一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法与流程

本发明涉及一种岩体工程地压管理方法，尤其是涉及地下矿山深部开采时地压管理，可广泛应用于矿山、隧硐、地铁等岩体地下工程。

背景技术：

在矿床地下开采中,采场地压管理是生产工艺之一。其目的是防止开采工作空间的围岩失控发生大的移动和威胁人员的工作安全。正确选择回采期间采场地压管理方法有非常重要的意义。

矿山井下岩体在未开挖以前承受着上覆岩层的重量以及其他力的作用而处于平衡状态，称为原始应力平衡状态。一旦矿岩体被开挖以后或其附近有开挖工程，其原始应力平衡状态便遭到破坏，矿岩体中的应力将重新分布以便达到新的平衡，在此过程中，次生应力场在二次分布过程中会在开挖范围周围的一定区域内形成应力集中区域和应力降低区域，将使巷道或采场周围的岩体发生移动、变形和破坏，影响到采场等地下工程的稳定性，这种现象称为地压显现。这种地压显现是矿床地下开采中面临的一个重大安全问题。因此，揭示地压活动规律、管控地压显现是实现矿山安全生产的基础。

地压的存在，使采矿工作变得困难，为了保证安全生产和回采工作的顺利进行，必须采取减少或避免地压危害的措施，或积极利用地压进行开采，这种工作就是地压管理。

《金属矿山》2007年第2期发表的“基于flac3d程序的采空区稳定性分析”一文中，通过flac3d程序对某金矿的采空区稳定性进行了数值分析，得出了应力应变的分布规律，提出数值模拟程序可在岩体的稳定性分析中提供科学依据。《东北大学学报(自然科学版)》2015年第3期第36卷发表的“露天转地下过渡期岩移危害控制方法”一文中，介绍了通过控制边坡滑落方向来减小了露天地下同时生产的相互干扰，提出了一种控制岩移危害的方法；《江西煤炭科技》2016年第2期“爆破卸压技术防治冲击矿压的应用研究”一文中，介绍了深孔卸压爆破参数及爆破工艺，并利用电磁辐射法对卸压爆破效果进行了监测，提出了一种利用爆破卸压技术防治冲击矿压的方法；《岩石力学与工程学报》2015年第11期第34卷发表的“深部岩体力学研究与探索”一文中，介绍了国内外深部煤矿、深部金属矿、极深地下工程的深部岩体力学工程发展状况，提出并分析了深部岩体力学需要解决的一些关键问题。

以上文献及现有其它成果虽然提出了一些分析地压规律、控制地压和卸压开采的一些方法，但这些地压管理模式明显缺乏系统性和动态性，未充分体现岩体工程中岩体固有的特殊性和开挖过程中应力场动态变化的复杂性。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述问题，而提供一种能够提高回采效能、保障回采安全、降低开采成本的适于地下矿山深部开采的地压管理方法。

为实现本发明的上述目的，本发明一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法，针对矿山开采等岩体工程特点，充分结合采矿工艺，提高回采效能、保障回采安全、降低开采成本，通过分析地压(s)、转移地压(t)、利用地压(u)、控制地压(c)的循环模式实现地压管理。具体采用以下步骤循环实施直至整个矿区的回采结束：

1)研究揭示地压显现规律(study)

通过调研地质资料、测试原岩应力、测试矿岩力学参数、折减力学参数、构建力学模型，在结合地下矿山开采规划、采矿方法和开采工艺的基础上，采用数值模拟、相似模拟、理论分析、现场监测、工程类比的方法，分析井下矿岩体每一步开挖形成采空区过程中的地压显现——巷道垮塌、顶板冒落、岩层移动、地表塌陷，得到井下矿岩体内的应力升高区、应力降低区、拉应力区、岩体移动角，为地压管理提供理论依据。

2)引导采区地压转移(transter)

