金属矿山充填开采富水巷道围岩稳定性控制研究

金属矿山充填开采富水巷道围岩稳定性控制研究

梁瑞飞 明岩 梁风勇

内蒙古黄岗矿业有限责任公司 内幕古自治区赤峰市025350

摘要：本文针对金属矿山充填开采过程中富水巷道围岩稳定性控制问题进行研究。首先，分析了富水巷道围岩稳定性的影响因素，包括岩性、水压、巷道尺寸和充填材料等。然后，介绍了围岩稳定性控制的方法，包括支护措施、防水措施和充填措施等。接着，对各种方法的优缺点进行了对比分析，并提出了适合富水巷道围岩稳定性控制的综合措施。最后，通过现场试验和数值模拟，验证了所提措施的有效性。本研究为金属矿山充填开采富水巷道围岩稳定性控制提供了理论指导和实践参考。

关键词：金属矿山；富水巷道；围岩；稳定性

引言

金属矿山充填开采是一种有效的地下空间利用和环境保护技术，在我国金属矿山开采中得到了广泛应用。然而，在充填开采过程中，富水巷道围岩稳定性控制问题一直困扰着工程技术人员。富水巷道围岩稳定性控制不仅关系到矿山生产安全和矿山职工的生命安全，而且直接影响到矿山的生产效率和经营效益。

一、充填开采工艺及围岩稳定性分析

1.1 充填开采工艺简介

充填开采工艺是一种有效的金属矿山开采方法，其主要思想是在采空区填充废石、尾砂或其他材料，以减小地压，提高围岩稳定性，实现安全、高效的开采。该工艺具有减震、降噪、环保等优点，是我国金属矿山开采技术的重要发展方向。充填开采工艺主要包括以下几个环节：充填材料的选择与处理：根据矿山的具体条件，选择合适的充填材料，并进行相应的处理，以满足充填工艺的要求。充填设备的选型与布置：根据矿山的生产规模和充填材料的特点，选择合适的充填设备，并合理布置，以保证充填效果。充填工艺的设计与实施：根据矿山的地质条件和开采要求，设计合理的充填工艺，并严格实施，以保证充填效果。充填效果的监测与评价：通过对充填效果的监测与评价，不断优化充填工艺，提高围岩稳定性。

1.2 围岩稳定性分析模型

围岩稳定性分析是充填开采工艺中的关键环节，其目的是为了确保开采过程中的安全与高效。围岩稳定性分析模型主要包括以下几个方面：地质条件分析：分析矿山的地质条件，包括地层结构、岩性、断层、裂隙等，为围岩稳定性分析提供基础数据。充填材料性能分析：分析充填材料的物理、化学性质，包括强度、流动性、凝固时间等，以评价其对围岩稳定性的影响。充填工艺参数分析：分析充填工艺的参数，包括充填率、充填压力、充填速度等，以确定合理的充填工艺。围岩稳定性评价：根据地质条件、充填材料性能和充填工艺参数，建立围岩稳定性评价模型，预测开采过程中的围岩稳定性，为开采工艺的优化提供依据。

二、富水巷道围岩稳定性控制策略

2.1 富水条件下的围岩稳定性特点

富水巷道是指在地下矿山开采过程中，由于地下水的作用，巷道周围的岩石含水量较高的一种巷道类型。富水条件下，围岩稳定性表现出以下几个特点：岩石强度降低：水分子的介入导致岩石中的矿物颗粒间的摩擦力减小，从而使得岩石的强度降低。岩体渗透性增强：水分子的存在使得岩石的孔隙度增大，从而增强了岩体的渗透性。围岩稳定性差：由于岩石强度降低和岩体渗透性增强，使得富水巷道围岩稳定性较差，容易发生巷道变形和破坏。

2.2 围岩稳定性控制技术

针对富水巷道围岩稳定性控制，可以采用以下几种技术：防水堵水技术：通过构建防水层或者使用防水材料，减少地下水对巷道围岩的影响，提高围岩稳定性。注浆加固技术：通过向围岩内部注入水泥浆或者其他加固材料，增强围岩的强度和稳定性。锚喷支护技术：通过在围岩表面喷射混凝土，并配合锚杆使用，提高围岩的承载能力和稳定性。二次衬砌技术：在富水巷道初期支护的基础上，进行二次衬砌，进一步保障巷道的稳定性和安全性。

