脈鎢礦床復(fù)雜空區(qū)下開采地壓控制研究

張樹標(biāo)

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

0 前言

某鎢礦是一個(gè)具有90多年開采歷史的老礦區(qū)，先后經(jīng)歷過長期的民窿開采、與地方政府聯(lián)合開采和停產(chǎn)等時(shí)期，井下遺留了大量的采空區(qū)。由于受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及開采工程因素等的影響，采空區(qū)地壓活動跡象明顯，且隨著開采深度的增大，其地壓也相繼加劇，并更具復(fù)雜。部分中段出現(xiàn)了巷道龜裂、片幫和支柱折斷，采場夾墻開裂和垮塌等地壓現(xiàn)象，對礦山的安全生產(chǎn)構(gòu)成了一定威脅。因此，針對性地開展了礦區(qū)開采地壓控制技術(shù)研究，提出切合礦山實(shí)際的地壓控制技術(shù)措施并付諸實(shí)施，使地壓活動得到了有效控制，確保了礦山安全高效和穩(wěn)定的生產(chǎn)。

1 礦山基本概況

1.1 礦床地質(zhì)概況

某鎢礦床屬高溫?zé)嵋撼涮罴眱A斜脈狀黑鎢礦床。礦體呈脈狀產(chǎn)出，賦存在淺變質(zhì)砂、板巖中，礦石為致密塊狀石英脈型鎢鉬礦石，圍巖為寒武系淺變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖等，巖性致密堅(jiān)硬，普氏系數(shù)f=9～14。礦體形態(tài)比較復(fù)雜，膨脹縮小、尖滅再現(xiàn)、尖滅側(cè)現(xiàn)、分支復(fù)合、分支尖滅等現(xiàn)象普遍存在。礦脈成帶分布，主要分北組、中組、南組3個(gè)脈帶。

1.2 礦山開采狀況

礦區(qū)發(fā)現(xiàn)于1918年，之后經(jīng)過40年的民窿開采，1958年轉(zhuǎn)為國有礦山機(jī)械化開采。礦區(qū)上部已形成大量復(fù)雜的采空區(qū)，至今未處理。南、北組采空區(qū)總體積已達(dá)104萬m3。

礦區(qū)采用平窿、盲斜井和盲豎井聯(lián)合開拓，286中段以上采用平窿開拓，286中段以下采用盲斜井和盲豎井聯(lián)合開拓。北組已開拓440、388、337、286、236、186、136、86共8個(gè)中段，中組已開拓286、236、186、136共4個(gè)中段，南組已開拓500、450、400、337、286、236、186、136共8個(gè)中段，其中136、86中段正在開拓中。286中段以上已基本結(jié)束回采，生產(chǎn)作業(yè)主要在236以下中段。礦區(qū)采礦方法一直采用淺孔留礦法。

2 地壓活動情況

通過現(xiàn)場深入調(diào)查，礦區(qū)采空區(qū)未發(fā)現(xiàn)有大的巖層錯(cuò)動和地表陷落等地壓現(xiàn)象，較為明顯的地壓活動均集中在構(gòu)造發(fā)育地段、礦脈密集地段和民采開采密集區(qū)。礦區(qū)巖移活動范圍明顯受構(gòu)造弱面及空區(qū)規(guī)模所制約，區(qū)域性地壓活動不明顯。

2.1 巷道地壓活動情況

巷道地壓現(xiàn)象一般表現(xiàn)為頂板冒落、片邦、開裂、倒塌、支護(hù)斷裂等，這些現(xiàn)象往往造成安全威脅，破壞井下工藝系統(tǒng)。如南組500中段101線～103線V205運(yùn)輸?shù)?；南組337中段101線～103線V206巷道；南組286中段101線～103線V207巷道；南組337中段103線穿脈等都不同程度地出現(xiàn)了以上地壓活動現(xiàn)象。

2.2 采場地壓活動情況

處于構(gòu)造發(fā)育地段和礦脈密集帶的采場在上采過程中出現(xiàn)片幫、冒頂、夾墻開裂和垮塌等地壓現(xiàn)象。如南組286中段101線～105線V205、V206、V207礦脈密集區(qū)采場；北組186中段12線～14線構(gòu)造發(fā)育地段V38采場等都出現(xiàn)了以上地壓活動現(xiàn)象。

