地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律及其控制

2024年3月17日發(作者：趙旭陽)

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礦山建筑

地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律及其控制

范 磊

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司，安徽?六安?237400）

隨著我國礦產資源需求量的增大，金屬礦山開采深度不斷增加，支承壓力勘察與設計成為急需關注的問題。基于此，

摘??要：

研究了地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律，進而提出了支承壓力控制方法。通過仿真實驗，分析不同金屬礦山的支

承壓力下的控制措施，得出在采場高度小于350m采用上向式開采，大于350m則采用下向式開采的結論。

金屬礦山；開采過程；支承壓力；分布規律

關鍵詞：

TP391????A??????11-5004（2019）11-0034-2

中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：

地下金屬礦山開采是資源開發的主要形式，地下環境的壓

力成為制約礦山開采規模的重要原因。為經濟合理的解決支承

壓力問題，需要分析總結支承壓力的形成原因、制約因素以及應

對措施。研究支承壓力的分布規律對礦山建設意義重大，有助于

形成系統理論，制定科學、合理、性價比高的預防控制措施，實

現安全、高效、利益最大化的礦山開發。

1?地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律

基于回采工作面超前支承壓力對沖擊地壓、金屬礦山突

出等現象有直接影響。以某礦山為例，通過理論計算及采用

UDEC2D4.0數值模擬，對該工作面超前支承壓力的分布規律進

行研究，同時對現場實測超前支承壓力數據進行統計分析。得出

了超前支承壓力的分布規律。工作面超前支承壓力的影響范圍

約為46m，超前支承壓力峰值約為19Pa，并距工作面10~14??m，

應力集中系數約為1.9

[1]

。通過對比分析出支承壓力顯現的主要

條件是如下幾種，參見圖1所示：

支承壓力

礦體埋深礦巖軟弱破碎

原巖應力大

礦體傾角緩

圖1??支承壓力顯現條件示意圖

（1）礦體埋深指的就是金屬礦山在地下深埋基數過大，在開

采過程中容易因為支承壓力的預判不足或突然變動引發巷道塌

陷等一系列安全性問題。

（2）礦巖軟弱破碎，巖體強度低，穩固性差，此時其支承壓

力處于不穩定狀態，地下甚至地面的外界因素都會影響甚至破

壞支承壓力的穩定性

[2]

。

（3）原巖應力大指的是原巖應力場是天然存在于原巖內與

人為因素無關的應力場。自重應力場和構造應力場是原巖應力

場的主要組成部分。由地心引力引起的應力場成為自重應力場。

收稿日期：

2019-11

作者簡介：

范磊，男，安徽六安人，本科，助理工程師，研究方向：地質工程、

礦山地質。

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由地質構造運動而引起的應力場成為構造應力場

[3]

。原巖應力是

支承壓力的構成主體。

（4）礦體傾角緩造成壓力分布集中，礦體采出后形成壓力支

承真空區域，是需要重點關注的支承壓力形成條件。

區域構造分為蓋層構造和基底構造，地下金屬礦山開采一

定會形成采空區。采空區為誘發重特大事故的重要因素，易引發

透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災害，往往造成大量的人員

傷亡和財產損失。采空區事故隱患治理不及時，部分礦山企業忽

視采空區治理，特別是歷史遺留采空區得不到及時處理。

中小型礦山采空區管理不到位，專業技術力量薄弱，不按設

計施工或無設計施工，礦柱留設不規范，造成采空區重疊、交錯

現象比較普遍，嚴重威脅礦山安全生產

[5]

。采空區安全問題已經

成為影響一些地方經濟發展和社會和諧的重要因素如表1所示。

表1??采空區周圍支承壓力區中巷道破壞率分布

影響范圍（m）應力集中系數巷道破壞率（%）

0-101.95＜K≤4.4894

10-251.45≤K＜1.9586

25-401.21≤K＜1.4653

40-581.18＜K≤1.3719

由此可見，開采時要盡量避免采空區周圍支承壓力區中巷

道破壞率，防止礦體難以回采。

2?地下金屬礦山開采過程中的支承壓力控制

地下金屬礦山開采過程中形成的支承壓力，最大值發生在

工作面中部前方，峰值可達原巖應力的1~2倍，即應力集中系

數K值的變化范圍為1.0~2.0。前方支承壓力的峰值位置可深

入金屬礦體內5m~15m，其影響范圍可達采金屬礦工作面前方

100m~300m

[4]

。在待采的實體地下金屬礦山上將不斷形成的支承

壓力。該支承壓力的數值位于回采工作面內(如圖2所示):

