無底柱分段崩落法的地壓控制研究

李文斌

摘要：無底柱分段崩落法是一種高效、安全的礦山生產方式，實現(xiàn)開采過程的地壓控制，能確保礦山可采的安全性和效率性。本文在分析無底柱分段崩落采礦法工藝優(yōu)勢的基礎上，就地壓產生的原因和危害展開分析，并指出無底柱分段崩落采礦時的地壓控制要點，期望能進一步提升無底柱分段崩落采礦時的地壓控制質量，繼而為采礦工作開展創(chuàng)造安全、穩(wěn)定的環(huán)境。

關鍵詞：無底柱分段崩落;采礦;地壓控制

Abstract： Sublevel caving without pillar is an efficient and safe mine production method. It realizes ground pressure control during the mining process and can ensure the mining safety and efficiency of the mine. Based on the analysis of the advantages of sublevel caving without pillar， this paper analyzes the causes and hazards of ground pressure， and points out the main points of ground pressure control， and hopes to further improve the quality of the ground pressure control， which in turn creates a safe and stable environment for the mining work.

Key words： sublevel caving without pillar;mining;ground pressure control

0? 引言

采礦業(yè)是我國市場經濟的重要組成，其通過礦產資源的開采和應用，為工業(yè)生產提供了多種基礎原料，有效地保證了礦產加工企業(yè)的生產效率和經濟效益。在采礦過程中，無底柱分段崩落采礦法的機械化程度較高，采礦過程高效且成本低廉，故而在多種礦產品開采中均有使用。然在實際采礦過程中，受礦區(qū)地質構造等因素的影響，無底柱分段崩落法采礦容易出現(xiàn)地壓失穩(wěn)問題，有必要進行地壓穩(wěn)定控制。

1? 無底柱分段崩落采礦法的技術優(yōu)勢

現(xiàn)階段，無底柱分段崩落法在采礦行業(yè)中的應用逐漸深入。作為一種高效率、高安全性的采礦方法，無底柱分段崩落法在金屬礦山及解析惡化程度較高的礦山開采場應用較多。從采礦過程來看，其具體優(yōu)勢表現(xiàn)在以下層面：

其一，相比于傳統(tǒng)的采礦工藝，無底柱分段崩落采礦法的上施工結構較為簡便，整個采礦工藝具有較高的機動性、靈活性、適應性較強。其二，該方法實現(xiàn)了大規(guī)模的機械化采礦，采礦強度大，生產效率高。其三，無底柱分段崩落采礦法大大減少了采礦過程中的人員投入，經濟效益較高，而且減少了礦井復雜環(huán)境對礦工的傷害，具有極高的安全性[1]。目前，無底柱分段崩落采礦法已經應用于多種金屬礦的開采，在實際開采過程中，結合礦井具體環(huán)境，可就無底柱分段崩落采礦法的設計參數(shù)和結構進行調整，這能有效提升礦山開采的質量和安全。

2? 無底柱分段崩落法采礦地壓產生的原因和危害

2.1 無底柱分段崩落法采礦地壓產生的原因

未經開采前，礦山區(qū)域的力學環(huán)境相對平衡;而在礦山開采過程中，外力作用會打破原有的力學平衡條件，該過程中，地質承載能力會重新分布，最終形成地壓。從本質上講，這種地質內部環(huán)境的變化是由于地質和力學反應綜合影響而引起的[2]。在采礦法實際應用中，應關注地質因素、生產工藝等諸多因素，以此來實現(xiàn)礦區(qū)地質構造、地應力的有機統(tǒng)一。

2.1.1 圍巖軟弱因素

在未開采之前，礦山區(qū)域地質地層環(huán)境較為完整，其力學環(huán)境相對平衡，而在采礦過程中，礦產資源的開采和運出，使得地質地層的整體性遭到了破壞，這會使得圍巖的承載能力和穩(wěn)定性急劇下降，并在較短時間內容產生破壞變形。同時，有的礦山區(qū)域的圍巖本來就比較軟弱，譬如，當?shù)V物質處于粉礦體中，或者圍巖中含有易泥化崩解的泥化閃長巖時，圍巖的抗壓能力往往較低，抗壓強度多處于11.32～29.91MPa之間，而且這種地質環(huán)境節(jié)理、裂隙發(fā)育，影響了整體的穩(wěn)定性。此外，針對完整性較好的圍巖，在長期的高應力作用下，長期性的加壓也會使得地壓增大，造成軟巖蠕變。

2.1.2 高應力狀態(tài)因素

金屬礦石質量較重，如鐵技術礦石而言，其重度約為37.5kN/m3，自重應力相對較較大[3]。同時金屬礦石埋藏于較深地層，當遇到礦巖與斷層等復雜地巖環(huán)境交叉時，容易影響礦區(qū)的水平應力。采礦過程中，機械作業(yè)過程會給礦層施加較高的作用力，而持續(xù)化的作業(yè)使得礦層用于穩(wěn)壓的時間較短，從而造成了地壓失控及圍巖變形等問題。

