地下金属矿山开采过程中的支承压力分布规律及其控制

2024年3月17日发(作者：赵旭阳)

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矿山建筑

地下金属矿山开采过程中的支承压力分布规律及其控制

范 磊

（安徽马钢张庄矿业有限责任公司，安徽 六安 237400）

随着我国矿产资源需求量的增大，金属矿山开采深度不断增加，支承压力勘察与设计成为急需关注的问题。基于此，

摘  要：

研究了地下金属矿山开采过程中的支承压力分布规律，进而提出了支承压力控制方法。通过仿真实验，分析不同金属矿山的支

承压力下的控制措施，得出在采场高度小于350m采用上向式开采，大于350m则采用下向式开采的结论。

金属矿山；开采过程；支承压力；分布规律

关键词：

TP391󰀃󰀃A󰀃󰀃󰀃11-5004（2019）11-0034-2

中图分类号：文献标识码：文章编号：

地下金属矿山开采是资源开发的主要形式，地下环境的压

力成为制约矿山开采规模的重要原因。为经济合理的解决支承

压力问题，需要分析总结支承压力的形成原因、制约因素以及应

对措施。研究支承压力的分布规律对矿山建设意义重大，有助于

形成系统理论，制定科学、合理、性价比高的预防控制措施，实

现安全、高效、利益最大化的矿山开发。

1 地下金属矿山开采过程中的支承压力分布规律

基于回采工作面超前支承压力对冲击地压、金属矿山突

出等现象有直接影响。以某矿山为例，通过理论计算及采用

UDEC2D4.0数值模拟，对该工作面超前支承压力的分布规律进

行研究，同时对现场实测超前支承压力数据进行统计分析。得出

了超前支承压力的分布规律。工作面超前支承压力的影响范围

约为46m，超前支承压力峰值约为19Pa，并距工作面10~14󰀃m，

应力集中系数约为1.9

[1]

。通过对比分析出支承压力显现的主要

条件是如下几种，参见图1所示：

支承压力

矿体埋深矿岩软弱破碎

原岩应力大

矿体倾角缓

图1  支承压力显现条件示意图

（1）矿体埋深指的就是金属矿山在地下深埋基数过大，在开

采过程中容易因为支承压力的预判不足或突然变动引发巷道塌

陷等一系列安全性问题。

（2）矿岩软弱破碎，岩体强度低，稳固性差，此时其支承压

力处于不稳定状态，地下甚至地面的外界因素都会影响甚至破

坏支承压力的稳定性

[2]

。

（3）原岩应力大指的是原岩应力场是天然存在于原岩内与

人为因素无关的应力场。自重应力场和构造应力场是原岩应力

场的主要组成部分。由地心引力引起的应力场成为自重应力场。

收稿日期：

2019-11

作者简介：

范磊，男，安徽六安人，本科，助理工程师，研究方向：地质工程、

矿山地质。

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由地质构造运动而引起的应力场成为构造应力场

[3]

。原岩应力是

支承压力的构成主体。

（4）矿体倾角缓造成压力分布集中，矿体采出后形成压力支

承真空区域，是需要重点关注的支承压力形成条件。

区域构造分为盖层构造和基底构造，地下金属矿山开采一

定会形成采空区。采空区为诱发重特大事故的重要因素，易引发

透水、坍塌、冒顶片帮等多种形式的灾害，往往造成大量的人员

伤亡和财产损失。采空区事故隐患治理不及时，部分矿山企业忽

视采空区治理，特别是历史遗留采空区得不到及时处理。

中小型矿山采空区管理不到位，专业技术力量薄弱，不按设

计施工或无设计施工，矿柱留设不规范，造成采空区重叠、交错

现象比较普遍，严重威胁矿山安全生产

[5]

。采空区安全问题已经

成为影响一些地方经济发展和社会和谐的重要因素如表1所示。

表1  采空区周围支承压力区中巷道破坏率分布

影响范围（m）应力集中系数巷道破坏率（%）

0-101.95＜K≤4.4894

10-251.45≤K＜1.9586

25-401.21≤K＜1.4653

40-581.18＜K≤1.3719

由此可见，开采时要尽量避免采空区周围支承压力区中巷

道破坏率，防止矿体难以回采。

2 地下金属矿山开采过程中的支承压力控制

地下金属矿山开采过程中形成的支承压力，最大值发生在

工作面中部前方，峰值可达原岩应力的1~2倍，即应力集中系

数K值的变化范围为1.0~2.0。前方支承压力的峰值位置可深

入金属矿体内5m~15m，其影响范围可达采金属矿工作面前方

100m~300m

[4]

