水工环地质工程师；甘肃有色工程勘察设计研究院 甘肃兰州 730000
摘要：金川矿山工程地质条件复杂、地应力大、开采时间长，今后矿山深部开采及贫矿开采中将面临诸多矿山稳定性问题。本文通过分析金川矿山出现的矿山稳定性问题，提出建立金川矿区全方位稳定性监测系统的构想。
关键词：金川矿山；稳定性分析；监测系统；岩移；充填体；
Development Concept of All-round Three-dimensional Stability Monitoring System in Jinchuan Mining Area
Summary：The engineering Geological conditions of Jinchuan mine are complex， the stress of the ground is large, and the mining time is long. In the future, the mining of deep mines and poor mines will face many problems of mine stability. This paper analyzes the problems of mine stability in Jinchuan mine and puts forward the idea of establishing a comprehensive stability monitoring system in Jinchuan mine area.
Key words：Jinchuan Mine; Stability analysis; Monitoring system; Rock shift; Filling body;
1 引言
金川矿区矿体埋藏深、工程地质条件复杂、矿岩破碎、地应力大、地压活动频繁而剧烈，属世界公认难以回采的地下矿山。经过几十年的开发建设和生产，其主要回采富矿体已进入深部。随着矿床开采深度的增加以及开采面积的扩大，复杂的岩石组合，软弱的结构面（断层面、层间挤压面和节理裂隙等）频繁切割，形成破裂——软弱岩体，矿山地压越来越大，矿山地下开挖巷道围岩变形大，变形速率快，由此所引起的稳定性问题将越来越严重。而国内外众多矿山开采的历史经验告诉我们，在深部开采过程中，突发大面积无征兆灾变失稳事故的风险会显著增大。已经有很多矿山发生了重大灾变事故，有些事故甚至摧毁整个矿山，使得矿山工程系统完全瘫痪，不得不关闭停产，因此金川矿山需未雨绸缪，在研究和认识的基础上针对矿山稳定性问题进行分析并建立灾害预警机制。
2 金川矿山面临的稳定性问题
2.1 龙首矿西部贫矿开采稳定性问题
龙首矿西部贫矿开采工程面临过去的露天采区和今后的地下采区的相关稳定性问题。依据这类采区的空间对应关系, 前期露天开采和后期地下开采的两种采动影响域中的一部分相互重叠, 致使其采动效应相互叠加, 从而组成一个复合动态系统。在露天矿采动之后的影响域内,继续地下开采（包括保安矿柱）将产生五方面的效应: 其一是露天边坡岩体本身的应力变化量增大，从而改变地下采动影响域内岩体的应力分布状态；其二是地下采区上覆平衡体的滑移力增大, 并作用在边坡体上, 加大了边坡岩体的变形与破坏程度；其三是地下采区中上山方向岩体的抗载荷能力下降, 从而形成“两增一减”的效应, 这将加速边坡体的破坏过程, 并严重影响地下工程的稳定性；其四是地下开采中的扰动(如凿岩爆破、矿石运输等)势必影响露天边坡的稳定；其五是保安矿柱开采导致加剧露天边坡的和地下巷道的变形破坏，有可能导致巨大的拉裂凹陷破坏。可见，龙首矿露天转地下对今后露天边坡及龙首矿整体稳定性有巨大影响，必须认真研究。
2.2 金川二矿区贫矿体开采稳定性问题
金川二矿区在一期开采时，因采取“采富保贫”方针，对位于1332水平以上和1332～1250水平的上盘厚度大于20m的贫矿进行了保留。由于1250m水平以上的贫矿体赋存于充填体的上方，受到了富矿开采的扰动，因此，在贫矿体开采时会对周边井巷工程建构筑物安全性以及上覆岩层的稳定构成影响。
