本發(fā)明涉及一種巖體工程地壓管理方法，尤其是涉及地下礦山深部開采時(shí)地壓管理，可廣泛應(yīng)用于礦山、隧硐、地鐵等巖體地下工程。

背景技術(shù)：

在礦床地下開采中,采場地壓管理是生產(chǎn)工藝之一。其目的是防止開采工作空間的圍巖失控發(fā)生大的移動和威脅人員的工作安全。正確選擇回采期間采場地壓管理方法有非常重要的意義。

礦山井下巖體在未開挖以前承受著上覆巖層的重量以及其他力的作用而處于平衡狀態(tài)，稱為原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。一旦礦巖體被開挖以后或其附近有開挖工程，其原始應(yīng)力平衡狀態(tài)便遭到破壞，礦巖體中的應(yīng)力將重新分布以便達(dá)到新的平衡，在此過程中，次生應(yīng)力場在二次分布過程中會在開挖范圍周圍的一定區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力降低區(qū)域，將使巷道或采場周圍的巖體發(fā)生移動、變形和破壞，影響到采場等地下工程的穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱為地壓顯現(xiàn)。這種地壓顯現(xiàn)是礦床地下開采中面臨的一個(gè)重大安全問題。因此，揭示地壓活動規(guī)律、管控地壓顯現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

地壓的存在，使采礦工作變得困難，為了保證安全生產(chǎn)和回采工作的順利進(jìn)行，必須采取減少或避免地壓危害的措施，或積極利用地壓進(jìn)行開采，這種工作就是地壓管理。

《金屬礦山》2007年第2期發(fā)表的“基于flac3d程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析”一文中，通過flac3d程序?qū)δ辰鸬V的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，提出數(shù)值模擬程序可在巖體的穩(wěn)定性分析中提供科學(xué)依據(jù)?！稏|北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》2015年第3期第36卷發(fā)表的“露天轉(zhuǎn)地下過渡期巖移危害控制方法”一文中，介紹了通過控制邊坡滑落方向來減小了露天地下同時(shí)生產(chǎn)的相互干擾，提出了一種控制巖移危害的方法；《江西煤炭科技》2016年第2期“爆破卸壓技術(shù)防治沖擊礦壓的應(yīng)用研究”一文中，介紹了深孔卸壓爆破參數(shù)及爆破工藝，并利用電磁輻射法對卸壓爆破效果進(jìn)行了監(jiān)測，提出了一種利用爆破卸壓技術(shù)防治沖擊礦壓的方法；《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2015年第11期第34卷發(fā)表的“深部巖體力學(xué)研究與探索”一文中，介紹了國內(nèi)外深部煤礦、深部金屬礦、極深地下工程的深部巖體力學(xué)工程發(fā)展?fàn)顩r，提出并分析了深部巖體力學(xué)需要解決的一些關(guān)鍵問題。

以上文獻(xiàn)及現(xiàn)有其它成果雖然提出了一些分析地壓規(guī)律、控制地壓和卸壓開采的一些方法，但這些地壓管理模式明顯缺乏系統(tǒng)性和動態(tài)性，未充分體現(xiàn)巖體工程中巖體固有的特殊性和開挖過程中應(yīng)力場動態(tài)變化的復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，而提供一種能夠提高回采效能、保障回采安全、降低開采成本的適于地下礦山深部開采的地壓管理方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明一種適于地下礦山深部開采的地壓管理方法，針對礦山開采等巖體工程特點(diǎn)，充分結(jié)合采礦工藝，提高回采效能、保障回采安全、降低開采成本，通過分析地壓(s)、轉(zhuǎn)移地壓(t)、利用地壓(u)、控制地壓(c)的循環(huán)模式實(shí)現(xiàn)地壓管理。具體采用以下步驟循環(huán)實(shí)施直至整個(gè)礦區(qū)的回采結(jié)束：

1)研究揭示地壓顯現(xiàn)規(guī)律(study)

