某金屬礦井下地壓活動分析及地壓控制措施研究

黃 敏，賀小慶，吳亞斌，黃英華(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；.陜西太白黃金礦業(yè)有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

某金屬礦井下地壓活動分析及地壓控制措施研究

黃 敏1，2，賀小慶3，吳亞斌1，2，黃英華1，2
(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；3.陜西太白黃金礦業(yè)有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

金屬礦山地下開采容易造成局部地壓活動顯現(xiàn)，而頻繁的地壓活動容易對井下圍巖及生產(chǎn)設(shè)備造成破壞，對安全生產(chǎn)構(gòu)成一定的威脅。通過礦山開采現(xiàn)狀及井下地壓活動的表現(xiàn)形式，從巖體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造弱面、采空區(qū)、無序開采及爆破震動等方面分析礦區(qū)地壓活動產(chǎn)生的原因及規(guī)律，并針對各影響因素提出了相應(yīng)的地壓活動控制措施，可有效控制地壓活動現(xiàn)象，對礦山地壓管理及保證礦山安全開采具有一定的指導(dǎo)作用。

地壓活動；地質(zhì)構(gòu)造；采空區(qū)；無序開采；爆破震動

礦山回采后在巖體內(nèi)形成眾多連續(xù)或非連續(xù)的大量采空區(qū)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力隨著空區(qū)形成過程而重新分布，巖體開挖后產(chǎn)生的次生應(yīng)力場使巷道或采區(qū)周圍的巖石發(fā)生變形和移動[1-5]。隨著空區(qū)的逐步擴大，采區(qū)圍巖巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象及地壓活動顯現(xiàn)的可能性逐漸增大，地應(yīng)力的變化往往會在巖體軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面處造成圍巖破壞，容易產(chǎn)生規(guī)模性巖移地壓活動，直接影響礦山巷道工程的布置及其穩(wěn)定性，并影響礦山安全生產(chǎn)，使礦山存在一定的安全隱患[6-9]。為消除這一安全隱患，保證安全生產(chǎn)，必須找出符合實際的地壓活動原因，詳細分析地壓活動規(guī)律并采取地壓控制措施，有效減少或避免地壓危害[10-16]。

1 工程概況

某鎢礦采用地下開采方式，全面留礦法采礦，開采礦體主要為Ⅱ11號礦體，井下采用豎井+主平硐+盲斜井聯(lián)合開拓方式，各中段高度為30～60 m不等，形成+340 m、+310 m、+250 m、+200 m、+160 m等中段。目前+200 m中段、+160 m中段正進行開拓、采準，其余各中段均為生產(chǎn)中段。+200 m中段僅有民采遺留空區(qū)，且大部分剛拉開未進行大規(guī)?；夭苫顒?，無新生產(chǎn)采場。目前已回采結(jié)束的采場共16個，生產(chǎn)采場共20個，圍巖普遍為矽卡巖和灰?guī)r。井下采空區(qū)規(guī)模較大，最大跨度超過50 m，空區(qū)連成片，部分預(yù)留礦柱已回收，頂板暴露面積較大。

井下工程地質(zhì)條件屬簡單-中等類型，礦區(qū)位于新田嶺花崗巖體北端東側(cè)，屬于區(qū)域掛板山復(fù)式背斜之次級丹鳳坪復(fù)式背斜的東翼，軸向NNE-SSW，組成該背斜的地層主要為下石炭統(tǒng)石磴子段和測水段。地層產(chǎn)狀較平緩，傾角在20～40°之間。礦區(qū)內(nèi)未見大的斷層，礦段北部有F16和F17兩條斷層，礦段東部的F19為一小型正斷層。礦區(qū)巖層中發(fā)育四組節(jié)理，以SN向、NE向、EW向節(jié)理為主，NW向節(jié)理次之。

礦區(qū)資源儲量豐富，礦石品位較高，但井下采空區(qū)錯綜復(fù)雜，采空區(qū)跨度、頂板暴露面積較大，圍巖較破碎，局部地壓活動顯現(xiàn)。目前礦區(qū)井下采場穩(wěn)定性狀況不明，如何進行回收已成為影響礦山資源安全高效回收利用的重要課題。對開采歷史及現(xiàn)狀情況進行整理分析，對井下現(xiàn)場地壓活動和采空區(qū)狀況進行詳細調(diào)查，主要針對井下采場地壓活動進行分析和研究，明確采空區(qū)地壓活動原因，并提出相應(yīng)的穩(wěn)定性控制技術(shù)措施，為礦山安全生產(chǎn)決策提供技術(shù)支撐。

