江西下壟鎢礦左拔礦區(qū)地壓活動與地壓控制研究

何維全，游 勛，李 春，幸世榮，黃海浪

（1.江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余 341516；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

左撥礦區(qū)自1958年建成投產(chǎn)以來，目前為下壟鎢業(yè)有限公司主要的生產(chǎn)坑口，年生產(chǎn)能力20萬t，占公司年產(chǎn)量的80％以上。歷經(jīng)50多年的開采，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，礦柱、采場夾墻開裂和垮塌等地壓活動跡象。如果不及時地控制地壓活動會造成諸多影響，如影響礦區(qū)生產(chǎn)的正常進行、對生產(chǎn)的安全帶來隱患、增加回采作業(yè)難度、影響下部及周邊資源的回收利用、增大了生產(chǎn)作業(yè)成本和地壓處理投入等，導(dǎo)致采空區(qū)暴露面積繼續(xù)擴大，并且隨著暴露時間的增長，地壓活動將不斷加劇，極可能因采空區(qū)大范圍冒落而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，給井下生產(chǎn)造成災(zāi)難性后果，對工業(yè)設(shè)施及居民的生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。據(jù)統(tǒng)計左拔礦區(qū)保有可采儲量尚能服務(wù)15年，而且深邊部找礦潛力大［1］。為了確保礦區(qū)安全、持續(xù)和穩(wěn)定發(fā)展，近幾年來，針對性地開展地壓控制的技術(shù)研究，選擇合理的技術(shù)方法與措施，使地壓活動得到了有效控制。實踐證明，所提出的開采地壓控制方案技術(shù)上可行、安全上可靠、經(jīng)濟上合理。

1 礦床地質(zhì)與工程概況

1.1 礦床地質(zhì)概況

左拔鎢礦床位于西華山-張?zhí)焯面u錫帶之中南部，西華山-漂塘礦田的北部，礦區(qū)面積9.43km2，礦化面積約6km2。礦區(qū)出露地層除局部為第四系全新統(tǒng)（Q4）外，均為中、下寒武統(tǒng)變余（長石）石英細砂巖、絹云母板巖和碳質(zhì)板巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要分為近南北向、近東西向、北東向和北北東向4組，其中東西向構(gòu)造和北北東向構(gòu)造是主要的控礦構(gòu)造，由東西向構(gòu)造派生的南北向張扭性裂隙、由東西向構(gòu)造派生并經(jīng)北東向構(gòu)造承襲和改造的東西向壓扭性裂隙以及由北北東向構(gòu)造派生的北東東向壓扭性裂隙是主要的容礦構(gòu)造［1］。礦床屬外接觸帶石英脈型礦床，礦體以含礦石英脈形式賦存于淺變質(zhì)砂巖，板巖中。由于該區(qū)容礦裂隙多成組成帶分布，所以礦脈也多成帶成組出現(xiàn)。根據(jù)其自然分布，從北往南可劃分近乎平行的大竹山、老棚下、大坳和高陂坑等4個脈帶，共22個脈組。礦體形態(tài)復(fù)雜，膨脹縮小、尖滅再現(xiàn)、尖滅側(cè)現(xiàn)、分支復(fù)合、分支尖滅現(xiàn)象普遍。礦體產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，規(guī)模較大，具有地表脈幅小、品位低、工業(yè)意義小，深部脈幅大、品位高、工業(yè)意義大的垂直分帶規(guī)律。

1.2 礦山工程概況

左撥礦區(qū)采用平窿、盲豎井及盲斜井聯(lián)合開拓。286中段以上采用平窿開拓，286以下中段采用盲豎井及盲斜井聯(lián)合開拓，采礦方法為淺孔留礦法。北組已開拓440、388、337、286、236、186、136、86共8個中段，南組已開拓500、450、400、337、286、236、186、136共8個中段，337以上已基本結(jié)束，生產(chǎn)中段主要是286以下中段。經(jīng)過50多年的開采活動，開采深度達400m，采空區(qū)個數(shù)為182個，采空區(qū)總體積達103.91萬m3（南組40.52萬m3，北組63.39萬m3，286m中段以上84.18萬m3），對286段以下進行了充填，充填空區(qū)30個，充填量約10萬m3。