通過調(diào)研地質(zhì)資料、測試原巖應(yīng)力、測試礦巖力學(xué)參數(shù)、折減力學(xué)參數(shù)、構(gòu)建力學(xué)模型，在結(jié)合地下礦山開采規(guī)劃、采礦方法和開采工藝的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬、相似模擬、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測、工程類比的方法，分析井下礦巖體每一步開挖形成采空區(qū)過程中的地壓顯現(xiàn)——巷道垮塌、頂板冒落、巖層移動、地表塌陷，得到井下礦巖體內(nèi)的應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)、巖體移動角，為地壓管理提供理論依據(jù)。

2)引導(dǎo)采區(qū)地壓轉(zhuǎn)移(transter)

根據(jù)第1)步揭示的地壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合開采工藝、開采順序，在井下礦巖體內(nèi)采用水平切割巷、垂直切割槽、鉆孔預(yù)裂等的方式引導(dǎo)采區(qū)(采場、巷道或硐室等)內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)移，重新分布形成新的應(yīng)力升高區(qū)、新的應(yīng)力降低區(qū)，同時(shí)在新的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)布置回采巷道，從而改善采區(qū)內(nèi)礦巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)，降低井巷、硐室工程等周邊應(yīng)力，為礦體高效開采再造環(huán)境。

①當(dāng)?shù)V區(qū)以垂直應(yīng)力為主時(shí)，通過垂直切割，將采區(qū)(采場、巷道或硐室等)上部覆巖層應(yīng)力部分或全部轉(zhuǎn)移到四周，采區(qū)段內(nèi)壓力拱下的開采工程只承受上覆礦巖之重量，此時(shí)垂直應(yīng)力值顯著降低而變得易于開采。

②當(dāng)?shù)V區(qū)以水平應(yīng)力為主時(shí)，通過水平切割，將作用于開采區(qū)(采場、巷道或硐室等)內(nèi)礦體的水平應(yīng)力隔斷，形成水平應(yīng)力降低區(qū)，此時(shí)采區(qū)內(nèi)水平應(yīng)力值顯著降低而變得易于開挖。

3)利用采區(qū)高應(yīng)力崩落(use)

前面第2)步通過應(yīng)力轉(zhuǎn)移可實(shí)現(xiàn)巖體區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的重分布，形成新的應(yīng)力降低區(qū)和新的應(yīng)力升高區(qū)，在第2)的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合不同開采工藝，利用應(yīng)力升高區(qū)應(yīng)力集中特點(diǎn)或深井自身存在的高應(yīng)力特性，通過在采空區(qū)頂板上形成新的應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)布置中深孔，采用誘導(dǎo)冒落方式誘導(dǎo)采空區(qū)頂板巖體冒落，消除采空區(qū)頂板上應(yīng)力集中的沖擊災(zāi)害隱患，同時(shí)形成回采所需的覆蓋層。

在3)步驟，將井下高應(yīng)力災(zāi)害轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐貕耗苓M(jìn)行破巖，實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力災(zāi)害的轉(zhuǎn)換利用，顯著提高回采效率，降低開采成本。

4)控制作業(yè)區(qū)地壓顯現(xiàn)(control)

在第1)、2)、3)步的基礎(chǔ)上，對仍因地壓顯現(xiàn)影響巷道、硐室、采區(qū)安全的區(qū)段，采用錨桿、錨索或注漿對回采巷道進(jìn)行支護(hù)的內(nèi)部加固方式，以及外部支護(hù)、聯(lián)合加固支護(hù)、廢石充填或尾礦膠結(jié)充填的方式，以進(jìn)一步控制地壓顯現(xiàn)，以進(jìn)一步控制地壓顯現(xiàn)，保障了回采安全。

所述的外部支護(hù)采用木垛、鋼架、液壓支架、人工假柱、噴射混凝土中的一種或兩種及以上的組合，所述的聯(lián)合加固支護(hù)采用錨網(wǎng)、網(wǎng)噴的組合加固方式。