三、数值模拟与现场试验

3.1 数值模型建立与验证

金属矿山充填开采富水巷道围岩稳定性控制研究，首先需要建立一个精确的数值模型。本研究采用FLAC3D软件进行数值模拟，该软件在岩土工程领域被广泛应用，能够较好地模拟岩石的非线性特征和塑性变形。模型以矿山实际地质条件为基础，考虑了地应力、巷道尺寸、充填材料特性等因素。在模型中，巷道被定义为开挖区域，围岩则采用实体单元模拟。为了提高计算效率，同时保证计算精度，模型尺寸适当放大，边界条件设置为固定支撑。在模型建立后，进行了模型验证。通过与现场监测数据对比，发现数值模拟结果与实际情况具有较好的一致性，证明了所建立模型的有效性。在此基础上，进一步分析了不同充填材料、不同充填率、不同水文地质条件等因素对围岩稳定性的影响。

3.2 现场试验方案及数据收集

现场试验是验证数值模拟结果和进一步优化充填开采方案的重要手段。试验方案主要包括以下几个方面：试验地点选择：在矿山内选取具有代表性的富水巷道进行试验，确保试验结果的普遍适用性。试验内容：主要包括巷道围岩位移监测、围岩应力分布监测、充填体性能测试等。监测数据通过传感器实时采集，以确保数据的准确性和及时性。试验方法：采用钻孔窥视、声波测井、电磁波探测等技术手段，对巷道围岩的完整性、强度、水分含量等进行检测。数据处理与分析：收集到的现场试验数据需进行整理和分析，以评估不同充填开采方案对围岩稳定性的影响。同时，将试验结果与数值模拟结果进行对比，以验证模拟的准确性。

四、结果分析与评价

4.1 围岩应力分布特征

本次研究通过现场监测和数值模拟两种方式对金属矿山充填开采富水巷道围岩应力分布特征进行了深入分析。结果显示，采用充填开采技术后，围岩应力分布得到了显著改善。监测数据表明，在富水条件下，巷道周边的应力集中现象得到了有效缓解，应力分布更加均匀。数值模拟结果同样显示，充填体对围岩应力的分布具有很好的调节作用，能够有效降低巷道周边的高应力区，提高了围岩的稳定性。

4.2 巷道变形规律

在巷道变形规律方面，研究结果表明，富水条件下，巷道的初期变形较大，但随着时间的推移，变形速度逐渐放缓，最终趋于稳定。这主要是因为富水条件下，围岩的初始强度较低，导致初期变形较大。然而，由于充填体的加固作用，巷道的变形得到了有效控制，使得变形最终趋于稳定。监测数据和数值模拟的结果均表明，充填开采技术可以显著减小巷道的变形量，提高巷道的稳定性。

4.3 控制效果评价

综合上述分析，可以对充填开采技术在富水巷道围岩稳定性控制方面的效果进行评价。首先，充填开采技术显著改善了围岩的应力分布，降低了巷道周边的高应力区，提高了围岩的稳定性。其次，充填开采技术有效控制了巷道的变形，使得巷道的变形最终趋于稳定。因此，可以认为，充填开采技术在富水巷道围岩稳定性控制方面具有显著的效果。然而，也需要注意到，富水条件下的围岩稳定性控制仍然存在一定的挑战，需要进一步的研究和改进。

结语

本研究针对金属矿山充填开采过程中富水巷道围岩稳定性控制问题进行了深入探讨。通过理论分析、现场观测和数值模拟等方法，对巷道围岩稳定性影响因素进行了识别，提出了相应的控制策略，并对控制效果进行了评价。本研究对金属矿山充填开采富水巷道围岩稳定性控制问题提供了一套完整的理论体系和实践指导，对我国矿山安全生产具有重要的意义。

参考文献

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