井下落盤區(qū)地壓成因及殘礦回采方法探討

王 洋

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南 冷水江市 417500)

錫礦山銻礦田由飛水巖、童家院、老礦山、物華4個礦床組成。錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司采選廠主要開采童家院礦床，該礦床主要采用人工壁柱房柱法開采。1980年代初期至1990年代中期，童家院礦床三中段129～185采場在回采過程中，由于礦壁結(jié)束回采，采用膠結(jié)材料充填采空區(qū)形成的人工壁柱沒有充分接頂承壓，絕大部礦房拉開后，導(dǎo)致整個區(qū)域多個采區(qū)頂板連續(xù)大面積暴露，以致出現(xiàn)區(qū)域頂板整體下沉，多個采場在近半年時間內(nèi)出現(xiàn)頂板整體落盤。為了迅速控制區(qū)域地壓活動急劇發(fā)展，對落盤的采場進(jìn)行了尾礦充填處理，造成了大量高品位礦石無法出窿。目前，該區(qū)域地壓活動已趨于平穩(wěn)，研究該區(qū)域落盤區(qū)地壓成因，尋求安全有效的殘礦回采工藝和方法，對于合理綜合利用礦產(chǎn)資源具有非常重大的意義。

1 地質(zhì)概況

錫礦山銻礦屬低溫?zé)嵋?、以充填為主伴隨交代的硫化銻礦床。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為一復(fù)式背斜，礦床產(chǎn)于背斜軸兩端傾伏部位，賦存于厚層頁巖之下的硅化灰?guī)r中，呈似層狀產(chǎn)出，從上至下有3個主要含礦層。礦體頂板有厚層頁巖、黑色薄層頁巖或頁巖互層、破碎炭質(zhì)頁巖三大類，前兩類頁巖不穩(wěn)固，破碎炭質(zhì)頁巖極不穩(wěn)固。礦體底板為硅化灰?guī)r或灰?guī)r，穩(wěn)固性好。礦體厚度1～30 m不等。一般傾角為10°～20°，局部達(dá)到35°～45°，穩(wěn)固性較好，是一典型的緩傾斜礦床。

童家院礦床三中段129～185采礦體屬Ⅱ號礦體，產(chǎn)于人字型分枝斷裂下盤，沿走向長約250 m，沿傾向長40～120 m不等，傾角10°～20°。頂板為薄層頁巖及斷裂帶頁巖，不穩(wěn)固；底板為硅化灰?guī)r，局部有溶洞，穩(wěn)固。該區(qū)域斷裂主要是F3斷裂，其走向NE30°～50°，與礦體走向基本一致，傾向NW，傾角35°～45°，屬張扭性斷裂。斷裂帶厚度一般為0.8～1.0 m，局部厚達(dá)2 m，斷裂中夾有硅化角礫巖和頁巖。其次是走向NE 60°～85°，傾向NW，傾角60°～80°的小斷裂構(gòu)造和較發(fā)育的NE向節(jié)理。

2 采礦方法

2.1 礦塊構(gòu)成要求

礦塊垂直走向布置，每60～70 m劃分為一個采(盤)區(qū)。礦塊分為礦壁和礦房，分兩步間隔式回采，先采礦壁，采后膠結(jié)充填采空區(qū)形成人工壁柱，取代原生礦壁，再采礦房，采后用塊石或尾礦充填采空區(qū)，回采過程中視頂板穩(wěn)固情況決定是否留護(hù)頂，礦塊寬度為8～10 m，一次回采高度為8～10 m。

2.2 采準(zhǔn)切割工程布置

采區(qū)運輸平巷為環(huán)形式，沿走向布置在礦體下盤中，斷面為2.6 m×2.8 m，巷道頂板距采場底板超過6 m。采準(zhǔn)上山位于礦塊中央，沿礦體下盤掘進(jìn)，與上部回風(fēng)與充填道貫通，作為人行、通風(fēng)和拉底自由面之用，斷面2 m×2 m。電耙硐室位于采準(zhǔn)上山的下端，規(guī)格為2 m×2 m×3 m。由采區(qū)運輸?shù)赖囊粋?cè)掘漏斗連通切割巷道。

2.3 回采工藝

在一個采區(qū)內(nèi)，按前進(jìn)式先采礦壁，采空區(qū)采用膠結(jié)材料充填，待兩壁充填體達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，再采中間的礦房，采后用尾礦或塊石進(jìn)行非膠結(jié)充填。

回采工作以切巷和采準(zhǔn)上山為自由面，用淺孔落礦方法進(jìn)行回采。一次回采高度為2.5～3 m。鑿巖采用YG-40型或YT—27型鉆機(jī)，沿工作面全寬布置平行炮孔。爆破采用2號巖石乳化炸藥，用非電導(dǎo)爆管半秒差延期雷管并聯(lián)一次起爆。

礦石搬運采用2PDT-30型電耙絞車把礦石扒入漏斗，再用礦車從漏斗裝運至礦倉提升至地面選礦場。

2.4 充填作業(yè)