2 地壓活動現(xiàn)狀

如上所述，經(jīng)過50多年的開采活動，礦床上部主礦體已被采空，開采深度達400m，在井下留下大量的未做充分處理采空區(qū)，部分空區(qū)已與地表相通，地壓活動頻繁。主要表現(xiàn)為：（1）地面塌陷。地表已發(fā)生不同程度的凹陷，造成地表植被損毀、山體位移，原有生態(tài)環(huán)境遭到破壞。（2）巷道開裂、片幫、垮塌、頂板下沉甚至冒落。500中段以上老民采區(qū)大多數(shù)巷道已垮塌，同時，500中段100線穿南距礦帶上盤50m范圍巷道、101至103線運輸?shù)理敯?、兩幫圍巖有片裂冒落現(xiàn)象（101至103線部分運輸?shù)烙媒饘龠M行了支護）；南組337中段103～101線V205巷道頂板及兩幫圍巖出現(xiàn)片落、頂板有下沉跡象，103線穿南假巷墻體、底板出現(xiàn)裂縫；286中段103線～101線V207、V206巷道頂板及兩幫圍巖出現(xiàn)片落，并有向下中段延伸跡象。

3 地壓活動影響因素分析

經(jīng)過對采空區(qū)反復(fù)調(diào)查并認真分析，誘發(fā)其地壓活動的主要因素總結(jié)如下［2-4］：

（1）礦區(qū)斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育。礦脈系含礦熱液充填構(gòu)造裂隙而成，礦脈成組成帶密集分布，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育。節(jié)理裂隙產(chǎn)狀陡、裂面平直、光滑，部分節(jié)理裂隙充填膠結(jié)較差。另外，還有些斷層破碎帶寬度較大，破碎帶巖土松軟。大量現(xiàn)場實例說明斷層、節(jié)理、裂隙等地質(zhì)弱面是地壓活動極為頻繁的區(qū)域，也是災(zāi)害性地壓活動的誘發(fā)點。

（2）采空區(qū)形態(tài)大小、結(jié)構(gòu)參數(shù)及支護形式等。左拔礦區(qū)采空區(qū)大小形態(tài)不一且相互貫通形成大型空區(qū)群。這些空區(qū)群頂板面積大，暴露時間過長，僅憑部分頂（底）、間柱所形成的框架式結(jié)構(gòu)加以支撐，還有相當(dāng)一部分礦柱已被采完或被民采破壞，致使這些采空區(qū)穩(wěn)定性很差，隨時有冒落的危險和出現(xiàn)地壓活動跡象。

（3）地表水入滲。大量地表水涌入井下，加劇了巖體風(fēng)化及侵蝕，削弱了巖石的物理力學(xué)性能，從而間接地誘發(fā)了地壓活動。

（4）開采深度。目前左拔礦區(qū)已進入深部開采，隨著開采深度的增加，地壓也隨之增大。

鎢礦山地壓活動的普遍規(guī)律認為，500m以內(nèi)開采深度，巖移是地壓顯現(xiàn)的主要形式，其劇烈程度與采掘深度關(guān)系密切。隨著礦床礦化深度的延伸，其開采深度將進一步下降，深部中段開采所形成的采空區(qū)也必然會使圍巖的移動范圍加大。經(jīng)計算確定，按照預(yù)計礦體最終開采深度所形成的采空區(qū)，其圍巖的移動范圍將加大到東西寬1800m，南北長2500m，礦山前期形成的一些地表工業(yè)設(shè)施和居民區(qū)有許多都將位于圍巖移動帶范圍之內(nèi)，井下空區(qū)如不及時處理，暴露面積繼續(xù)擴大、暴露時間越來越長，地壓活動將不斷加劇。極可能造成空區(qū)大范圍冒落，所留礦柱變形破壞，采場維護困難，井巷工程受剪、壓作用破壞，礦柱及殘留礦體回采困難或無法回采，造成礦產(chǎn)資源的損失。

4 地壓監(jiān)控方法措施與實施方案

為了對礦區(qū)地表塌陷區(qū)及采空區(qū)進行綜合治理，減輕或消除對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞，避免各種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，更多更好的回收礦產(chǎn)資源。鑒于左拔礦區(qū)的主運輸中段為286 m中段，深部中段已經(jīng)開拓至+86m標高（最終開采標高為-14m），為了確保礦區(qū)深部礦體開采的安全性和生產(chǎn)的正常性，保證礦區(qū)防水隔離層的穩(wěn)定，及地表移動帶范圍不至于進一步擴大，必須使286中段的所有采空區(qū)能夠保持穩(wěn)定。為此，制定了技術(shù)措施并以實施顯得十分必要：