2 地壓活動表現(xiàn)形式

采場地壓不同于隧道、水電、鐵路等地下工程開挖后產(chǎn)生的地壓現(xiàn)象，采場地壓具有顯現(xiàn)劇烈，波及范圍大，活動規(guī)律難于認識等突出特點。礦山生產(chǎn)過程中，由于井下開采范圍不斷擴大，開采空間形態(tài)極其復(fù)雜，隨著開采工作的進行，空區(qū)規(guī)模和形態(tài)又不斷變化，巖體受到多次重復(fù)擾動，原巖應(yīng)力重分布，部分區(qū)域應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的受力狀態(tài)。根據(jù)井下工程實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦山井巷圍巖穩(wěn)定性較好，采場頂板及側(cè)幫巖體穩(wěn)定性較差。井下圍巖特征面如圖1所示。

圖1 井下圍巖特征面

采場地壓活動從顯現(xiàn)區(qū)域和影響范圍上一般可分為大面積地壓活動和局部地壓活動兩種。大面積地壓活動發(fā)生時，影響區(qū)域和危害性極大，可以影響礦區(qū)大部分區(qū)域或整個礦區(qū)，甚至波及地表，嚴重破壞生產(chǎn)系統(tǒng)。局部地壓活動發(fā)生范圍面小，可能是個別采場或幾個采場，也可能是巷道的某一地段，多發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域、礦體轉(zhuǎn)折區(qū)段、未處理的采空區(qū)及空區(qū)周邊小區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)資料可知，小板垅工區(qū)原巖應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，無大范圍區(qū)域性水平構(gòu)造應(yīng)力，大面地壓活動不明顯，以局部地壓活動為主，主要表現(xiàn)在采場應(yīng)力集中或釋放區(qū)的巖體破壞。

根據(jù)礦山地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)16斷層出露于礦段西北角，F(xiàn)17斷層出露于礦段北部勘探線10～13之間，傾向E，傾角40～60°，F(xiàn)19斷層出露于礦段東部，傾向NW，傾角約50°，斷層對目前礦體開采無影響。通過工程地質(zhì)調(diào)查及巖體質(zhì)量評價可知，礦、圍巖原生結(jié)構(gòu)面發(fā)育，均屬Ⅲ級中等質(zhì)量巖體。隨著回采活動的進行，采空區(qū)逐漸擴大，在采空區(qū)頂板及側(cè)幫巖體的原生結(jié)構(gòu)面普遍出現(xiàn)張開度增大、結(jié)構(gòu)面相互貫通等情況，對采空區(qū)穩(wěn)定性十分不利。

經(jīng)過多年民采和大規(guī)?；夭苫顒?，井下采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，雖然井下并未出現(xiàn)大面積的地壓活動，但在局部出現(xiàn)頂板巖層冒落、開裂或片幫等現(xiàn)象。

3 地壓活動原因分析

導(dǎo)致礦山地壓活動的原因是多方面的，如礦體賦存狀況、工程地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境以及回采方式等諸多因素。通過現(xiàn)場調(diào)查與分析研究，造成該金屬礦井下地壓活動的主要原因有以下幾個方面。

1)巖體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造弱面。地質(zhì)構(gòu)造是影響井下地壓活動的重要因素，又以構(gòu)造及巖性為關(guān)鍵因素。大型連續(xù)結(jié)構(gòu)弱面(如斷層、破碎帶等)成為巖體移動邊界的切割面或滑動面。礦區(qū)內(nèi)大的斷裂構(gòu)造比較少，但小的斷裂構(gòu)造較多，局部節(jié)理、層理，裂隙較發(fā)育。由于巖體內(nèi)存在節(jié)理、層理、裂隙，大大地降低了巖體強度，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生移動，加速了地壓活動劇烈程度及擴大了地壓活動范圍。如果地質(zhì)構(gòu)造弱面存在于采空區(qū)中央部位，該處就很可能成為產(chǎn)生災(zāi)害性地壓活動的爆發(fā)點。井下眾多空區(qū)頂板、側(cè)幫局部剝離現(xiàn)象就是因為巖體內(nèi)部原生節(jié)理或裂隙的存在所導(dǎo)致，均受地質(zhì)弱面所控制。同時，礦山圍巖層理較多且層理面光滑，采空區(qū)頂板巖層更容易冒落。

2)采空區(qū)因素。礦山回采后存在大量采空區(qū)，空區(qū)體積大且未經(jīng)及時處理。空區(qū)形成過程導(dǎo)致巖體的應(yīng)力重新分布，巖體由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，采空區(qū)穩(wěn)定性降低，并且為巖層移動提供了自由空間，采區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性增大，地應(yīng)力的變化往往會在巖體結(jié)構(gòu)面交切處或圍巖松軟區(qū)段形成突破口，產(chǎn)生規(guī)模性巖移地壓活動，尤其會在井下大范圍采空區(qū)周邊的應(yīng)力集中或釋放區(qū)域表現(xiàn)的更加明顯。