3 地壓活動特征與規(guī)律

由于礦體賦存狀況不同、工程地質(zhì)條件以及地質(zhì)環(huán)境等諸多方面的差異，任何一個(gè)礦山的地壓活動都有其自身特征與規(guī)律。通過現(xiàn)場調(diào)查與分析研究，礦區(qū)地壓活動主要有階段性、周期性、區(qū)域性和季節(jié)性等特征與規(guī)律［1］。

3.1 地壓活動的階段性

礦區(qū)地壓活動的階段性是指礦體開挖后造成巖體累進(jìn)破壞的過程，可分為4個(gè)階段：初始來壓階段、礦柱破壞階段、巖層移動階段和相對穩(wěn)定階段。

（1）初始來壓階段。初始來壓階段是指坑內(nèi)由于受采掘開挖的影響，原巖應(yīng)力場受到擾動而重新分布，應(yīng)力在某些位置高度集中和轉(zhuǎn)移。如在礦柱、坑道頂幫兩角出現(xiàn)壓應(yīng)力高度集中或出現(xiàn)拉應(yīng)力，使頂幫開裂，頂角巖石掉渣、片幫、冒落、鋼木支柱發(fā)生彎曲變形，水泥墻出現(xiàn)裂縫等，這些現(xiàn)象稱之為地壓活動的初始來壓，但這一時(shí)期維持時(shí)間相對來說是較長的，變化緩慢。有時(shí)受其他因素的影響，（如被卸載）還可停止發(fā)展。這一階段采取一定的保護(hù)措施可以繼續(xù)作業(yè)。

（2）礦柱破壞階段。由于受采掘范圍的不斷增大影響，二次應(yīng)力的進(jìn)一步集中在礦柱或作用在夾墻、人工支護(hù)上，這時(shí)礦巖支撐體或人工支護(hù)體不堪承受巨大的外來載荷而破壞，導(dǎo)致井下工程的破壞，嚴(yán)重影響作業(yè)的正常進(jìn)行。這階段地壓活動的特征是變化急劇，可以直觀地聽到巖石破裂聲，見到巖體裂縫的擴(kuò)展或坑道頂板下沉，以及連續(xù)的頂幫掉渣與冒落等現(xiàn)象。

某些支承礦柱的破壞導(dǎo)致載荷迅速轉(zhuǎn)移到?jīng)]有破壞的巖柱及支護(hù)上，致使這些礦柱的應(yīng)力進(jìn)一步增加，直到破壞而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，因此，在礦柱破壞階段，地壓活動急劇且形成較大范圍的地壓破壞。

（3）巖層移動階段。礦柱的破壞使較大范圍內(nèi)的礦柱失去支撐巖體的能力，這時(shí)失穩(wěn)巖體受重力場或構(gòu)造應(yīng)力場的作用，使巖體沿層弱面，斷裂構(gòu)造面向采掘后的自由空間滑移或處理后的空場擠壓而發(fā)生巖層移動。

巖層的移動往往使井下工藝系統(tǒng)受破壞如巷道錯(cuò)位、下沉，軌道翹起或彎曲，兩幫斷裂或鼓幫等各種地壓現(xiàn)象，導(dǎo)致坑內(nèi)生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。

（4）相對穩(wěn)定階段。大幅度巖層移動使應(yīng)力集中部位的應(yīng)力充分釋放或轉(zhuǎn)移之后，應(yīng)力處于新的平衡狀態(tài)。巖體各部分會相對穩(wěn)定下來，安全威脅暫時(shí)得到緩解，在一段時(shí)間內(nèi)不會發(fā)生大范圍的地壓活動?，F(xiàn)場表現(xiàn)是在地壓活動的急劇階段，造成回采困難，甚至不能作業(yè)，很多坑道不能通行，但到劇烈地壓活動之后又可修復(fù)通道順利進(jìn)行作業(yè)。

3.2 地壓活動的周期性

在急傾斜脈群礦床，多中段重復(fù)開挖的特定條件下，一個(gè)中段的全面回采、放礦、結(jié)束作業(yè)就是一次地壓活動過程，即初始來壓、礦柱破壞、巖層移動至相對穩(wěn)定，之后地壓活動則暫時(shí)地處于相對平衡。但下一中段的繼續(xù)開挖，新的空場的形成，又導(dǎo)致某些部位的應(yīng)力集中，出現(xiàn)某些應(yīng)力集中部位應(yīng)力疊加，使巖體產(chǎn)生累進(jìn)破壞，而產(chǎn)生又一地壓活動過程，這樣周而復(fù)始地出現(xiàn)地壓破壞，這就是地壓活動的周期性特征。