K

1.0

2.0

圖2??回采移動支承壓力示意圖

（下轉36頁）

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利于工作的順利進行。

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夠得到非常真實投影圖像數據，并且具有很高的分辨率，也可以

獲得分辨率非常高的三維現實模型數據。

并且，通過獲取的結果，能夠通過礦上邊界的開采，明確項

目周邊的地形條件，也可以掌握項目區域的整體情況，然后對采

礦權證書礦區的拐點坐標的附件疊加比較，確定跨境開采程度，

合理分析數據，以保證可以為開采范圍的監管提供更加精準的

數據支持，提升礦上工作效率以及水平，最大程度的降低工作問

題出現幾率，一促進測量工作可以更加穩定且高效的進行

[5]

。

3.2

?

強化動態儲量的監測

通過對無人機傾斜測量技術的進一步應用，在實際的礦上

工作進行階段，一方面，可以對三維掃描軟件進行有效的應用，

讓其對軟件中的垂直三維模型進行科學且有效的測量，然后進

行精準的計算，以保證所得數據的精準性以及有效性。同時，在

三維模型上，可以有效的開展傾斜測量工作，保證能夠對礦上開

采過程進行動態化監測，了解其具體開采情況，以保證可以為礦

上管理工作的開展提供更加精準且及時的數據支持，有效促進

礦上工作質量的提升。另一方面，可以依照兩次無人機傾斜攝影

測量，最終獲得礦上DEM數據。

此外，在監控礦上動態儲量階段，無人機傾斜測量所得出的

DEM數據，精準度非常高，并且云密度相對較大，能夠有效的

對礦產開采情況進行真實反映，并且其計算準確度也相對較高，

所以可以在一定程度上對礦上動態儲量監測要求進行滿足，有

4?結束語

在實際的礦上工作進行階段，對無人機傾斜測量技術進行有

效的應用，不僅可以對礦上的各項工作進行動態監控，科學的對

外業勞動強度進行減小和降低，不斷對整體的工作效率以及質量

進行提升，還可以對監測的周期進行減少，提升測量的精準度。

但是，雖然這一技術應用存在著諸多益處，但是由于礦上工作具

有較強的復雜性。所以，無人機傾斜測量技術的應用難免會存在

一些問題。故而。在今后的發展期間，相關人員需要強化對這一

技術的優化和革新，以保證可以促進礦上工作的穩定進行。

參考文獻

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[3]??

[4]??

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（上接34頁）

本次設計采用分期開采，-200m水平以上氧化礦和部分

原生礦作為第四系砂層含水層保護礦柱，暫不開采，一期開

采-200m～-450m階段礦體，二期開采-450m階段以下礦體。為

研究不同回采順序各步驟的應力分布及變化規律，以此分析不

同階段開采順序的巖體應力變化和各階段上盤圍巖和頂板最大

位移如表2所示：

表2??兩種開采順序各階段上盤圍巖和頂板最大位移

階段

下行

頂板

上行

頂板

-200

6.3

6.7

32

21

-250

11.3

19.6

21.7

26.3

-300

23.5

25.9

28.2

27.8

-350

31.1

32.9

30.5

29.8

-400

38.9

37.6

32.1

30.7

-450

48.3

50.1

40.3

43.6

體埋藏淺的礦山可以使用下行開采方案，但地下金屬礦體埋藏

深的礦山要使用上向式開采方案。這樣可以減輕支承壓力，減少

發生危險，增加可控因素。

3?結論

中國地下金屬礦山開采的研究工作雖然起步較晚，但成績

十分顯著。隨著我國對金屬資源的需求量日漸增加，探究地下金

屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律成為研究重點。必須在

開采前明確支承壓力顯現的條件，通過多項數據整合了解開采

過程中支承壓力分布具體規律，達到高效、安全的開采目標。因

此，準確分析地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律及

其控制是解決此問題的唯一途徑。

經驗證，-350m水平以上達到500萬t/a生產能力是可能的，-

350m水平以下很難達到500萬t/a生產能力的要求。設計采用

分期開采，一期開采-450m水平以上礦體，生產規模為500萬t/

a礦石，二期開采-450m水平以下礦體，開采標高暫定為-450m，

二期生產規模按照400萬t/a考慮。

由此可見，具體的開采方案應該按照地下金屬礦體埋藏深

度專門定制。根據礦床開采條件，采礦方法選擇充填法。礦體和

頂板巖石穩定性好，適合采用空場嗣后充填。開采方案以大直徑

深孔階段空場嗣后充填法為主，部分礦體傾角緩、采場高度小于

350m的采場采用扇形中深孔分段空場嗣后充填法。地下金屬礦

參考文獻

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