3)無序開采。根據(jù)礦山地質(zhì)構(gòu)造等條件，初步判斷礦山地應(yīng)力以巖層自重應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力微弱。由于礦山由多加民企整合而成，部分老采空區(qū)未合理開采，引起采區(qū)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。早期開采時，井下多家生產(chǎn)企業(yè)分區(qū)采礦，同時生產(chǎn)作業(yè)，采區(qū)開采無規(guī)劃，開采順序混亂，基本上都是見礦采礦作業(yè)方式。留設(shè)的原生礦柱作為采空區(qū)內(nèi)部的一種構(gòu)件，具有對圍巖支撐和維持采空區(qū)穩(wěn)定性的重要作用，但礦山采空區(qū)數(shù)量大、空間分布廣，多層空區(qū)上下錯位，導(dǎo)致原生礦柱未能達到支護效果，使圍巖的二次應(yīng)力分布不均勻。不規(guī)則的工程布置和無序開采容易造成采區(qū)圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了井下巖體的承載能力，最終影響采空區(qū)的穩(wěn)定性。

4)爆破震動。在爆破沖擊波及爆破震動的作用下，含有地質(zhì)構(gòu)造弱面的巖體會產(chǎn)生斷層錯動、節(jié)理裂隙擴展、層理分離的現(xiàn)象。礦山開采實例表明，采場冒頂、巖層失穩(wěn)的主要原因是采場頻繁大爆破。由于礦區(qū)采用中深孔爆破方式，這勢必加劇爆破震動對圍巖穩(wěn)定性的影響，有可能造成采場發(fā)生冒頂、片幫及整體垮塌的現(xiàn)象。

同時，根據(jù)工程經(jīng)驗及相關(guān)文獻資料分析可知，影響采場地壓的因素還有很多，如圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力狀態(tài)、開采深度、地下水、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、礦塊回采順序、礦塊開采強度、巷道圍巖的支護方式、爆破規(guī)模等，應(yīng)對所有影響因素進行系統(tǒng)性研究。

4 地壓控制措施

根據(jù)井下地壓活動表現(xiàn)形式及地壓活動分析，應(yīng)采取以下措施來控制采場地壓活動。

1)嚴格按照采礦設(shè)計進行開采。在開采過程中必須嚴格按照采礦設(shè)計進行施工，同時合理規(guī)范采場布置，采場必須留設(shè)礦柱、頂?shù)字烷g柱等；嚴格按照推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)布置采場，嚴禁礦房超高、超寬，不得開采保安礦柱；嚴禁形成新的采空區(qū)安全隱患。

2)合理布置巷道工程及采場結(jié)構(gòu)，加強圍巖支護工作，保證井巷工程質(zhì)量及采場穩(wěn)定性。巷道斷面的形狀、支護的質(zhì)量都直接影響巷道穩(wěn)定性；采場長度、寬度及礦柱尺寸都是影響采場穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。由于斷層、裂隙、節(jié)理的發(fā)育導(dǎo)致井下工程穩(wěn)定性受到不同程度的影響，為保證巷道工程及采場的穩(wěn)定性，必須合理布置巷道工程及采場結(jié)構(gòu)。主要工程結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避開地質(zhì)弱面，同時要合理施工并加強支護工作，對于軟弱圍巖可采取噴漿支護、噴錨支護、噴錨網(wǎng)等支護措施。

3)選擇合理的回采順序。階段及礦塊回采順序不合理往往是造成采區(qū)圍巖應(yīng)力集中的直接原因。金屬礦山中階段回采順序主要有從上而下、從下而上兩種，礦塊回采順序主要有前進式、后退式兩種。不同的回采順序造成的應(yīng)力分布是不同的，往往需要經(jīng)過工程類比或數(shù)值計算才能確定最優(yōu)的回采順序。選擇合理的階段及礦塊回采順序?qū)τ跍p小地壓，避免采場圍巖應(yīng)力集中具有明顯效果，因此調(diào)整回采順序和回采方式是十分必要的。

4)減少爆破震動效應(yīng)。采場爆破時應(yīng)盡量采用多布孔、少裝藥、不耦合裝藥結(jié)構(gòu)、微差爆破技術(shù)、控制最大段藥量等方法來控制爆破震動效應(yīng)，從而減少對采區(qū)圍巖、礦柱及周圍巷道的破壞，防止大面積的垮塌冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