歷史資料證明，在每年的雨季，這種地壓活動的周期性尤為明顯。但是，由于多中段同時(shí)開挖或者在違背從上至下的采掘順序時(shí)，這種周期性又較難區(qū)別開來。

3.3 地壓活動的區(qū)域性

從大量的統(tǒng)計(jì)資料與現(xiàn)場調(diào)查的情況表明，礦區(qū)地壓活動具有較明顯的區(qū)域性特征。礦區(qū)地壓活動主要表現(xiàn)在南組和北組，尤以南組地壓活動更為明顯，而南組101線～105線一帶又是地壓活動重點(diǎn)區(qū)域。中組由于337中段以上未進(jìn)行開采，下部中段礦巖條件好、礦脈稀疏，所形成的空區(qū)也不多，所以地壓活動不明顯。北組同樣由于礦巖條件好、礦脈稀疏，所形成的采空區(qū)相對較小，并且連續(xù)性差等原因，采區(qū)的地壓活動也一直不明顯。

3.4 地壓活動的季節(jié)性

礦區(qū)地壓活動的季節(jié)性，主要反映地壓活動與雨季密切相關(guān)。礦區(qū)地壓活動時(shí)間主要集中在每年3～7月雨季期間。在此期間由于水的作用，削弱了巖體的物理力學(xué)性能，從而加劇了采區(qū)的地壓活動。據(jù)井下巖移和木滑尺觀測的資料，地壓活動在雨季的變化速度是旱季的好幾倍。

4 地壓控制措施

開采地壓是礦山生產(chǎn)中逐步顯現(xiàn)出來的一種因巖體開挖后應(yīng)力不平衡而產(chǎn)生的巖體變形和破壞現(xiàn)象，有其自身的形成與發(fā)展規(guī)律。生產(chǎn)實(shí)踐中，只要認(rèn)識掌握地壓規(guī)律，應(yīng)用針對措施，開采地壓是可以得到有效控制的。

針對礦區(qū)地壓活動特點(diǎn)，有必要采取技術(shù)措施控制礦區(qū)開采地壓，避免因單一采場垮落，連鎖引發(fā)大規(guī)模地壓災(zāi)害的產(chǎn)生。

4.1 設(shè)置隔離層

針對礦區(qū)開采歷史悠久，上部已形成大量復(fù)雜的采空區(qū)，且地表未貫通、上覆巖層比較厚的復(fù)雜情況，提出設(shè)置隔離層處理286m水平以上應(yīng)力集中老采空區(qū)的地壓控制措施。通過設(shè)置隔離層，使地壓危害控制在隔離層以上區(qū)域，不致影響下部礦井。根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析結(jié)果，236中段設(shè)置為隔離層。即首先在該中段采空區(qū)全部充填廢石，充填系數(shù)必須達(dá)到0.7以上，形成緩沖層，以緩解上部地壓向下發(fā)展。

4.2 預(yù)留保安礦柱

針對南組337中段和286中段103線地壓十分嚴(yán)重的問題，尤其是337中段103線主扇位置呈現(xiàn)出較大的地壓跡象，特別提出在南組236中段以下103線預(yù)留10m左右保安礦柱的地壓控制措施。通過預(yù)留保安礦柱，保護(hù)好103線穿脈巷道，從而保護(hù)好主扇，保護(hù)礦井的安全，預(yù)防災(zāi)害性地壓的發(fā)生。

4.3 合理處理采空區(qū)

針對礦區(qū)下部中段實(shí)際情況，提出下部中段以“充”為主的空區(qū)處理方式，采取廢石充填采空區(qū)的地壓控制措施。通過有效地充填采空區(qū)，提高圍巖穩(wěn)定性，從而防止礦區(qū)大規(guī)模災(zāi)害性地壓的發(fā)生。

實(shí)踐證明長期未作處理的大量連續(xù)空區(qū)是地壓災(zāi)害的隱患，對空區(qū)進(jìn)行充填處理是限制巖移規(guī)模、防止巖移“暴風(fēng)”，減少地壓災(zāi)害的有效方法。