本發(fā)明方法每一步回采都按stuc方式進(jìn)行地壓的動態(tài)循環(huán)管理，直至整個(gè)礦區(qū)的回采結(jié)束。本發(fā)明針對巖體工程的特性，以調(diào)整巖體應(yīng)力狀態(tài)、綜合利用地壓為核心思想，將地壓的被動控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃庸芾?，?shí)現(xiàn)了“研究地壓規(guī)律(study)—引導(dǎo)地壓轉(zhuǎn)移(transter)—利用地壓崩落(use)—控制地壓顯現(xiàn)(control)”的地壓動態(tài)循環(huán)管理與控制，極大提高了效能，有效保障了安全。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種適于地下礦山深部開采的地壓管理方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①針對巖體工程中巖體固有的特點(diǎn)，通過“研究地壓規(guī)律(study)—引導(dǎo)地壓轉(zhuǎn)移(transter)—利用地壓崩落(use)—控制地壓顯現(xiàn)(control)”的循環(huán)管理模式，實(shí)現(xiàn)了地壓管理的系統(tǒng)性和動態(tài)性。

②地壓管理stuc循環(huán)是綜合性循環(huán)，四個(gè)階段是相對的、是相互關(guān)聯(lián)和融合的，該模式更符合巖體工程多次開挖、反復(fù)擾動的特性。

③stuc循環(huán)突破了常規(guī)以地壓控制為主的地壓管理思路，以調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)、綜合利用地壓為核心思想，實(shí)現(xiàn)了地壓管理模式的重大理論突破。

④將地壓管理與礦區(qū)構(gòu)造、工程地質(zhì)、采礦方法、采礦工藝等進(jìn)行了動態(tài)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)開采更安全、更經(jīng)濟(jì)、更高效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種適于地下礦山深部開采的地壓管理方法的stuc循環(huán)實(shí)施流程圖；

圖2是本發(fā)明對深部崩落法開采時(shí)揭示的地壓顯現(xiàn)規(guī)律圖；

圖3是本發(fā)明對采區(qū)段高應(yīng)力引導(dǎo)轉(zhuǎn)移的方案圖；

圖4是本發(fā)明對采區(qū)段高應(yīng)力綜合利用方案圖；

圖5是本發(fā)明采用支護(hù)方式控制地壓顯現(xiàn)的方案圖。

1－應(yīng)力升高區(qū)；1`－新的應(yīng)力升高區(qū)；2－應(yīng)力降低區(qū)；2`－新的應(yīng)力降低區(qū)；3－井下礦巖體；4－拉應(yīng)力區(qū)；5－巖體移動角；6－采空區(qū)；7－水平切割巷；8－垂直切割槽；9－回采巷道；10－中深孔；11－覆蓋層；12－錨桿。

具體實(shí)施方式

為描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明一種適于地下礦山深部開采的地壓管理方法采用做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種適于地下礦山深部開采的地壓管理方法實(shí)施例在云南玉溪大紅山礦業(yè)深部崩落法開采中成功應(yīng)用。該礦屬海底火山噴發(fā)沉積變質(zhì)中厚緩傾斜高溫礦床。有七層礦體,三層銅四層鐵。

存在的問題：多次爆破后長時(shí)間的空區(qū)頂板暴露,致使地壓顯現(xiàn)活動加劇。大紅山采空區(qū)頂板暴露面積一般在2000m²左右,由于盤區(qū)生產(chǎn)周期長,空區(qū)不能及時(shí)進(jìn)行充填,從采供開始空區(qū)一般都長達(dá)8個(gè)月左右,而且空區(qū)頂板還受到采礦期間多次大爆破的疊加沖擊破壞,以及地質(zhì)構(gòu)造影響,造成空區(qū)頂板大面積垮落,形成大塊,造成貧化,隨著地壓顯現(xiàn)活動的加劇,應(yīng)力重新分布并在礦柱產(chǎn)生應(yīng)力集中,還發(fā)生了礦柱的垮落現(xiàn)象。據(jù)觀測,頂板垮落最高達(dá)到了28m,一般情下也達(dá)到3m～5m。如果礦柱也再垮落,將帶來很大的安全隱患，必須進(jìn)行地壓管理與控制。

由圖1所示的本發(fā)明一種適于地下礦山深部開采的地壓管理方法的stuc循環(huán)實(shí)施流程圖看出，本發(fā)明方法包括四個(gè)步驟的stuc循環(huán)，即：1)研究地壓規(guī)律(study)，2)引導(dǎo)地壓轉(zhuǎn)移(transter)，3)利用地壓崩落(use)，4)控制地壓顯現(xiàn)(control)。

