對石膏礦山頂板控制機(jī)理的探討

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(太原西山石膏礦，山西 太原 030027)

引言

頂板控制與采空區(qū)處理是目前石膏礦山地下開采面臨的重大技術(shù)課題。近年來，國內(nèi)石膏礦山地下開采局部頂板冒落、采空區(qū)大面積坍塌事故時(shí)有發(fā)生，究其原因，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)采礦方法不合理；穿越地壓活動區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域；礦柱被破壞；采場礦柱設(shè)計(jì)不合理或保護(hù)不夠完好；在應(yīng)該進(jìn)行支護(hù)的井巷未設(shè)支護(hù)或支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，遇到新的地質(zhì)構(gòu)造未及時(shí)采取措施；采場或巷道施工工藝不合理；采場或巷道施工時(shí)違章作業(yè)；遇到新的巖石而沒有按巖性進(jìn)行施工；爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不合理；爆破工序不合理；爆破施工時(shí)違章作業(yè)；地下水作用、巖石風(fēng)化等。

(2)開采同一礦體相鄰礦山時(shí)開采范圍重疊；或相鄰兩礦山開采邊界范圍無隔離保護(hù)礦柱。

(3)采空區(qū)未及時(shí)進(jìn)行處理，局部礦柱承受的地壓超過本身支撐地壓而發(fā)生破壞，使得地壓應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，引發(fā)其他礦柱發(fā)生破壞，造成大范圍冒頂塌陷事件。

客觀來講，石膏礦山地下頂板局部冒落和采空區(qū)大規(guī)模坍塌問題，實(shí)質(zhì)上是礦山地下開采中如何控制地壓應(yīng)力動態(tài)平衡的技術(shù)問題。

本文結(jié)合筆者多年來從事石膏礦山生產(chǎn)技術(shù)及開采的經(jīng)驗(yàn)，就如何在開采中控制頂板和采空區(qū)處理的問題進(jìn)行探討。

1 頂板冒落和采空區(qū)坍塌的影響因素

1.1 地質(zhì)條件的影響

地質(zhì)條件變化不但影響礦井資源回采率，同時(shí)對地下礦山的生產(chǎn)安全秩序造成直接威脅。從近年來國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局對非煤礦山發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析看，大部分事故發(fā)生在頂板冒落和采空區(qū)大面積坍塌上，而頂板冒落和采空區(qū)大面積坍塌的原因與礦體地質(zhì)條件有著極其密切的關(guān)系。因?yàn)榈V山開采礦體及其周圍的圍巖都是經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的，其間經(jīng)歷了許多次地殼升降和水平運(yùn)動，改變了原生沉積礦體的狀態(tài)，產(chǎn)生傾斜、斷裂、皺褶、裂隙等，加之后期風(fēng)化和地下水運(yùn)動的影響，使得礦體的連續(xù)性、結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。

1.2 礦體物理力學(xué)性質(zhì)及賦存條件的變化

礦體物理力學(xué)性質(zhì)決定礦體特征。礦體賦存條件包括：礦體厚度、礦體傾角、礦體埋藏深度、礦體頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)及直接頂板厚度等。礦體賦存條件決定了礦山開采的難易程度和開采的方式方法，對礦山開采中的頂板控制和采空區(qū)處理起著至關(guān)重要的作用。

1.3 動態(tài)地壓的影響

隨著礦山開采深度的不斷延伸、開采范圍的不斷擴(kuò)大，礦山地壓應(yīng)力始終處在一個(gè)不斷發(fā)生、不斷轉(zhuǎn)移的動態(tài)平衡過程中，因此，若開采順序或方法不合理，均可能造成礦山地壓的失衡。地壓失衡就可能導(dǎo)致整體礦山頂板失控而發(fā)生局部采場頂板冒落和采空區(qū)大面積坍塌。

1.4 開采方法的影響

礦山生產(chǎn)過程中由于開采順序、開采工藝不同，礦山地壓也顯現(xiàn)不同。這些因素可能直接影響到頂板控制和后期采空區(qū)的處理。因此，在開采中應(yīng)按照開采設(shè)計(jì)的順序進(jìn)行開采，同時(shí)要防止開采過程中造成礦柱、頂板護(hù)頂層破壞。

2 頂板冒落的形式

石膏礦山頂板破壞形式可歸納為以下3類：

(1)局部冒落。局部冒落往往是受局部地質(zhì)影響、地層雜亂或地層缺失、頂板厚度不夠以及鑿巖、放炮過程中穿過護(hù)頂層或者爆破參數(shù)不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐傻?，一般冒落范圍不大?/p>

(2)開采礦房過程中頂板整體一次冒落。其原因主要有：設(shè)計(jì)不合理；開采過程中未按照技術(shù)規(guī)程操作，破壞了頂板護(hù)頂?shù)V層結(jié)構(gòu)或者護(hù)頂?shù)V原生未沉積或后期層位缺失；礦柱之間跨步距超過護(hù)頂?shù)V承載能力，造成礦房頂板整體冒落。

(3)大規(guī)模采空區(qū)坍塌。對開采數(shù)十年的石膏礦山，由于開采時(shí)限長，陸續(xù)出現(xiàn)了不同程度的采空區(qū)，后期因開采產(chǎn)生的地壓對礦柱的作用以及風(fēng)化、礦巖重新結(jié)晶等多方面的相互作用，致使礦柱遭致嚴(yán)重破壞，頂板失去支撐，以致造成頂板大面積坍塌。