2.1.3 采礦順序不夠合理

礦山開采順序對于礦區(qū)地壓具有較大影響;尤其是當采用回采工藝進行施工時，一旦回采順序不合理，就會造成采動應力在礦層中間的疊加，影響礦層的穩(wěn)定性及安全性。具體而言，在部分金屬礦無底柱分段崩落法采礦時，前期礦體回采過程中，采礦進路受采動影響的時間較短，而在后續(xù)開采過程中，自回采開始后就受到前一段采礦進路回采的持續(xù)影響，且這一影響會持續(xù)到本分層礦體回采完畢。在后續(xù)回采中，部分采礦進路會因為采動應力的持續(xù)疊加而形成地壓失穩(wěn)現(xiàn)象，造成進路損壞，影響采礦的效率與安全。

2.1.4 采礦支護缺乏合理設計

鐵礦開采過程中，為確保地壓的穩(wěn)定性，確保采礦安全高效，應合理地設計采礦參數(shù)，進行礦坑支護管理。然而在實踐中，較多金屬礦區(qū)會采用錨網噴支護手段，在錨桿選擇時，其會采用Q235普通螺紋鋼，這使得桿體的強度較低，當遇到礦體松散破碎、節(jié)理發(fā)育的金屬礦區(qū)時，錨桿的穩(wěn)固性就會不斷降低，致使錨網噴支護失效。結合采礦發(fā)展實際可知，當支護設計不合理時，容易出現(xiàn)支護結構大變形、局部破壞等問題，這些問題極大地影響了采礦的安全性。

2.2 無底柱分段崩落法采礦地壓的危害

礦山開采過程中，巖石或巖層活動變化會產生一定的氣壓，此即為地壓。地壓的存在使得采礦行業(yè)具有較高危險性。在實際生產中，一旦采礦過程地壓條件失控，就會對采礦進度和所有采礦人員的生命安全帶來嚴重影響。具體而言，無底柱分段崩落法采礦地壓的危害主要表現(xiàn)如下：其一，地壓會使得礦山圍巖受力變形，而且其會對破壞礦區(qū)支護設施、巷道冒頂、片幫等結構，致使礦井結構失穩(wěn);抗壓較大，影響較為嚴重時，還會導致采空區(qū)塌陷等問題。其二，當?shù)V山的深部巖石發(fā)生突然爆裂時，采空區(qū)會出現(xiàn)較為嚴重的地質問題，如地陷、地裂等?，F(xiàn)階段，引發(fā)地壓的原因較為多樣，其最終存在形態(tài)也具有較大差異，除分散體地壓、變形地壓外，無底柱分段崩落法采礦還容易形成膨脹地壓、沖擊地壓等。

3? 無底柱分段崩落法采礦地壓控制策略

新時期，我國礦產資源的開采規(guī)模不斷擴大，要要進一步提升采礦的安全性，在實際開采中，還應注重地壓的有效控制。在地壓控制管理中，系統(tǒng)性、全面性的進行礦山地質環(huán)境勘測，在考慮其特殊性的基礎上，進行地壓成因和影響分析，然后找出地壓主控因素，科學性、系統(tǒng)性的設計控壓方法，可有效地實現(xiàn)采礦區(qū)地壓預防和預警。

3.1 注重采礦區(qū)的動態(tài)監(jiān)控

要實現(xiàn)礦區(qū)地壓的有效控制，還需確保監(jiān)測過程融入采礦實踐的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)礦區(qū)地壓的動態(tài)、實時監(jiān)測。從礦區(qū)地壓產生機理來看，有的礦區(qū)本來地壓較高，而部分礦區(qū)產生地壓是因為受到無底柱分段崩落法設備作用影響。基于這兩種狀況，我國在采礦區(qū)監(jiān)測中，構建了主動和被動監(jiān)測相結合的綜合監(jiān)測網絡，并依據該網絡來獲取看礦區(qū)地壓，為礦區(qū)的支護和安全管理進行預警[4]。

就主動監(jiān)測而言，工作人員可以在該監(jiān)測手段的支撐下，快速了解并掌握地質內部次生應力的應變轉移規(guī)律，這對于礦區(qū)保護政策的改變和危險預警具有較大影響。而就被動監(jiān)測而言，其雖然能為礦區(qū)地壓管理提供地壓監(jiān)測的平均值，然而該測值并不能客觀的反應某個區(qū)域的地壓狀況，故而在實踐中，被動監(jiān)測的數(shù)值通常用來作為參考，通過該參考值，判斷地壓主動監(jiān)測結果是否準確。新時期，通過構建“以主動監(jiān)測為主，以被動監(jiān)測為輔”的監(jiān)測體系，實現(xiàn)了礦區(qū)地壓狀況的有效監(jiān)測，這為地壓預警和控制策略的制定提供了有效依據，確保了礦區(qū)管理的安全性。