4.1 改進采礦方法

286m中段以下全部采用淺孔留礦法，286m中段底板留5m隔離層，從源頭減小地壓危害，減緩地壓向下中段延伸。

4.2 確定合理的礦床開采順序

確定合理的礦床開采順序?qū)刂频貕夯顒訕O為重要［3］。為了改善因回采順序引起的應(yīng)力集中狀況，減少巖移危害，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，對礦區(qū)開采順序作如下調(diào)整［5］。

4.2.1 中段平面的回采

前進式回采，在同一中段各組脈帶的開采中，選取礦脈密集、品位高，處于地壓活動中心部位的礦脈為開采起點線，回采工作面向東西兩翼推進，采場實行“三強”（強采、強放、強充填）回采。比如，南組礦帶以103～105線、北組礦帶西部以8～10線、東部以3～5線開始進行回采為宜，然后分別向東西兩端推進。

4.2.2 中段間的回采

上、下中段間應(yīng)協(xié)調(diào)回采。當(dāng)同時回采一條礦脈時，上中段的回采應(yīng)超前下段的水平距離不小于100m，以利安全生產(chǎn)和對巖移下沉量的限制。

4.2.3 脈間回采

脈距大于4m的回采?；夭身樞蚴巧媳P先于下盤，下盤采場的回采宜錯開上盤采場回采引起的巖移峰值區(qū)，一般要求同向水平距離不小于50m。

脈距小于4m的回采。回采順序是平行上采或合采，回采中適時留礦柱，放礦后及時充填空區(qū)或根據(jù)需要邊放邊充。

4.2.4 南北脈組的回采

北組先于南組，為盡量縮短生產(chǎn)作業(yè)線，要求北組超前南組1～2個中段。

4.3 預(yù)留部分永久保安礦柱

采場間柱、頂柱和采場內(nèi)點柱的留設(shè)有利于采場兩幫的穩(wěn)定性。但間柱、頂柱點柱的穩(wěn)定性并非與其長度和寬度大小成正比，在同樣的原巖應(yīng)力條件和環(huán)境條件下，短的矩形點柱往往比長的條帶狀間柱有著更長的穩(wěn)定時間和更大的直立高度，能支撐更大和礦石壓力。研究結(jié)果表明：當(dāng)點柱長寬比為1.5～2時，礦柱為最穩(wěn)定［6］。因此，在點柱的留取方面將采用短的矩形礦柱，且礦柱長寬比為1.5～2。矩形點柱的布置形式在各礦塊不盡相同，主要有下列幾種［5-6］：

（1）規(guī)則網(wǎng)格狀矩形礦柱。礦房礦柱呈房柱間隔成行布置，為房、柱組合，在設(shè)計時標明留取地點，若同時上采的兩采場對應(yīng)處也要留取，以增加采場隔墻的穩(wěn)定，減少二次貧化及防止發(fā)生巖移。

（2）不規(guī)則布置矩形礦柱。針對礦山具體情況不同，在回采礦房時根據(jù)具體情況，在采場可能出現(xiàn)片幫地段，選準應(yīng)力點位置留礦柱，礦柱呈不規(guī)則的跳躍式布置，以增強局部不穩(wěn)固圍巖的穩(wěn)定［6］。

（3）留取間柱和頂柱。這種間柱形狀與條帶礦柱相同，其柱橫連頂柱與底板，但礦柱長寬比在1.5～2之間，同一中段各礦塊間柱盡可能布置在同一條帶上。頂柱留3～5m。間柱和頂柱留取目的是為了防止地壓活動，便于廢石充填。

采場結(jié)構(gòu)及點柱留設(shè)見圖1。

圖1 采場結(jié)構(gòu)及點柱留設(shè)

4.4 合理處理采空區(qū)

采空區(qū)的合理處理，可以有效地控制采場地壓，減緩巖層移動和地表下沉程度，是控制地壓治理最好、最有效、最簡捷的方法［7］。為此，制定了放礦、充填順序和計劃，并切實按制定的采空區(qū)放礦、充填順序和計劃組織實施，進一步完善井下充填系統(tǒng)，加大了充填力度，從根本上預(yù)防地壓災(zāi)害。

4.4.1 對337以上中段采空區(qū)治理

根據(jù)采空區(qū)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用不同的充填方式。

（1）框架式結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地段的采空區(qū)。上部中段框架式結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地段的采空區(qū)，由于地壓等因素的影響，支撐采空區(qū)的礦柱已經(jīng)處在很不穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)附近巷道已經(jīng)遭到破壞，采用廢石充填將無法實現(xiàn)，設(shè)計采用強制揭頂進行充填。