前期富矿开采破坏了原岩应力状态，使得贫矿体矿体自身的力场环境复杂化。富矿开采曾经使得贫矿体受到应力集中的作用，使得贫矿体产生了破坏作用，富矿开采使得上覆贫矿产生岩移。这两方面的影响，必然导致贫矿体力学参数的弱化和强度的降低，使采场围岩和矿体稳定性更差，从而使1250m水平以上贫矿开采面临巨大的稳定性问题。
再者贫矿开采扩大了采空区范围，将对采场围岩和上覆岩层产生二次扰动，加剧采空区周边和上覆岩层移动速度，从而加剧对采区采掘巷道、竖井（特别是14行回风井）等主要构筑物的影响。贫矿开采有可能进一步加剧上覆岩层的移动、扩大岩移范围，使得矿区范围内的大范围地压活动加剧。
2.3 金川矿区大体积充填体稳定性问题
经过数十年的开采，金川矿区已经形成巨大的地下充填体。充填体实际上是一种大体积“人工岩体”，是一种大尺度的人工构筑的地下受力结构，它一方面承担采空区上下盘和顶板传递来的地应力作用，同时还要担负其自重力的作用。而且由于分层开采和充填，各层充填体之间的不接顶现象导致的充填残余空间量也不容忽视，充填不接顶形成的充填残余空间约占整个采空区间的3%左右，即整个开挖空间至少有5%是最终没有充填的空置区，空置区体积约为43×104m3，因此在矿区形成了巨大的“空壳体”。
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大量充填体、“空壳体”的存在，加之金川矿区采深较大，岩体构造破碎，大量的空区围岩受采动影响会逐渐变形、破坏甚至发生冒落或坍塌，空区岩体的移动和变形破坏为远离空区的岩体发生移动变形提供了空间，这种空区效应的叠加和相互影响便会引起地下岩体发生连锁式移动、变形和破坏，甚至导致整个矿山灾难性的事故。可见，巨大的充填体及形成的“空壳体”势必导致大范围的岩体移动、变形和破坏问题，使得金川矿山今后开采面临着巨大的稳定性问题。
2.4 金川矿区整体稳定性问题
目前金川矿区龙首矿、二矿区已进入深部开采阶段，开采面积不断增大，上覆充填体、采场、巷道稳定问题越来越突出，出现了一系列新问题。如近十年来在矿区地表发现大量的地面变形裂缝，表明采空区整体变形已大量存在，并已波及到地面。二矿区采用下向胶结充填采矿法以来，二矿区上覆悬顶充填体体积已达1000万m3，面积超过10万m2。在这种条件下，金川矿区能否安全平稳地实现大面积无矿柱连续下向开采？采矿活动会不会引起大范围的采动影响？会不会导致上覆岩层和充填体的整体移动和下沉？这使得金川矿山开采必须认真研究矿区整体稳定性问题。
3 目前金川矿区稳定性分析现状
金川矿区前期稳定性分析中主要借助于理论分析、岩石(体)试验研究和数值模拟来进行分析，而这些方法不论是从结构模拟或是功能模拟均没有充分刻画出金川矿山稳定性分析的复杂性特征和规律，不能将大量模糊性、随机性和时变性的地质、环境与采矿工程信息纳入一个统一的框架进行综合考虑，且不能有效表征数据、信息和知识在开采过程中的积累和涌现等动态特征，因此现实适用性较差。可见以目前的科技水平，通过以传统应力分析为基础的以力学指标为向导的矿山稳定性分析在现阶段是很难取得定量性成果，很难在实际矿山生产设计中发挥其作用。
而近几年金川矿区相继建立了地面GPS变形监测系统和井下光纤监测系统，这些监测系统突破了力学指标的局限，从一个新的角度诠释的矿山稳定性分析的新途径，使得成果可用以实际生产中。但目前这些监测系统只是建立了围绕二矿区、龙首矿、Ⅲ矿区地表裂缝及14行风井的监测系统。尚无针对三个矿区回采过程中地下的地压监控系统和金川整个矿区灾害预防的预警系统。
4 金川矿区全方位立体稳定性监测系统开发构想
理论分析、岩石(体)试验研究和数值模拟来分析金川矿山稳定性分析很难指导生产，而金川目前的监测系统又只是建立在不同位置、不同方向和不同应力环境下的“局部”监测。因此，有必要在金川矿区建立起一套有效的全方位立体监测系统，从根本上解决金川矿区工程稳定性监测与灾变预测及预防问题。