3.2 系統(tǒng)分析地壓變化規(guī)律

無底柱分段崩落法采礦時，要實現(xiàn)地壓的有效控制，工作人員還應總結不同地質條件下，地壓變化的共性規(guī)律。譬如，在大理巖和閃長巖完整性較好的區(qū)域，礦石礦層的完整性較高，抗壓能力較強;對于此類巖層，其穩(wěn)定性較好，所以不需要過度的進行支護保護管理。

實際作業(yè)中，地壓出現(xiàn)具有以下特征：其一，礦山開采容易形成一定的崩落區(qū)，在崩落區(qū)及其周圍，應力條件較為集中，尤其是在崩落區(qū)上部和深部地層，其地壓具有較為明顯的上升特征。其二，在斷層破碎地帶，地壓會有明顯的增高趨向，這種變化為巷道變形的先導，當?shù)貌坏接行Э刂茣r，還可能引發(fā)較大面積的地壓危害活動。其三，進行礦井回采時，位于巷道頂板區(qū)域的危害，受拉伸作用力較為明顯，而這種作用會使得巷道節(jié)理縫隙進一步擴大，引起圍巖垮落或滑脫。

3.3 結合地壓條件制定控制策略

系統(tǒng)性的分析地壓形成原因，并對其進行分類，可為礦區(qū)地壓控制提供切實可行的依據。隨著我國采礦行業(yè)的不斷發(fā)展，地質工作者對于礦山地質和力學特性的研究不斷深入。就礦區(qū)檢測而言，工作人員不斷地拓展地壓的監(jiān)測領域和地域，并就各區(qū)域之間的機理聯(lián)系進行分析，然后對已有分區(qū)的地壓進行研究，通過地壓主控因素或條件的分析，為掌握地壓變化規(guī)律和地壓提供了有利條件?，F(xiàn)階段，我國在礦山開采區(qū)域設置了主動和被動兩種信息反饋機制，在重點關注地壓主控因素的基礎上，統(tǒng)計分析地壓變化規(guī)律和動態(tài)形成機理。從控制策略來看，當前地壓控制措施包括：

其一，在分析該區(qū)域地壓變化規(guī)律的基礎上，進行礦山開采次序的規(guī)范調整，這樣能有效地減少地質空區(qū)壓，同時通過對存在空壓的區(qū)域進行泄壓處理，有效地降低了地壓對地面的影響。其二，地壓檢查在后期控制中發(fā)揮著重要作用，現(xiàn)階段，人們在進行應力變形監(jiān)測的基礎上，加大了聲學監(jiān)測和微震動監(jiān)測的應用，通過這些監(jiān)測單元，構建了實時化、動態(tài)化的檢測系統(tǒng)，為后期地壓控制提供了有效依據。其三，應注重特殊支護形式的有效應用，同時構建井下無線通訊系統(tǒng)，加強信息溝通，實現(xiàn)地壓爆發(fā)危害事件的應急處理，這樣可有效地確保井下作業(yè)安全，提升采礦效率和質量。

4? 結論

無底柱分段崩落法在當前金屬礦產開采中具有廣泛應用，其在機械化開采的基礎上，有效地提升了采礦業(yè)的作業(yè)效率、經濟性和安全性。然無底柱分段崩落法采礦時，受地壓影響較為明顯，對此礦業(yè)工作人員要系統(tǒng)性的設置地壓監(jiān)測系統(tǒng)，研究、思考地壓形成原因，總結其發(fā)展規(guī)律，并嚴格落實礦區(qū)保護措施，可有效地減少地壓對無底柱分段崩落法采礦的影響，確保采礦實踐的高效性、安全性。

參考文獻：

[1]惠安社，李明樓，路增祥，等.我國無底柱分段崩落法結構參數(shù)優(yōu)化研究進展與方向[J].金屬礦山，2020（3）：1-11.

[2]趙穎龍，陳玉明，李超，等.無底柱分段崩落法結構參數(shù)優(yōu)化研究[J].化工礦物與加工，2019，48（7）：16-21.

[3]許朋濤，賞克強.無底柱分段崩落法階段過穿的研究與應用[J].中國礦業(yè)，2019，28（S1）：163-164.

[4]孟慶彬，王從凱，韓立軍，等.無底柱分段崩落法采場圍巖穩(wěn)定分析與采礦進路修復技術[J].采礦與安全工程學報，2019，36（2）：364-372.