由圖2所示的本發(fā)明對深部崩落法開采時(shí)揭示的地壓顯現(xiàn)規(guī)律圖看出，本發(fā)明方法的第1)步驟為：

1)研究揭示地壓顯現(xiàn)規(guī)律(study)

井下礦巖體3每一步開挖形成采空區(qū)6過程中，都會形成相應(yīng)的應(yīng)力升高區(qū)1、應(yīng)力降低區(qū)2、拉應(yīng)力區(qū)4、巖體移動角5。

在此規(guī)律基礎(chǔ)上，首先采用水平切割、垂直切割或預(yù)裂爆破等方式對高應(yīng)力分布進(jìn)行轉(zhuǎn)移，然后在應(yīng)力升高區(qū)利用高應(yīng)力進(jìn)行誘導(dǎo)崩落，在應(yīng)力降低區(qū)或應(yīng)力恒定區(qū)(盡量避免在應(yīng)力升高區(qū))布置工程，最后對局部區(qū)段采用支護(hù)方式控制垮冒、片幫等地壓顯現(xiàn)。

由圖3所示的本發(fā)明對采區(qū)段高應(yīng)力引導(dǎo)轉(zhuǎn)移的方案圖看出，本發(fā)明方法的第2)步驟為：

2)引導(dǎo)采區(qū)地壓轉(zhuǎn)移(transter)

根據(jù)第1)步揭示的地壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合開采工藝，在井下礦巖體3內(nèi)采用水平切割巷7、垂直切割槽8的方式引導(dǎo)采區(qū)內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)移，重新分布形成新的應(yīng)力升高區(qū)1`、新的應(yīng)力降低區(qū)2`，消除或降低高應(yīng)力對開采區(qū)段的影響，同時(shí)在新的應(yīng)力降低區(qū)2`內(nèi)布置回采巷道9。

由圖4所示的本發(fā)明對采區(qū)段高應(yīng)力綜合利用方案圖看出，本發(fā)明方法的第3)步驟為：

3)利用采區(qū)高應(yīng)力崩落(use)

在第2)的基礎(chǔ)上，通過在采空區(qū)6頂板上形成新的應(yīng)力升高區(qū)1、內(nèi)布置中深孔10，采用誘導(dǎo)冒落方式誘導(dǎo)采空區(qū)6頂板巖體冒落，既消除采空區(qū)6頂板上應(yīng)力集中的沖擊災(zāi)害隱患，同時(shí)又安全、經(jīng)濟(jì)地形成了回采所需的覆蓋層11，可謂一舉多得。

由圖5所示的本發(fā)明采用支護(hù)方式控制地壓顯現(xiàn)的方案圖看出，本發(fā)明方法的第4)步驟為：

4)控制作業(yè)區(qū)地壓顯現(xiàn)(control)

在第1)、2)、3)步的基礎(chǔ)上，對仍因地壓顯現(xiàn)影響巷道、硐室、采區(qū)安全的區(qū)段，采用錨桿12、錨索或注漿對回采巷道9進(jìn)行支護(hù)的內(nèi)部加固方式，以及外部支護(hù)、聯(lián)合加固支護(hù)、廢石充填或尾礦膠結(jié)充填的方式，以進(jìn)一步控制巷道垮塌、頂板冒落、巖層移動、地表塌陷等地壓顯現(xiàn)，保障了回采安全。

所述的外部支護(hù)采用木垛、鋼架、液壓支架、人工假柱、噴射混凝土中的一種或兩種及以上的組合，所述的聯(lián)合加固支護(hù)采用錨網(wǎng)、網(wǎng)噴的組合加固方式。

本發(fā)明通過“研究地壓規(guī)律(study)—引導(dǎo)地壓轉(zhuǎn)移(transter)—利用地壓崩落(use)—控制地壓顯現(xiàn)(control)”的循環(huán)管理與控制模式，將地壓的被動控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃庸芾?，提高了回采效能，保障了開采安全。采用本發(fā)明的方法，在云南玉溪大紅山礦業(yè)深部崩落法開采中實(shí)現(xiàn)了大參數(shù)(分段高度×進(jìn)路間距為20m×20m，為國內(nèi)最大)、高中段(高度120m)、高強(qiáng)度(450萬t/a)的安全高效開采。