強制揭頂是對支撐采空區(qū)的礦柱（包括頂、底、間柱）按爆破設(shè)計要求分別施工相應(yīng)的爆破硐室，再進行中孔或中深孔施工，然后組織實施爆破。強制揭頂要求每處理一個采空區(qū)，頂、底、間柱必須同時實行爆破。爆破之后，頂、底、間柱礦渣即充填進入采空區(qū)，同時，上部中段部分礦渣也進入采空區(qū)。

（2）框架式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地段的采空區(qū)。上部中段框架式結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定地段的采空區(qū)，設(shè)計采用削壁充填、廢石充填的方式進行處理。由于這部分采空區(qū)的框架式結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，充填的目的是進一步確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，以免采空區(qū)遺留時間過長和地壓因素的影響而對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

削壁充填是在采空區(qū)上盤的圍巖中施工爆破硐室，對圍巖實施爆破，將圍巖爆破之后充填進入采空區(qū)，以達到充填采空區(qū)的目的。削壁充填、廢石充填對某些采空區(qū)需同時采用。

（3）對局部地段進行加固處理（如337中段103線穿南，337中段103～101線V205巷道和286中段103線V207巷道等地段），保證巖體的穩(wěn)定。

（4）在部分采場已與地表相通位置建立防洪工程，防止地表洪水大量匯入井下采空區(qū)，為礦山生產(chǎn)提供必要的安全保障。

4.4.2 286中段采空區(qū)的治理

由于337中段部分地段框架式結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，加之局部地段進行加固處理，邊部還有些礦塊雖不能進行機采，但適用于殘礦回收。因此采用淺孔留礦采礦法中削壁充填法進行殘礦回收，將掘進廢石和采場多余廢石充填286中段采空區(qū)，以達到對286中段進行充填的目的。

4.4.3 286中段以下采空區(qū)的治理

對于下部中段的空區(qū)而言，由于其距地表較遠，只要采取適當(dāng)措施，保證礦柱不被破壞，保持空區(qū)穩(wěn)定，將不會對地表塌陷區(qū)產(chǎn)生影響。為了保證正常采礦工作、使空區(qū)治理與礦山生產(chǎn)有機結(jié)合，礦塊設(shè)計時要求每個采場有采空區(qū)充填內(nèi)容，并完善充填巷道口，規(guī)定每15～20m間掘進一充填口，并增大礦柱尺寸，以增加礦柱的承載能力；采空區(qū)采用廢石充填，充填料經(jīng)礦區(qū)的提升系統(tǒng)運至各充填井進行充填，做到掘進廢石全部充填采空區(qū)，廢石不出窿，要求重點采場充填率必須達到70％，其他采場充填率必須達到60％。

4.5 注重地表重點地段的穩(wěn)定性觀測

左拔礦區(qū)礦體下部采空區(qū)穩(wěn)定與否直接關(guān)系到上部隔離層的安全以及下部回采的生產(chǎn)安全，同時決定著上部空區(qū)的穩(wěn)定性。地表重點地段的穩(wěn)定性則直接關(guān)系到礦區(qū)人員的安全，對該礦區(qū)巖體的穩(wěn)定有著直接的影響。因此對這些區(qū)域的穩(wěn)定性實施有效的監(jiān)測預(yù)報是至關(guān)重要的。為此，不斷完善以礦區(qū)巖移與采空區(qū)穩(wěn)定性為主的地壓觀測系統(tǒng)，采用巖體聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對地表重要區(qū)段、井下重要位置的巖體活動情況全方位實時監(jiān)測，并對337、286中段103線等主要地壓活動區(qū)域，增設(shè)位移測量點、增加木滑尺措施，做到木滑尺天天觀察、位移測量點定時測量（一個月測量一次），做好地壓觀測日報工作，及時匯報異常情況。對采區(qū)進行動態(tài)分析，提供有關(guān)參數(shù)和優(yōu)化方案，以便及時采取有效措施進行處理，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

5 結(jié)語

通過對井下深部礦體采礦方法的改進，調(diào)整礦區(qū)開采順序，預(yù)留永久保安礦柱、點柱和對采空區(qū)的處理，使地壓活動得到了有效控制，保證了礦區(qū)的安全生產(chǎn)，同時，企業(yè)還多回收了礦產(chǎn)資源，做到掘進廢石不出窿，這樣不僅節(jié)省了廢石出窿費，還節(jié)省了資源補償費用和廢石堆放征地費等，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益、社會效益與環(huán)境效益。這一研究成果，給其他礦山在地壓控制方面有很好的借鑒和指導(dǎo)意義，對于類似礦山具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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