。在待采的实体地下金属矿山上将不断形成的支承

压力。该支承压力的数值位于回采工作面内(如图2所示):

K

1.0

2.0

图2  回采移动支承压力示意图

（下转36页）

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利于工作的顺利进行。

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够得到非常真实投影图像数据，并且具有很高的分辨率，也可以

获得分辨率非常高的三维现实模型数据。

并且，通过获取的结果，能够通过矿上边界的开采，明确项

目周边的地形条件，也可以掌握项目区域的整体情况，然后对采

矿权证书矿区的拐点坐标的附件叠加比较，确定跨境开采程度，

合理分析数据，以保证可以为开采范围的监管提供更加精准的

数据支持，提升矿上工作效率以及水平，最大程度的降低工作问

题出现几率，一促进测量工作可以更加稳定且高效的进行

[5]

。

3.2

强化动态储量的监测

通过对无人机倾斜测量技术的进一步应用，在实际的矿上

工作进行阶段，一方面，可以对三维扫描软件进行有效的应用，

让其对软件中的垂直三维模型进行科学且有效的测量，然后进

行精准的计算，以保证所得数据的精准性以及有效性。同时，在

三维模型上，可以有效的开展倾斜测量工作，保证能够对矿上开

采过程进行动态化监测，了解其具体开采情况，以保证可以为矿

上管理工作的开展提供更加精准且及时的数据支持，有效促进

矿上工作质量的提升。另一方面，可以依照两次无人机倾斜摄影

测量，最终获得矿上DEM数据。

此外，在监控矿上动态储量阶段，无人机倾斜测量所得出的

DEM数据，精准度非常高，并且云密度相对较大，能够有效的

对矿产开采情况进行真实反映，并且其计算准确度也相对较高，

所以可以在一定程度上对矿上动态储量监测要求进行满足，有

4 结束语

在实际的矿上工作进行阶段，对无人机倾斜测量技术进行有

效的应用，不仅可以对矿上的各项工作进行动态监控，科学的对

外业劳动强度进行减小和降低，不断对整体的工作效率以及质量

进行提升，还可以对监测的周期进行减少，提升测量的精准度。

但是，虽然这一技术应用存在着诸多益处，但是由于矿上工作具

有较强的复杂性。所以，无人机倾斜测量技术的应用难免会存在

一些问题。故而。在今后的发展期间，相关人员需要强化对这一

技术的优化和革新，以保证可以促进矿上工作的稳定进行。

参考文献

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[2]󰀃

[3]󰀃

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[5]󰀃

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业,2017(2):151-154.

（上接34页）

本次设计采用分期开采，-200m水平以上氧化矿和部分

原生矿作为第四系砂层含水层保护矿柱，暂不开采，一期开

采-200m～-450m阶段矿体，二期开采-450m阶段以下矿体。为

研究不同回采顺序各步骤的应力分布及变化规律，以此分析不

同阶段开采顺序的岩体应力变化和各阶段上盘围岩和顶板最大

位移如表2所示：

表2  两种开采顺序各阶段上盘围岩和顶板最大位移

阶段

下行

顶板

上行

顶板

-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

体埋藏浅的矿山可以使用下行开采方案，但地下金属矿体埋藏

深的矿山要使用上向式开采方案。这样可以减轻支承压力，减少

发生危险，增加可控因素。

3 结论

中国地下金属矿山开采的研究工作虽然起步较晚，但成绩

十分显著。随着我国对金属资源的需求量日渐增加，探究地下金

属矿山开采过程中的支承压力分布规律成为研究重点。必须在

开采前明确支承压力显现的条件，通过多项数据整合了解开采

过程中支承压力分布具体规律，达到高效、安全的开采目标。因

此，准确分析地下金属矿山开采过程中的支承压力分布规律及

其控制是解决此问题的唯一途径。

经验证，-350m水平以上达到500万t/a生产能力是可能的，-

350m水平以下很难达到500万t/a生产能力的要求。设计采用

分期开采，一期开采-450m水平以上矿体，生产规模为500万t/

a矿石，二期开采-450m水平以下矿体，开采标高暂定为-450m，

二期生产规模按照400万t/a考虑。

由此可见，具体的开采方案应该按照地下金属矿体埋藏深

度专门定制。根据矿床开采条件，采矿方法选择充填法。矿体和

顶板岩石稳定性好，适合采用空场嗣后充填。开采方案以大直径

深孔阶段空场嗣后充填法为主，部分矿体倾角缓、采场高度小于

350m的采场采用扇形中深孔分段空场嗣后充填法。地下金属矿

参考文献

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