根据第1)步揭示的地压显现规律，结合开采工艺、开采顺序，在井下矿岩体内采用水平切割巷、垂直切割槽、钻孔预裂等的方式引导采区(采场、巷道或硐室等)内的应力进行转移，重新分布形成新的应力升高区、新的应力降低区，同时在新的应力降低区内布置回采巷道，从而改善采区内矿岩体的应力分布状态，降低井巷、硐室工程等周边应力，为矿体高效开采再造环境。

①当矿区以垂直应力为主时，通过垂直切割，将采区(采场、巷道或硐室等)上部覆岩层应力部分或全部转移到四周，采区段内压力拱下的开采工程只承受上覆矿岩之重量，此时垂直应力值显著降低而变得易于开采。

②当矿区以水平应力为主时，通过水平切割，将作用于开采区(采场、巷道或硐室等)内矿体的水平应力隔断，形成水平应力降低区，此时采区内水平应力值显著降低而变得易于开挖。

3)利用采区高应力崩落(use)

前面第2)步通过应力转移可实现岩体区域应力状态的重分布，形成新的应力降低区和新的应力升高区，在第2)的基础上，充分结合不同开采工艺，利用应力升高区应力集中特点或深井自身存在的高应力特性，通过在采空区顶板上形成新的应力升高区内布置中深孔，采用诱导冒落方式诱导采空区顶板岩体冒落，消除采空区顶板上应力集中的冲击灾害隐患，同时形成回采所需的覆盖层。

在3)步骤，将井下高应力灾害转变为可控地压能进行破岩，实现高应力灾害的转换利用，显著提高回采效率，降低开采成本。

4)控制作业区地压显现(control)

在第1)、2)、3)步的基础上，对仍因地压显现影响巷道、硐室、采区安全的区段，采用锚杆、锚索或注浆对回采巷道进行支护的内部加固方式，以及外部支护、联合加固支护、废石充填或尾矿胶结充填的方式，以进一步控制地压显现，以进一步控制地压显现，保障了回采安全。

所述的外部支护采用木垛、钢架、液压支架、人工假柱、喷射混凝土中的一种或两种及以上的组合，所述的联合加固支护采用锚网、网喷的组合加固方式。

本发明方法每一步回采都按stuc方式进行地压的动态循环管理，直至整个矿区的回采结束。本发明针对岩体工程的特性，以调整岩体应力状态、综合利用地压为核心思想，将地压的被动控制转变为主动管理，实现了“研究地压规律(study)—引导地压转移(transter)—利用地压崩落(use)—控制地压显现(control)”的地压动态循环管理与控制，极大提高了效能，有效保障了安全。

与现有技术相比，本发明一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法具有如下优点：

①针对岩体工程中岩体固有的特点，通过“研究地压规律(study)—引导地压转移(transter)—利用地压崩落(use)—控制地压显现(control)”的循环管理模式，实现了地压管理的系统性和动态性。

②地压管理stuc循环是综合性循环，四个阶段是相对的、是相互关联和融合的，该模式更符合岩体工程多次开挖、反复扰动的特性。

③stuc循环突破了常规以地压控制为主的地压管理思路，以调整应力状态、综合利用地压为核心思想，实现了地压管理模式的重大理论突破。

④将地压管理与矿区构造、工程地质、采矿方法、采矿工艺等进行了动态结合，实现开采更安全、更经济、更高效。

附图说明

图1为本发明一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法的stuc循环实施流程图；

图2是本发明对深部崩落法开采时揭示的地压显现规律图；

图3是本发明对采区段高应力引导转移的方案图；

图4是本发明对采区段高应力综合利用方案图；

图5是本发明采用支护方式控制地压显现的方案图。

1－应力升高区；1`－新的应力升高区；2－应力降低区；2`－新的应力降低区；3－井下矿岩体；4－拉应力区；5－岩体移动角；6－采空区；7－水平切割巷；8－垂直切割槽；9－回采巷道；10－中深孔；11－覆盖层；12－锚杆。