5)合理規(guī)劃采礦周期。礦山井下生產(chǎn)作業(yè)主要是多種工序的有序作業(yè)過程，主要包括開拓、采準、切割和回采等工序。為滿足礦山生產(chǎn)或配礦的需求，往往是在有多個回采采場的情況下，提前布置多個備用采場。由于采場回采有時持續(xù)性太長，隨著開采時間的推移，地壓活動對開采的影響越來越明顯，如果回采周期過長，可能會造成圍巖變形而發(fā)生冒頂、片幫及垮塌等地壓災(zāi)害。同時，備用采場布置也應(yīng)該按照保有期限定額合理確定，盡量縮短巷道及采場的暴露時間，因此，應(yīng)合理規(guī)劃開拓、采準、切割和回采的相互銜接。

6)建立地壓監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，加強對地壓活動的監(jiān)測。根據(jù)礦區(qū)采空區(qū)分布及穩(wěn)定性狀況，在采空區(qū)周圍或巷道內(nèi)建立應(yīng)力及位移監(jiān)測裝置，安裝鉆孔應(yīng)力計或位移收斂計，隨時了解采場地壓的分布狀況，其中傳感器嵌入巷道圍巖盡量靠近采空區(qū)一側(cè)，保證測點數(shù)據(jù)能夠代表空區(qū)圍巖的基本應(yīng)力狀況及位移量，對于今后的采掘作業(yè)面，需將應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備布置在已形成空區(qū)圍巖及支承頂板礦柱上，以保證監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)可以準確反應(yīng)圍巖及巷道的應(yīng)力狀態(tài)。同時，在地表建立位移觀測點，定期觀測記錄位移量，并對觀測數(shù)據(jù)者進行詳細分析。

7)加強采空區(qū)治理。為確保采空區(qū)對目前生產(chǎn)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，最大可能消除采空區(qū)引發(fā)或誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，預(yù)防和遏制因采空區(qū)引發(fā)的重特大安全生產(chǎn)事故，確保井下安全生產(chǎn)，應(yīng)加強采空區(qū)治理工作，確定技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理、安全可靠、便于現(xiàn)場操作的綜合治理方案。

8)加強現(xiàn)場管理工作。仔細觀察采場及巷道圍巖的應(yīng)力變化，敲幫問頂，并詳細記錄冒頂、片幫等地質(zhì)災(zāi)害情況，及時掌握地壓活動的變化情況。

5 結(jié) 論

對礦區(qū)開采歷史、井下采空區(qū)地壓活動及采空區(qū)狀況進行詳細調(diào)查與分析，并通過井下地壓的各種表現(xiàn)形式，明確產(chǎn)生地壓活動的真正原因。為保障井下安全生產(chǎn)，維護圍巖穩(wěn)定，必須采取切實有效的辦法來減小地壓活動對開采的影響，為此根據(jù)礦區(qū)地壓活動產(chǎn)生的原因及規(guī)律，提出相應(yīng)的穩(wěn)定性控制技術(shù)措施，有利于礦山開展各種地壓分析與監(jiān)測，防范各種地壓災(zāi)害，為礦山安全生產(chǎn)決策提供技術(shù)支撐。

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Analysis of ground pressure activity and control measures of ground pressure in a metal mine

HUANG Min1，2，HE Xiaoqing3，WU Yabin1，2，HUANG Yinghua1，2
(1.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；2.State Key Laboratoriy of Metal Mine Safety Technology，Changsha 410012，China；3.Shaanxi Taibai Gold Mining Co.，Ltd.，Baoji 721000,China)

Underground mining in metal mines is easy to cause local ground pressure activity，and frequent ground pressure activities are easy to damage the surrounding rock and production equipment，and pose a threat to the safety production.Through the form of current mining and underground pressure activities，from the geological structure of rock weak plane，goaf，reasons and regularities of disordered mining and blasting vibration，analysis of ground pressure activities，and according to influence factors，puts forward corresponding control measures of ground pressure activities，can effectively control the activity of phenomenon.Mine management and ensure mine safety mining has a guiding role.

ground pressure activity；geological structure；mined out area；disordered mining；blasting vibration

2017-03-07 責任編輯：宋菲

湖南省重大科技專項課題資助(編號：2011FJ1003)；“973”計劃課題資助(編號：2010CB735507)；國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目資助(編號：hunan-0010-2014AQ)；湖南省安全生產(chǎn)財政專項資金項目資助

黃敏(1985-)，男，湖南長沙人，碩士，工程師，主要從事采礦技術(shù)及巖石力學(xué)方面的研究工作，E-mail：huangmin923923@163.com。

TD32；TD861

A

1004-4051(2017)08-0112-04