金属矿山冲击地压的监测及预警

王忠豪

（中国地质大学（北京）工程技术学院， 北京 海淀 100089）

由于棉花坑矿井-100m以上浅层资源的逐渐耗竭，矿产资源开发向深部推进已成必然趋势。随着矿体开采深度的增加，地压活动将越来越频繁，矿石和矿岩的稳固性受构造、节理、裂隙、水文等条件影响，开采过程中发生过大变形甚至垮落，形成顶板事故的可能性增加。[1]本文通过现场调研采场实际情况，利用FLAC 3D进行建模，并在采场安装应力监测仪，将监测数据和FLAC 3D模拟情况相拟合，验证模型精准后利用模型进行开挖预警工作。

1 现场情况调研

1.1 采场构造

根据矿方生产情况，选取12-2采场为模拟采场。12-2采场位于井下150m，目前采场长约100m，宽约5m，高约5m。根据FLAC 3D建模要求，扩充建立了长约150m，宽约25m，高约125m的长方体模型。通过观察测量，确定了采场内的裂隙带，根据上述采场实际情况利用CAD绘制出下图，黄色线条（注释为50）是裂隙带在顶板及上方的表现。

图1 采场及扩展后长高视注释图

1.2 监测点布控

通过工人反应经常发生冒顶偏帮的位置和实际裂隙情况进行选点，选点完成后进行钻孔，钻孔深度为2.5m，钻孔直径为42mm，钻孔完成后安装应力监测仪。安装应力监测的俯视布点图如下。

图2 采场顶板的应力监测布点图

2 FLAC 3D建模

2.1 岩石力学性质

通过收集棉花坑矿井水文地质资料，得到-150m矿井中矿石及矿石周边围岩的大致构造和岩石力学参数（见表1），并以此为依托，利用数值模拟软件FLAC 3D（5.0）进行建模，不断修正完善后建立了长150m宽25m高125m的长方体模型。

表1 岩石力学性质参数表

绢云母化中粒黑云母花岗岩 33.3 25.0 50 50 4.1 2.71硅化不等粒花岗岩31.1 21.4 49 48 5.3 2.62赤铁矿化硅化碎裂花岗岩 29.8 20.5 52 60 10.5 2.64矿石赤铁矿化硅化碎裂岩19.5 13.4 50 50 4.6 2.64

2.2 现阶段开挖模拟

图3 现阶段开挖的模型视图

第一次开挖后想重新达到力学平衡较难，为了避免计算不收敛，故在计算时将步骤设为10000步。

图4 开挖第一阶段最大不平衡力

从上图可以看出随着计算的进行，最大不平衡力已经降为0，说明模拟收敛正确，之后便可以对模型Z轴方向的位移云图和应力云图进行分析。

2.3 现阶段开挖应力分析

图5 开挖第一阶段ZZ轴方向XZ平面的应力云图

图6 开挖第一阶段ZZ轴方向YZ平面的应力云图

通过分析现阶段开挖ZZ轴方向的XZ平面和YZ平面的应力云图可以直观的看出开挖时遇到组2和组3及组3和组4的接触面时会引起应力集中，这说明开挖遇到不同力学性质的围岩、矿石或者遇到有裂隙发育的情况下会引起应力变化，而这些位置往往是发生冒顶偏帮的高发区域，这也是下一步现场实验的重要监测区域。[2]

3 现场监测数据验证

图7 一号机监测数据

图8 三号机监测数据

图9 五号机监测数据

通过现场监测数据来看，监测情况和模拟情况基本吻合，证明现阶段开挖的模拟正确，可以进行后续的开挖模拟并预警。

4 后期模拟开挖及预警

图10 后期开挖的模型视图

图11 后期开挖的模型视图

随着开挖深度的增加，采空区岩体应力的重新分布相较于第一阶段更加容易，所以计算步数不再需要像开挖第一阶段一样长。此次模拟开挖第二到第五阶段均采用了3000步，收敛后对开挖第五阶段进行模拟。

图12 开挖第五阶段Z轴方向的XZ平面的应力云图

图13 开挖第五阶段Z轴方向的YZ平面的应力云图

从开挖第五阶段Z轴方向的应力云图中可以看出，顶板和底板中部位置是应力集中点，和第一阶段一样，在开挖时遇到组2和组3及组3和组4的接触面时会引起应力变化，在进行生产时应该注意上述接触面附近位置的支护工作，切勿盲目开采。[3]

5 结束语

随着矿山开采深度的增加，冲击地压的发生概率加大，造成的后果也更加严重，因此在进行生产开挖之前进行模拟预警工作是十分必要的。本文通过对棉花坑矿井12-2采场进行FLAC 3D模拟，并通过现场应力监测进行数据拟合，证明了模型的精确性，并模拟后续开挖的状态，得到了后续开挖应力激变点，并以此预警，为后续的支护工作提供帮助。