具体实施方式

为描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法采用做进一步详细说明。

本发明一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法实施例在云南玉溪大红山矿业深部崩落法开采中成功应用。该矿属海底火山喷发沉积变质中厚缓倾斜高温矿床。有七层矿体,三层铜四层铁。

存在的问题：多次爆破后长时间的空区顶板暴露,致使地压显现活动加剧。大红山采空区顶板暴露面积一般在2000m²左右,由于盘区生产周期长,空区不能及时进行充填,从采供开始空区一般都长达8个月左右,而且空区顶板还受到采矿期间多次大爆破的叠加冲击破坏,以及地质构造影响,造成空区顶板大面积垮落,形成大块,造成贫化,随着地压显现活动的加剧,应力重新分布并在矿柱产生应力集中,还发生了矿柱的垮落现象。据观测,顶板垮落最高达到了28m,一般情下也达到3m～5m。如果矿柱也再垮落,将带来很大的安全隐患，必须进行地压管理与控制。

由图1所示的本发明一种适于地下矿山深部开采的地压管理方法的stuc循环实施流程图看出，本发明方法包括四个步骤的stuc循环，即：1)研究地压规律(study)，2)引导地压转移(transter)，3)利用地压崩落(use)，4)控制地压显现(control)。

由图2所示的本发明对深部崩落法开采时揭示的地压显现规律图看出，本发明方法的第1)步骤为：

1)研究揭示地压显现规律(study)

井下矿岩体3每一步开挖形成采空区6过程中，都会形成相应的应力升高区1、应力降低区2、拉应力区4、岩体移动角5。

在此规律基础上，首先采用水平切割、垂直切割或预裂爆破等方式对高应力分布进行转移，然后在应力升高区利用高应力进行诱导崩落，在应力降低区或应力恒定区(尽量避免在应力升高区)布置工程，最后对局部区段采用支护方式控制垮冒、片帮等地压显现。

由图3所示的本发明对采区段高应力引导转移的方案图看出，本发明方法的第2)步骤为：

2)引导采区地压转移(transter)

根据第1)步揭示的地压显现规律，结合开采工艺，在井下矿岩体3内采用水平切割巷7、垂直切割槽8的方式引导采区内的应力进行转移，重新分布形成新的应力升高区1`、新的应力降低区2`，消除或降低高应力对开采区段的影响，同时在新的应力降低区2`内布置回采巷道9。

由图4所示的本发明对采区段高应力综合利用方案图看出，本发明方法的第3)步骤为：

3)利用采区高应力崩落(use)

在第2)的基础上，通过在采空区6顶板上形成新的应力升高区1、内布置中深孔10，采用诱导冒落方式诱导采空区6顶板岩体冒落，既消除采空区6顶板上应力集中的冲击灾害隐患，同时又安全、经济地形成了回采所需的覆盖层11，可谓一举多得。

由图5所示的本发明采用支护方式控制地压显现的方案图看出，本发明方法的第4)步骤为：

4)控制作业区地压显现(control)

在第1)、2)、3)步的基础上，对仍因地压显现影响巷道、硐室、采区安全的区段，采用锚杆12、锚索或注浆对回采巷道9进行支护的内部加固方式，以及外部支护、联合加固支护、废石充填或尾矿胶结充填的方式，以进一步控制巷道垮塌、顶板冒落、岩层移动、地表塌陷等地压显现，保障了回采安全。

所述的外部支护采用木垛、钢架、液压支架、人工假柱、喷射混凝土中的一种或两种及以上的组合，所述的联合加固支护采用锚网、网喷的组合加固方式。

本发明通过“研究地压规律(study)—引导地压转移(transter)—利用地压崩落(use)—控制地压显现(control)”的循环管理与控制模式，将地压的被动控制转变为主动管理，提高了回采效能，保障了开采安全。采用本发明的方法，在云南玉溪大红山矿业深部崩落法开采中实现了大参数(分段高度×进路间距为20m×20m，为国内最大)、高中段(高度120m)、高强度(450万t/a)的安全高效开采。