自然崩落采矿法中底部结构地应力监测

自然崩落采矿法中底部结构地应力监测
发布时间：2021-12-20T06:47:03.473Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年20期作者：尚言定
[导读] 通过地应力定量测量和微震定性监测相结合的方法对自然崩落法采矿过程中的地应力进行监测，加强对底部结构稳定性的监护，减少资源浪费和地压治理经济投入，提高采矿效率。

北方铜业铜矿峪矿山西运城 043700
摘要：通过地应力定量测量和微震定性监测相结合的方法对自然崩落法采矿过程中的地应力进行监测，加强对底部结构稳定性的监护，减少资源浪费和地压治理经济投入，提高采矿效率。

关键词：自然崩落法；地应力测量；微震监测
1自然崩落法的原理
自然崩落法是用普通的凿岩爆破回采方法在矿体的底部或某一阶段的底部采出矿体的一薄层水平矿石，使此薄层上部的矿体失去支撑，矿岩在自身重力、地应力和岩体内本身存在的节理裂隙的作用下破裂并崩落，崩落的矿岩从下部的底部结构中放出，使其上部的矿石继续破裂并崩落。

随着更多的矿岩被放出，崩落在矿体中向上扩展，直至覆盖岩石全部崩落，并产生地表塌陷。

崩落采矿法的特点是连续回采，在覆盖岩下放矿，以崩落覆岩充填采空区管理地压。

与无底柱分段崩落法、有底柱分段崩落法等方法相比，自然崩落法具有简化的采准系统和生产工艺，矿石损失贫化率低，开采强度大，生产能力高，劳动生产率高，安全程度高，采矿成本低，便于实现自动化等优点，因此自然崩落法采矿在大型地下开采矿山得到了广泛认可和应用。

2影响自然崩落法运用的因素
自然崩落法虽在诸多大型矿山中取得了成功运用，但影响此采矿方法的主要因素有五个方面：地质资料、矿岩体数据、矿岩崩落的连续性、崩落块度、底部结构。

放矿是自然崩落法应用成功与否的关键所在。

放矿工作完成得好，矿石能顺利放出，矿山就能充分利用自然崩落法低成本的巨大优势，获得好的经济效益；而放矿处理不好，会造成资源的巨大浪费，同时对矿山的安全高效生产会带来巨大不利影响。

为了满足上部矿体崩落所要求的应力环境，采矿诱导工程必然产生应力集中，导致采场地压剧烈显现。

剧烈的地压显现必然影响底部结构的稳定性。

所以，底部结构的地压控制和稳定性维护是自然崩落法采矿能否成功的最关键技术。

3底部结构地应力监测
3.1地应力测量
地应力测量对矿山开采设计具有十分重要的意义。

只有准确掌握了矿山的地应力分布特征和变化规律，才能合理确定矿山总体布置，选取适当的采矿方法，确定巷道和采场的最佳走向、断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护方式、支护结构参数等，从而在保证围岩稳定的前提下，最大限度地增加矿石产量，提高矿山经济效益。

在进行地应力测量前，测点与钻孔方位的确定至关重要。

测点的选择要避开巷道和采场的弯、叉、拐等应力集中区以及大断层、岩石破碎带、断裂发育带，同时测点尽量远离大的采空区和硐室。

地应力测量方法有很多，瑞典LUT岩石三轴应变地应力测试系统测量地应力。

它拥有独特的温度补偿、探头快速精确定位、瞬间同步弹射与快速固化技术，与应变解除法的其他测试仪器相比较，在测试精度、准确性和效率上具有明显的优越性。

地应力测量主要步骤LUT地应力测试系统的测定工作主要包含以下8个步骤：①钻大孔。

先用外径为91mm金刚石钻头打近水平大钻孔(3°～10°仰角，以便排水)深入到原岩应力区的岩体中，大孔深至少为测点所在巷道半径的3～5倍。

②孔底磨平。

退出钻杆并换接孔金刚石底磨平钻头，将大孔底仔细磨平。

③钻小孔。

再次退出钻杆，换接外径为38mm的小孔钻头，打长约400mm超前小孔，注意大小孔要保证同心，同时超前小孔的内径应略大于探头外径，否则需二次扩孔。

④钻取小岩芯。

钻取小孔岩芯，检查其完整程度，若较完整，则可根据小岩芯确定应变片活塞的粘贴位置，对于碎断小岩芯要仔细判断是否为人为机械断裂，否则继续向深部打孔直至找到岩石完整部分。

⑤安装探头。

造孔完成后，在应变花活塞表面上涂快速应变胶(凝固时间约1min左右)，用带有激光定位装置的专用安装工具把装有应变花活塞的LUT探头迅速送到小孔预定位置，待仪器显示应变花活塞转到正确方位时，在超前小孔的内壁上粘贴上在空间按一定角度排列的12个应变片，迅速开启压缩空气，将应变花活塞从探头中吹出并粘贴在小孔壁上，保持高压气体40min以上，待仪器显示粘结剂已完全固化，应变花牢固粘结在小孔壁上后，将仪器应变调零后拔出电缆。

⑥套孔应力解除。

先将小孔口用专用堵水塞子封住，以免解套时进水，然后用单管
解套钻具进行套孔应力解除。

⑦钻取岩芯筒。

将装有LUT探头的岩芯筒小心取出，避免人为的二次损坏。

⑧测量恢复应变。

将取出的岩芯筒擦拭干净，冷却至环境温度后，测量探头中12个应变片的弹性恢复应变。

通过对铜矿峪矿深部矿区4个测点的地应力测量结果显示：矿区地应力的主应力随着深度的增加而增加，并且成近线性的增长关系。

矿区最大主应力的方向在深部和浅部表现出较好的一致性，均为北东东向。

矿区的地应力整体上仍以水平构造应力为主，在深部某些区域由于自然崩落法引起的上部岩层垮塌而使最大主应力的倾角增大，但影响程度随开采深度增加而减弱。

3.2微震监测法
底部结构的重点是出矿水平，它服务时间长，在回采过程中承受高载荷，非常容易造成出矿中段的破坏，因此在自然崩落法回采期间，非常有必要保持底部结构的稳定，以实现顺利出矿。

在采用强有力的支护基础上，应该对底部结构进行在线监测，掌握底部结构应力变化情况，及时调整拉底速度，增强支护方式，保障底部结构的稳定。

在采矿过程中，开采扰动会造成局部应力集中，在局部集中应力作用下，岩体内部将产生弹塑性能聚集，当聚集能量达到甚至超过某一临界值之后，将诱发岩体微裂隙产生和扩展。

岩体微裂隙产生与扩展过程中，聚集的弹性能以弹性波或者应力波的形式向周围岩体内快速传播。

依据监测台网有效范围内的多个传感器接收到的微震信号，通过反演推算方法可得到岩体内部微破裂发生的位置、时间和强度，同时可根据微破裂事件聚集趋势、能量大小、破裂密度，推断后续开采过程中岩体宏观破裂发展趋势。

通过微震监测系统监测出矿水平底部结构应力变化，并根据应力场变化趋势及时调整拉底和出矿顺序，减少应力集中对底部结构的破坏。

4结论
地应力监测对于自然崩落法的成功运用至关重要。

通过地应力定量测量和微震定性监测相结合的方法，可以对采场底部结构的稳定进行实时监测，对地应力变化异常区域及时采取合理的措施进行处理，保障底部结构服务寿命，减少资源浪费和经济损失。

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