构想在金川矿区地表进行全面的GPS布点（主要应用地表沉陷和地表岩移监测，用于把握矿山的整体稳定性倾向，从宏观上找出金川矿山稳定性敏感因素）、井下建立一套立体化微震监测预警系统（对岩爆、矿震、围岩空间破裂、大型灾难进行监测预警，在一个局部找出稳定性敏感隐私）、对控制性竖井工程和重要采掘中段进行光纤监测（监测温度、压力、应变），同时应用地质雷达、地震波法、声幅法等物探技术对地表浅层围岩破裂、岩移以及井下已破坏巷道进行局部监测，同时与GPS监测、光纤监测、微震监测构成一个从宏观到局部的协调系统，依据系统工程的匹配性原理及监测数据渐变规律，对金川矿山整体及局部工程进行稳定性分析。
所建立的立体监测网要覆盖金川矿区龙首矿、二矿和三矿的地表和井下，这样可以实现全方位、立体式的全过程监测，并借助目前金川矿山数字化建设成果，使得每项监测成果以数据形式、动态变化形式和图像可视化形式在数字矿山的矿体模型、工程模型上直观、精确显现出来，便于查询分析。在监测数据积累基础上通过宏观（宏观稳定性敏感因素）→局部（局部稳定性敏感因素）→再宏观（宏观与局部是否匹配）→再局部的分析步骤，从而有效地把握整个矿山和局部工程的稳定性，并以此为契机尽可能的做到灾变预警，以指导整个矿山的科学开采。
这样的监测系统即可以对金川矿区全范围内的采矿活动情况及时掌握和分析处理，又可以预测和定位矿山开采的稳定性灾害。所建立的预测预警机制为矿山安全生产提供了必备条件，再者通过监测可以揭示的采场围岩空间破裂形态，分析围岩随开采的动态过程发展的应力演变、岩层移动规律与影响范围，为围岩稳定性控制提供依据和指导。
5 结语
金川矿山在今后深部开采及贫矿开采中将面临诸多矿山稳定性问题，相关稳定性问题关系到金川矿山能否长期、安全、高效的生产。稳定性分析中理论分析、岩石(体)试验研究和数值模拟等分析方法，由于目前技术水平的限制，很难在实际矿山生产设计中发挥真正的作用。而GPS、光纤监测、微震监测等技术可以独辟新界，取得较好的效果，基于此本文提出了建立金川矿区全方位立体稳定性监测系统的构想，以保障金川矿山高效稳产。
参考文献:
[1]马凤山.金川矿区岩体采动影响规律变形趋势预测.[R].2009
[2]赵海军、马凤山等充填法开采引起地表移动、变形和破坏的过程分析与机理研究.[J].岩土工程学报. Vol.30 No.5
[3]金川二矿区采场地压与监测技术研究[R].长沙矿山研究院、金川有色金属公司，1998
[4]Brown.E.T,Brady.B.H.G.冯树仁等译.地下采矿岩石力学.北京.煤炭工业出版社.1986
[5] U.Yanaguchi,J.Yanatomi.A consideration on the erect of the stability. Proc.the Internat.Symp.on Mining with Backfill. Lulea. 7-9 June,
[6] U. Yanaguchi,J.Yanatomi. An experiment backfill for the ground stability .Innovationstudy to investigate the effect of in mining backfill technology,Hassani et al, i 989 Balkema, Rotterdam ISBN9061919851
[7]刘同有等.充填采矿技术与应用.北京.冶金工业出版社.2001
[8]金川二矿区下向充填开采地压规律与控制方法的研究[R].长沙矿山研究院、金川有色金属公司、瑞典律吕欧大学.1998
论文作者:陈曦
论文发表刊物:《防护工程》2019年18期
论文发表时间:2020/1/13
标签：矿区论文; 矿山论文; 贫矿论文; 稳定性论文; 稳定论文; 围岩论文; 性问题论文; 《防护工程》2019年18期论文;