統(tǒng)計(jì)資料表明，當(dāng)連續(xù)采空區(qū)的總體積達(dá)到3～5萬m3時(shí)，存在產(chǎn)生較大范圍的巖體變形并引起規(guī)模性地壓顯現(xiàn)的可能性?？梢姡皶r(shí)有效地處理采空區(qū)是礦區(qū)開采地壓控制中最為重要的技術(shù)措施。采空區(qū)充填后，可有效阻止圍巖的崩塌與變形，對有效抑制礦區(qū)大面積的巖移地壓災(zāi)害效果十分明顯。

采空區(qū)形成使其一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力重新得到分布與性態(tài)改變。放礦后的空區(qū)，通過時(shí)間效應(yīng)，其邊界巖體產(chǎn)生循環(huán)變形、位移和破壞。實(shí)施空區(qū)充填，及時(shí)向空區(qū)圍巖提供支護(hù)，起到對空區(qū)邊界變形破壞的阻尼作用［2］。

4.3.1 廢石充填采空區(qū)

這是一種簡單易行、適用有效的方法。即可利用地表廢石，又可利用井下開拓廢石和剔除廢石，對空區(qū)實(shí)施充填，做到廢石不出窿，要求重點(diǎn)采場充填系數(shù)必須達(dá)到0.7，其他采場充填系數(shù)必須達(dá)到0.6。236中段及其以下采空區(qū)進(jìn)行了充填，使礦區(qū)地壓得到有效的控制，從而避免了災(zāi)害性地壓的發(fā)生。

4.3.2 自然崩落處理采空區(qū)

對于邊遠(yuǎn)空區(qū)和較稀疏的空區(qū)以及500m中段以上民采采空區(qū)采用自然崩落法處理，并對自然崩落的空區(qū)范圍和地段進(jìn)行封閉。對于286中段～500中段采空區(qū)結(jié)合殘礦回收（采用削壁充填法）進(jìn)行采空區(qū)處理。

4.4 選擇合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)［1］

礦區(qū)一直采用淺孔留礦法，適用于脈距大于4m的單脈分采或者脈距小于4m的多脈合采。其采場構(gòu)成要素如下：

（1）普通采場構(gòu)成要素：采場長度50～90m，回采高度40m，漏斗間距5m，頂柱3m，底柱2.7m，間柱3～5m；

（2）地壓活動中心區(qū)采場構(gòu)成要素：底柱3～3.5m，頂柱3～5m，漏斗間距5m，其他尺寸依具體情況而定，并應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)尺寸要求施工，保證質(zhì)量；

（3）對于礦巖中等穩(wěn)固以上、礦脈連續(xù)性較好和礦脈不密集區(qū)域的留礦法采場長度以80～90m左右為宜；對于礦巖連續(xù)性好，構(gòu)造相對發(fā)育和礦脈相對密集區(qū)域的留礦法采場，采場長度可根據(jù)具體情況酌情減小。

4.5 調(diào)整回采順序

為了改善由于回采引起的應(yīng)力集中狀況，減少巖移威脅，利于采場的回采安全，扭轉(zhuǎn)順序不合理的局面，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，對中段平面、中段間、脈間和南北脈組的開采順序作了合理調(diào)整［3］。

4.6 加強(qiáng)采區(qū)的排水

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，礦區(qū)下部中段的井下涌水量比上部中段有一定增大?？觾?nèi)涌水量的增大，將加劇對巖體的侵蝕，削弱了礦巖的物理力學(xué)性能，從而間接地激活了區(qū)域的地壓活動。因此，加強(qiáng)采區(qū)的有效排水顯得尤其重要。

（1）在地表設(shè)置截流防滲工程，將地面降雨匯水導(dǎo)流出礦區(qū)，盡可能防止和減少地表水滲流到井下。在條件允許的情況下盡可能多地植樹造林，同時(shí)做好地表植被的保護(hù)工作，以減少大氣降水的滲透。

（2）完善各中段的排水設(shè)施，包括排水溝等自然排水與機(jī)械排水設(shè)施。尤其是要做好北組286中段和南組337中段排水溝的排水工作。加強(qiáng)對下漏水口的截堵，以減少井下水往下滲流。巖石條件差、構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域是排水工作的重中之重。