3 頂板控制方法

(1)根據(jù)礦山地質(zhì)、礦體及圍巖賦存條件，確定開采礦體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)結(jié)合采場局部地質(zhì)、礦體變化情況，合理確定和調(diào)整開采礦房跨頂距、礦柱寬度。

(3)合理安排開采順序，減少地壓對頂板的影響。

(4)及時(shí)處理采空區(qū)，防止因采空區(qū)面積過大而導(dǎo)致整體礦山地壓增大，造成頂板控制失控。

4 西山石膏礦頂板控制特點(diǎn)

4.1 地質(zhì)情況

西山石膏礦位于中朝地臺華北地塊，山西臺背斜北部呂梁山、五臺山之古老窿起之間的汾河地塹之血沿，也即呂梁山古老窿起之東沿。由于礦山在汾河地塹邊沿，故受地塹影響而生成斷層頗多，對礦體影響較大。

4.2 開采方法

西山石膏礦是一個(gè)老礦山，目前有2個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)礦井，開采膏組為奧陶系中統(tǒng)峰峰組，為湖泊相沉積礦床。在含膏巖段中以中間灰?guī)r相隔，劃分為上、下兩個(gè)含膏巖帶。上石膏巖帶又可分為3個(gè)礦組，3個(gè)礦組根據(jù)不同水平分別進(jìn)行開采。其中上石膏帶1礦組石膏質(zhì)量好，單礦組厚度平均為11 m左右，礦體呈層狀，上下圍巖以白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r為主，巖性力學(xué)強(qiáng)度為中等。在開采中采用房柱式開采，并采用二次分層開采的方法，先拉底再挑頂，一次拉底開采后，護(hù)頂?shù)V以白云質(zhì)石膏作為頂板，厚度為0.3～0.5 m，底板是泥灰?guī)r；挑頂后護(hù)頂?shù)V是以第二層石膏作為護(hù)頂，厚度為0.5～1.0 m。在開采中若無構(gòu)造變化，一般是每開采10 m，留存8 m；如果地質(zhì)發(fā)生變化或?qū)游蝗笔?，?yīng)根據(jù)構(gòu)造巖性變化情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。主運(yùn)輸巷、盤區(qū)運(yùn)輸巷兩旁留有10 m保安礦柱，盤區(qū)內(nèi)的房間、礦柱為間隔排列；每間隔5個(gè)礦房留設(shè)10 m的連續(xù)礦柱，以免影響其他采區(qū)的開采安全，同時(shí)為后續(xù)采空區(qū)放頂和下部的開采創(chuàng)造有利條件。

5 其他問題

5.1 采場地壓管理方式及特點(diǎn)

房柱式開采一般以盤區(qū)式單元進(jìn)行回采。開采的空間是以周圍的保安礦柱、盤區(qū)內(nèi)礦柱及預(yù)留的石膏護(hù)頂層來維持采場平衡；至于礦房間跨頂距、礦柱大小需經(jīng)過計(jì)算留設(shè)，計(jì)算依據(jù)是上部巖層的覆重、礦體及頂板圍巖力學(xué)性質(zhì)，采用均壓理論確定開采礦房、留設(shè)礦柱的規(guī)格。

5.2 采空區(qū)管理與礦山地壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)

由于石膏礦石價(jià)格低廉，在礦山開采中遺留下的大量老采空區(qū)未做任何處理。新、老采空區(qū)的形成，無形中對整體礦山地壓以及頂板控制和下礦組開采造成許多不確定因素，因此，應(yīng)根據(jù)礦山地壓的活動特點(diǎn)，積極進(jìn)行采空區(qū)處理，放頂卸壓，以減少地壓對開采造成的不利影響。

5.3 采空區(qū)處理方案

采空區(qū)的處理應(yīng)根據(jù)采空區(qū)范圍、礦柱大小、規(guī)格、構(gòu)造情況，分別劃分不同的幾個(gè)片區(qū)，并按片區(qū)的具體位置合理安排處理順序。對石膏礦多年采空區(qū)的處理，整體上看采用后退式處理。片壓劃分原則為：

(1)放頂跨距大于直接頂板的最小跨距。

(2)采空區(qū)內(nèi)有斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，充分利用構(gòu)造弱面作為放頂邊界。

(3)選擇有足夠支撐能力的礦柱作為放頂界的隔離帶，其支撐能力應(yīng)達(dá)到放頂前原巖壓力的3～4倍(進(jìn)行原巖壓力計(jì)算)。

(4)考慮放頂產(chǎn)生的沖擊氣流及巖層垮落振動對相鄰采空區(qū)的影響，一次放頂面積不宜確定過大。

(5)放頂采空區(qū)的幾何形狀與頂板垮落有密切關(guān)系，方形和矩形有利于崩落，應(yīng)充分加以利用。

6 結(jié)語

合理的礦塊技術(shù)參數(shù)、開采順序和開采方法，在地下礦山開采中能減小地壓的影響，并能起到良好的控制頂板的作用。及時(shí)對采空區(qū)進(jìn)行放頂卸壓處理，減小采空區(qū)規(guī)模，同樣能降低地壓活動對礦山開采造成的影響，同時(shí)為下一水平的開采創(chuàng)造有利條件。