山西三门峡西山矿段大空区下安全回采矿柱监测系统的建立

山西三门峡西山矿段大空区下安全回采矿柱监测系统的建立

1采空区分级监测狮子山矿区大矿段的露天区域由四条盲矿体组成。采矿方法为暂留矿石垫层下的阶段崩落法。经过20多年的开采,现已回采了-40,-80,-120,-160m4个中段,-190m中段正在开采,形成了超过200万m3的采空区,并沿矿体走向留有一宽为25～38m(上窄下宽)的连续矿柱,即17#矿柱,将空区分为大、小两部分(见图1)。1996年西山矿段进入收尾阶段,为了更多回收矿产资源,决定对17#矿柱进行试采。为了确保在特大空区下安全回采矿柱,采取了一些必要的监测手段,完善了原有的监测系统。经过两年多的实践,共采出矿量23万t,铜金属量2481t,取得了较好的经济效益。2监控系统的配置制订监测方案时必须考虑要在原有监测系统的基础上,重点对空区顶板、预留点柱及空区周围岩体进行应力应变监测。2.1空区顶板监测系统的建立在分析已有资料和监测手段基础上,对国内外有关监测方法和仪器进行分析、研究,并针对狮子山铜矿的矿柱开采条件及空区现状,制订了新的监测方案,建立了新的监测系统。新的监测系统是在原有的监测系统上,增加了对17#点柱和上下盘岩体的应变和应力状态的监测、用点柱压力盒观测压力以及用片帮测试仪监测片帮破坏等监测手段,这样形成了以顶板钻孔深部基点位移观测、地表水位观测、空区顶板冒落监测、+50m平峒底板下沉观测等为主要监测对象的空区顶板监测系统;以大应变计、压力盒、片帮测试仪等为主要监测工具的17#矿柱监测系统。2.2巷道沉积相的观测顶板监测系统包括地表观测站和+50m平峒观测站两部分。在地表观测站,主要对深部基点位移、钻孔水位和空区高度以及矿石垫层厚度进行监测,具体观测布置见附表和图2。在+50m平峒建立观测站是因为该处属已废弃的旧巷,并正位于空区上部顶板中,巷道底板距空区顶板约6～8m,是空区顶板活动的敏感部位。在此处安装下沉仪进行下沉观测是较理想的。具体布置见图3。2.31矿柱底板开采巷道,西山空区能长期处于稳定状态,除空区形态呈自然拱形、空区顶板围岩坚固、整体性好等特点外,空区中间留下的25～38m的17#连续矿柱起了一定的支撑作用。17#矿柱把空区分为大小两部分,使其跨度大大缩小,改变了空区围岩的受力状态。1996年在对该矿柱底板矿体进行试采的过程中,原先安装在17#矿柱-80m中段穿脉巷道内的应力观测点因该处部分巷道垮落而失去监测作用。因此,在17#矿柱试采过程中,需重新建立17#矿柱监测系统,以便能随时监测和掌握矿柱的应力与位移变化情况。对于17#连续矿柱的回采,初步决定先试采其上下盘部分的矿体,中间留一点式矿柱,以起一定的支撑作用,该点柱也是监测应力集中和空区活动的关键部位。为此,17#矿柱监测系统重点放在17#点柱岩体应力与位移观测上,同时辅以17#矿柱顶底板的应力变化观测。3观测系统的安装为了及时监测矿柱试采过程中的应力变化情况,1997年上半年,在17#点柱的-137m和-127m水平安装了10套地压监测仪器,通过近两年的系统监测,结合前期观测资料,基本上掌握了17#矿柱在回采过程中应力应变变化情况和顶板稳定情况,为合理选择永久点柱的结构参数提供了科学的依据。3.1顶板沉降受拉压自1981年开始,进行了深部基点位移观测、钻孔水位变化观测以及+50m平峒底板下沉观测。观测结果表明,1#,2#,3#,6#孔的深部基点位置10多年来均未变化,说明这4个钻孔控制范围内的顶板没有产生任何移动迹象,但控制范围以外的顶板特别是上盘顶板有无变化不能断定。1#和2#钻孔水位受季节变化略有起伏,整体上水位无大的变化,说明1#和2#钻孔控制范围中的顶板没有产生明显的隙裂。+50m水平巷道底板下沉仪观测结果表明,每次测得的各测点的下沉量均为0,可见,在距离空区顶板约7～8m的+50m平峒底板10多年来未出现沉降。亦说明空区顶板没有产生下沉破坏现象。3.2空区顶板与上盘顶板间的冒落现象图4和图5分别为空区顶板厚度和矿石垫层厚度变化监测结果。分析图4说明钻孔控制的范围内,大、小空区顶板近年来几乎没有冒落现象,但上盘顶板是否冒落成拱有待进一步摸清。图5说明,随着开采深度的不断下降以及不均匀放矿而造成矿石垫层厚度在不断地变化。但近年来大空区矿石垫层厚度基本保持在40m以上,小空区矿石垫层厚度约20m左右,基本上能满足下部采矿所需的安全垫层厚度要求。3.3片帮胶结充填体应力分析点柱随着17#矿柱上、下盘矿石的回采,其受力状态由双向受力状态演变成单向受压状态,开挖释放的应力,不断向点柱和两边岩体转移,因而点柱的应力增大。图6为应变计观测结果。由于回采爆破震动造成点柱片帮破坏,加之安装方法不太妥当,片帮测试仪没有起到应有作用,仅作为宏观监测点柱变形破坏的手段。1997年11月底矿柱回采爆破过程中,由于爆破震动影响而造成点柱部分矿体向小空区垮落和片帮破坏,据观测片帮呈上大下小的楔形体沿一不连续面滑下,估计片帮量约4000t,严重影响了点柱的整体强度。分析图6认为:(1)图6中各测点应力增量的累计量是逐渐增大的,这说明随着点柱两侧矿段的回采,回采释放的压力不断向点柱转移;(2)目前点柱应力变化已呈平缓趋势,说明点柱目前已趋于稳定状态;(3)应力变化速率在17#矿柱回采初期较大,随后趋于零,且其大小主要与爆破药量等因素有关;(4)由于测点埋设位置不同,测点处的应力变化绝对值不同。例如1022#测点位于巷道交叉口处,属于应力集中区。4空区宏观变形破坏特征对各种观测结果