（3）在深部設(shè)立集中排水站，加強(qiáng)對深部積水的排出。

4.7 開展地壓活動監(jiān)測

地壓活動監(jiān)測工作，主要包括建立地壓活動監(jiān)測系統(tǒng)和加強(qiáng)日常地壓觀測等工作。

4.7.1 建立地壓活動監(jiān)測系統(tǒng)

為及時(shí)掌握地壓活動情況，根據(jù)點(diǎn)多、面廣特點(diǎn)，建立了以礦區(qū)地壓活動中心為重點(diǎn)，空區(qū)、構(gòu)造控制線為網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，礦區(qū)地壓活動大多數(shù)發(fā)生在礦脈密集、構(gòu)造發(fā)育區(qū)段以及老采空區(qū)域，因此，這些區(qū)段就成為地壓活動的重點(diǎn)觀測區(qū)域。如南組337中段和286中段101線～107線區(qū)段；北組286中段6線～12線區(qū)段等。地壓監(jiān)測的主要手段：采用全站儀導(dǎo)線法觀測井下巖移；采用木滑尺觀測巖體間的相對位移；采用聲發(fā)射儀監(jiān)聽采空區(qū)的穩(wěn)定性等。

4.7.2 加強(qiáng)日常地壓觀測

加強(qiáng)日常地壓觀測，發(fā)現(xiàn)地壓明顯變化，及時(shí)采取措施，防止地壓災(zāi)害的發(fā)生。地壓觀測采用定期和不定期的觀測方式，及時(shí)準(zhǔn)確地收集原始數(shù)據(jù)，并加以整理與處理，以便掌握采區(qū)的地壓發(fā)展情況，及時(shí)采取相應(yīng)的對策。地壓監(jiān)測應(yīng)從組織上落實(shí)，并做到持續(xù)觀測。

4.8 加強(qiáng)地壓管理

礦山地壓活動是隨著礦山的開采而產(chǎn)生與發(fā)展的，并且地壓活動是有規(guī)律性可循的，是可以認(rèn)識的，也是可以控制的。因此，對于礦山企業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)地壓管理，增強(qiáng)地壓管理意識和提高地壓管理水平。

（1）強(qiáng)化地壓隊(duì)伍建設(shè)并成立專門機(jī)構(gòu)，全面管理礦區(qū)的地壓工作。通過人員培訓(xùn)分工與落實(shí)責(zé)任，確保地壓管理工作的有效性。

（2）緊密結(jié)合實(shí)際，制定相應(yīng)的規(guī)章制度，明確規(guī)范地壓工作的管理要求，以便有章可循，保證管理工作及時(shí)到位。

（3）監(jiān)督并指導(dǎo)各種地壓控制技術(shù)方法與措施的落實(shí)與質(zhì)量檢驗(yàn)工作。及時(shí)總結(jié)工作中的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題立即整改。通過對礦區(qū)地壓的有效治理，為生產(chǎn)安全與持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。

5 結(jié)語

通過設(shè)置隔離層、預(yù)留保安礦柱、調(diào)整回采順序和對采空區(qū)的處理等綜合地壓控制技術(shù)措施，使礦區(qū)地壓活動得到了有效控制，避免了礦區(qū)災(zāi)害性地壓活動的發(fā)生。該研究成果不僅為礦區(qū)今后的開采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)施工與管理提供了技術(shù)支撐，而且對于提高資源回收率，延長礦山的服務(wù)年限，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保障企業(yè)持續(xù)發(fā)展，以及保證礦山安全生產(chǎn)具有重大的意義。同時(shí)為復(fù)雜空區(qū)下脈鎢礦床開采地壓控制奠定了基礎(chǔ)，對類似礦山地壓控制具有借鑒作用，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

［1］下壟鎢業(yè)有限公司，贛州有色冶金研究所.左拔礦區(qū)開采地壓控制研究試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.贛州：贛州有色冶金研究所，2011.

［2］何顯機(jī)，鐘衛(wèi)偉，肖德伸，等.下壟鎢礦地壓災(zāi)害后復(fù)產(chǎn)的采場地壓與控制［J］.中國鎢業(yè)，1998，（5）：29.

［3］何維全，吳賢振，賴長順，等.下壟鎢礦左拔礦區(qū)圍巖破碎及礦脈密集采場回采技術(shù)研究［J］.中國鎢業(yè)，2010，25（6）：12-14.