膠結(jié)充填作業(yè)由采場頂部充填運道經(jīng)采場上部回風(fēng)巷向采場輸送塊石，用電耙絞車扒平，塊石充填厚度達(dá)到2 m后，停止倒塊石，開始澆灌膠結(jié)砂漿，在采場用電耙再次扒平塊石與砂漿，直至充滿采場。

非膠結(jié)充填作業(yè)是通過采場回風(fēng)巷輸送塊石或分級尾礦，采用逐步后退接頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行充填工作。

3 地壓顯現(xiàn)特征及成因分析

3.1 地壓顯現(xiàn)特征

童家院礦床三中段129～185采區(qū)域沿走向長約250 m，采場按奇數(shù)編號，共29個采場。該區(qū)域1982年開始回采，至1994年4月，除129采與185采未回采外，其中的礦壁已全部回采并進(jìn)行了膠結(jié)充填，礦房大部分回采并進(jìn)行了塊石與尾礦充填，剩下的礦房正在回采。該區(qū)域采用塊石膠結(jié)充填工藝，由于采用電耙扒運，最上一層沒有充分接頂承壓，導(dǎo)致采場頂板連續(xù)大面積長期暴露，連續(xù)暴露面積達(dá)2.14萬m2，造成整個區(qū)域頂板整體下沉，其充填道頂板巖移觀測點總下沉量最大達(dá)340.6 mm，下沉速度最大為0.64 mm/d。173采采場拉底過程中，充填體一出露即坍落，兩壁坍落厚度均約有2 m，且一直落到礦壁頂板。該采場拉底將近結(jié)束時，頂板出現(xiàn)整層大冒落，冒落厚度近6 m，造成采場無法回采，各作業(yè)采場地壓現(xiàn)象和特征見表1。

3.2 地壓成因分析

采空區(qū)巖體的整體失穩(wěn)，既不是其中某個單元的破壞，也不是所有的單元同時進(jìn)入破壞狀態(tài)，而是巖體中一系列相鄰單元的相繼破壞，在整個區(qū)域內(nèi)形成貫通破裂面，并沿此面發(fā)生滑移所造成的。巖體從局部破壞發(fā)展到整體破壞的整個變形過程中，首先是巖體介質(zhì)屈服面不斷發(fā)展，應(yīng)力不斷調(diào)整和重新分布的過程，其中伴隨著裂縫的發(fā)生、發(fā)展，從而造成巖體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

童家院礦床三中段129～185采區(qū)域出現(xiàn)劇烈地壓活動，主要影響因素為采空區(qū)的大小和形態(tài)的影響、構(gòu)造弱面的影響、頂板暴露時間的影響、空區(qū)處理的質(zhì)量因素影響。

表1 各作業(yè)采場地壓現(xiàn)象和特征

(1) 采空區(qū)的大小和形態(tài)影響。采空區(qū)的大小和形態(tài)對采空區(qū)的穩(wěn)定性有直接影響。該區(qū)域回采設(shè)計時，一般60～70 m劃分為一個采區(qū)，采用前進(jìn)式開采，一個采區(qū)的采礦、出礦、充填作業(yè)全部結(jié)束后，再繼續(xù)向前回采下一個采區(qū)，回采是安全可靠的。由于該區(qū)域礦體厚，回采周期長，造成多個采區(qū)同時作業(yè)，擴(kuò)大了采空區(qū)的連續(xù)暴露面積，從1982年開始回采，至1994年4月，該區(qū)域頂板連續(xù)暴露面積達(dá)到了2.14萬m2，采場頂板連續(xù)大面積長期暴露，是形成劇烈地壓活動的重要因素。

(2) 構(gòu)造弱面的影響。礦層圍巖為硅化灰?guī)r，一般質(zhì)地堅硬，穩(wěn)定性好，但是F3號斷層和F219號斷層附近，破碎嚴(yán)重，致使巖石不穩(wěn)定，較容易產(chǎn)生冒落。另外，上覆于礦層的化石層，節(jié)理發(fā)育，在與硅化灰?guī)r的接觸處巖石受到風(fēng)化時，很容易冒頂片幫。

(3) 頂板暴露時間的影響。采空區(qū)頂板在長期的載荷作用下，離層破壞向深處發(fā)展，出現(xiàn)地壓活動的危險性就大。該區(qū)域有5個采場在1993年11份至1994年4月份這半年時間內(nèi)，相繼發(fā)生頂板落盤，實踐表明，該區(qū)域從1982年開始大規(guī)模開采，到1994年出現(xiàn)頂板大規(guī)模冒落，頂板暴露時間長達(dá)12 a,達(dá)到了極限。

