属简易类型。
第三章 采场地压开采效应数值模拟研究.........15
3.1 引言........15
3.2 建模与相关约定......15
3.3 矿体回采过程中诱发的开采效应研究......17
3.4 本章小结.........27
第四章 采场地压活动分析及现场监测........29
4.1 采场地压活动特点及研究内容.........29
4.2 采空区围岩破坏机理及顶板失稳模式......30
4.3 围岩稳定性现场监测与分析....35
4.3.1 二次应力变化监测..........35
4.3.2 围岩变形监测.........39
4.4 本章小结.........45
第五章 地压控制措施研究........47
5.1 回采进路地压控制...........47
5.1.1 支护与加固机理.....47
5.1.2 地压控制原则.........49
5.2 采空区处理研究......51
5.3 本章小结.........54
第五章 地压控制措施研究通过前文对地压开采显现效应的数值模拟研究
分析表明，随着矿体的不断开采，其顶板岩层和周边围岩都表现出了明显的地压显现效应，而导致小岭硫铁矿地压剧烈显现的因素是多方面的，因此，对其控制也必须是全方位的、综合性的。根据小岭硫铁矿开采所表现的地压效应和矿山开采现状，对小岭硫铁矿后续开采所产生的地压效应也应采取综合性的控制措施。小岭硫铁矿地质条件相对比较复杂，多数岩体结构不够稳定，矿层有断层的存在，自稳性不是很好；考虑到矿山现状，由于上世纪末期矿山陷入困难，承包给私人民采，形成了大量的采空区，破坏了矿体的完整性，由于这些采空区的存在，不仅使矿体在开采过程的地压活动显现效应加剧，而且为后续矿体的安全回采留下很大隐患。小岭硫铁矿采用无底柱分段崩落法开采，整个回采过程的凿岩、崩矿、出矿都在同一条回采巷道（进路）中完成，因此，回采进路保持良好的稳定现实，对安全生产、提高回采经济效益具有重要意义。针对小岭硫铁矿的实际情况，必须保证生产时回采进路巷道的安全，因此，对于开采过程中出现的地压显现效应必须加以控制，本章主要分析对巷道地压的控制和遗留采空区处理的研究，保证矿山安全顺利运行。
5.1 回采进路地压控制
由于小岭硫铁矿采用无底柱分段崩落法的开采方式，因此保证开采过程中回采进路的稳定是十分重要的[73]，从第三章数值模拟可以看出，在矿体不断回采过程中，采空区暴露面积逐步增加，引起周边围岩及回采进路出现较为明显的应力集中现象，如果不对其采取合适的控制措施，极有可能出现冒顶、坍塌等地压灾害，影响矿山的正常运行。对于开采过程中出现的这种地压效应，支护和围岩加固是最直接的控制手段。
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结论
本文以《小岭硫铁矿采空区地压监测及岩层移动规律研究》课题为依托，经过了专业文献的系统调研和现场调查的基础上，结合多种理论和工程实测的结果及数值模拟等方法对小岭硫铁矿采动地压显现效应及控制措施研究方面展开分析，取得了一定的理论意义及工程应用价值，论文所得到的主要结论与研究成果如下：
1、通过对矿体产状、矿岩体物理力学性质、矿体含水层分布及产状，水文地质等调查，获得了第一手的现场资料，并对岩体稳定性进行评价，总体来讲水文地质属于简易类型，工程地质存在不良区，要特别注意不良区矿体开采时的形变和失稳情况。
2、根据现场实际地质条件，采用 FLAC3D数值模拟软件建立高仿真计算模型，对矿体进行开挖模拟分析，结果表明：矿体开采后，采场应力重新分布，随着矿体的逐步回采，采空区跨度及暴露面积不断变大，顶板垂直位移沉降逐渐增加，在采空区中间区域附近岩体沉降值最大，距空区越远位移量越小；在矿体的回采推进过程中，采空区顶板暴露面积逐步增加，矿体完全回采结束之后，顶板总的暴露面积达到 67000 平方米，最大垂直变形位移达到 18.9cm，采空区顶板下沉变形区域有明显增加，地压活动显现效应越来越明显。通过分析矿体回采过程中产生的地压显现效应，这些地压活动会加速回采进路巷道的破坏，出现片帮、冒顶，甚至垮塌，因此，为了保证矿体的安全回采，减少地压灾害活动的发生，将采取适当的措施对受地压活动影响较大的采场巷道和存在的空区进行处理，确保下部矿体后续开采的安全。
3、通过对国内外对于岩体破坏方式、采空区顶板失稳类型的整理研究，分析了地压活动引起的采空区顶板和围岩破坏机理，并对采空区顶板冒落规律进行了介绍。通过对采场周边围岩二次应力的监测和岩移监测，在一定程度上反映了周边围岩的地压活动规律，地压监测数据表明，采空区与围岩接触处出现应力集中现象，空区被覆岩填充后，应力值趋于稳定，应力集中现象有所缓解。围岩监测区域内数据变化稳定且变形绝对值较小，均在 3mm 以内，这表明大范围的地压活动显现暂时不会发生，表现出较好的稳定性。
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参考文献（略）