(4) 空區(qū)處理的質(zhì)量因素。空區(qū)處理的好壞直接影響到空區(qū)的穩(wěn)定性。如果礦壁普遍結(jié)束回采，礦房普遍拉開，若礦壁采后膠結(jié)充填形成的人工壁柱沒有充分接頂或承壓狀態(tài)差，不能保證礦房回采過程中起到支撐頂板的作用，最終導(dǎo)致頂板的連續(xù)暴露，形成應(yīng)力增高壓，影響周圍巖體的穩(wěn)定。實踐表明，173采在開采之前，129～173采間礦壁、礦房已采空，129采、173采做為原生礦柱支撐整個空區(qū)頂板的大部分巖體重量，巖體應(yīng)力已集中在129、173采附近，173采拉底后，采場兩側(cè)充填體即出現(xiàn)大片坍落，頂板大面積冒落。很顯然，173采由于地應(yīng)力集中，巖體已遭受嚴(yán)重破壞，一經(jīng)開采，即出現(xiàn)冒頂片幫。

4 殘礦回采方法探討

童家院礦床三中段129～185采區(qū)域因劇烈地壓活動，致使141采、145采、161采、173采、177采等礦房采場在回采和出礦過程中出現(xiàn)頂板冒落，損失了大量礦量，目前該區(qū)域出現(xiàn)地壓活動的時間距今將近20 a，地壓活動已趨于穩(wěn)定，探討該區(qū)域的殘留積礦回采是很有必要的。

對于因地壓引起頂板冒落的采場殘留積礦的回采方法，南礦曾嘗試采用底盤漏斗自然崩落放礦法回收，因礦石塊度不一，礦石不能按計劃放出，試驗沒有取得成功，作者認(rèn)為宜采用穩(wěn)妥的預(yù)控頂尾礦似膏體充填采礦法。

4.1 采礦方法

在待回采殘礦的采場下端重掘漏斗至采場頂板，布置切巷與相鄰采場重掘的上山通路相連，自采場下端逆傾向掘進(jìn)天井與原充填道相連，形成出礦、人行、通風(fēng)、充填系統(tǒng)。先回采頂層，回采前，在其天井頂板上預(yù)安設(shè)長錨索，隨回采工作面推進(jìn)及時安設(shè)錨桿，然后，沿傾斜方向逐段掛網(wǎng)、噴漿護(hù)頂。當(dāng)?shù)V房頂層頂板加固工作完成后，再分層回采下部積礦，采后隨即用尾礦似膏體充填空區(qū)。

4.2 頂板控制技術(shù)

4.2.1 頂板控制方案

該區(qū)域頂板落盤歷經(jīng)近20 a，頂板可能會出現(xiàn)離層松動，極不穩(wěn)固，回采前，為做到萬無一失，采用長錨索、短錨桿、金屬網(wǎng)和噴漿聯(lián)合護(hù)頂方案，本方案的實質(zhì)是先在頂層先進(jìn)天井預(yù)安設(shè)長錨索和短錨桿，長錨索的長度依據(jù)頂板的離層厚度確定，但不小于6 m，錨桿長度2 m，然后隨著頂層回采工作面的推進(jìn)，安設(shè)網(wǎng)度1 m×1 m的錨桿，每推進(jìn)10 m再布設(shè)金屬網(wǎng)噴漿。

4.2.2 錨索錨桿結(jié)構(gòu)參數(shù)與支護(hù)參數(shù)

長錨索結(jié)構(gòu)由鉆孔、錨頭、水泥砂漿、鋼絲繩、注漿管、封孔木塞或水泥、排氣管組成。鋼繩采用經(jīng)去銹除油處理的Ф31 mm或Ф22 mm的舊提升鋼繩。錨頭是一個由6～8根鋼絲繩彎成的倒鉤，倒鉤長10～15 mm。排氣管是一根內(nèi)徑5 mm，外徑7～5 mm的聚氯乙烯塑料管、孔口采用封孔木塞或水泥砂漿堵塞，封孔塞為一留有排氣管孔和注漿管孔的圓木塞。

錨桿采用水泥藥卷錨桿，長2 m,網(wǎng)度1 m×1 m；長錨索長度為6.0 m，網(wǎng)度為2.0 m×1.5 m ；鋼筋網(wǎng)網(wǎng)度為0.2 m×0.2 m。

4.3 空區(qū)處理

空區(qū)采用分級尾礦似膏體非膠結(jié)充填，分級尾礦質(zhì)量濃度為74%～76%，用管道從采場上部充填道輸送至空區(qū)。

4.4 回采安全監(jiān)測與預(yù)報

為了及時掌握回采過程中采場壓力的顯現(xiàn)特征，為采場安全生產(chǎn)服務(wù)，在落盤區(qū)沿走向和傾向共布設(shè)3條觀測線，采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、位移計和測桿等進(jìn)行觀測。監(jiān)測內(nèi)容包括頂板沉降、頂?shù)装迨諗?、巖體聲發(fā)射頻度、頂板巖層的離層和應(yīng)變參數(shù)，及時為殘礦回采安全作出準(zhǔn)確預(yù)報。

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