某鎢礦山采區(qū)地壓控制研究

葉際寰， 李春， 葉光祥

（1. 江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余 341500; 2. 贛州有色冶金研究所, 江西 贛州 341000）

0 引 言

鎢是國(guó)家戰(zhàn)略性資源之一，贛南鎢礦山大多經(jīng)歷了幾十年開(kāi)采，均已進(jìn)入中深部開(kāi)采，目前鎢礦山大多采用的采礦方法是留礦法和階段礦房法[1]，由于大多采場(chǎng)未進(jìn)行充填處理，加上巖體結(jié)構(gòu)等其他因素的影響，不同規(guī)模的地壓活動(dòng)時(shí)有發(fā)生[2]，其范圍、規(guī)模以及危害程度，與礦山巖體工程地質(zhì)條件、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)規(guī)模以及采掘強(qiáng)度等有直接的關(guān)系[3]。 而處在地壓活動(dòng)區(qū)的采空區(qū)，由于其應(yīng)力集中情況嚴(yán)重，存在復(fù)雜的巖石力學(xué)問(wèn)題，更易引發(fā)災(zāi)變，需進(jìn)行相關(guān)隱患治理工作[4-7]。 陳蘭蘭等從采空區(qū)探測(cè)技術(shù)、采空區(qū)穩(wěn)定性以及采空區(qū)控制等方面進(jìn)行綜合評(píng)述，簡(jiǎn)要概述了采空區(qū)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，指出當(dāng)前空區(qū)穩(wěn)定性方面研究中所存在的不足之處[8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測(cè)、軟巖大變形機(jī)制、地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、巖爆防治措施、軟巖防治措施等[9-11]方面進(jìn)行了深入研究，取得了很大的成績(jī)。 尤其國(guó)外在深井開(kāi)采地壓方面[12]，相似材料模擬試驗(yàn)、地下巖體工程數(shù)值模擬、地壓在線監(jiān)測(cè)等方面一直走在地壓控制技術(shù)的前端。 國(guó)內(nèi)則在地壓理論、形成機(jī)制、顯現(xiàn)規(guī)律等方面進(jìn)行了大量的觀測(cè)與研究，取得了較大的成果。

1 礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀

某礦區(qū)礦體主要有石英細(xì)脈帶礦體和大脈礦體，急傾斜大脈礦體一般采用淺孔留礦法開(kāi)采，礦區(qū)現(xiàn)已進(jìn)入中深部開(kāi)采。 礦區(qū)南組已開(kāi)拓9 個(gè)中段， 分別是+500 m、+450 m、+400 m、+337 m、+286 m、+236 m、+186 m、+136 m、+86 m，+500 m 以上屬民隆開(kāi)采。在9 個(gè)中段中，其中+286 m～+500 m 5 個(gè)中段已結(jié)束開(kāi)采，+236 m、+186 m 中段大部分礦體已采完，已經(jīng)進(jìn)入殘礦回收或邊部礦體回采階段，+136 m、+86 m 中段為目前主要生產(chǎn)中段，+86 m 中段在生產(chǎn)、開(kāi)拓。由于歷史原因，+500 m 以上為民窿開(kāi)采，不正規(guī)，早已結(jié)束，遺留下大量復(fù)雜采空區(qū)，無(wú)資料可查，空區(qū)情況不明。 歷經(jīng)幾十年的采礦，+337～+500 m 中段進(jìn)行充填的采場(chǎng)所占比例較少，留下的空區(qū)量大，+337 m 中段以下進(jìn)行了廢石充填的采場(chǎng)數(shù)量比上部中段稍多，據(jù)估計(jì)整個(gè)南組采空區(qū)總量有幾十萬(wàn)立方米，采空區(qū)比較連續(xù)且形態(tài)復(fù)雜，形成了復(fù)雜空區(qū)群[13]。 對(duì)于礦脈帶中密集型石英脈鎢礦體，由于相距近，相鄰采場(chǎng)之間夾墻薄，極易垮塌破壞，用留礦法開(kāi)采此類礦體易對(duì)回采工作帶來(lái)困難[13]。 由于+186 m 中段以上地壓明顯， 為了安全地充分回收國(guó)家戰(zhàn)略性鎢資源，礦山因此在+136 m 中段103 勘探線兩側(cè)140 m 長(zhǎng)范圍沿礦脈帶走向布置一個(gè)試驗(yàn)采場(chǎng)，進(jìn)行了通過(guò)建造覆蓋巖層由上部淺孔留礦法轉(zhuǎn)型為階段崩落法試驗(yàn)。試驗(yàn)礦塊寬8～15 m，高度為中段高50 m，無(wú)頂柱和間柱，電耙道底部結(jié)構(gòu)所在的底柱礦量在下中段回采時(shí)統(tǒng)一進(jìn)行回收。

2 工程地質(zhì)調(diào)查

巖體作為工程地質(zhì)研究的主要對(duì)象， 是由大小不同的巖塊和各種結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成， 因此結(jié)構(gòu)面的存在嚴(yán)重影響巖體的強(qiáng)度和整體性。 在自重應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力作用下， 對(duì)巖體破壞起控制性作用的主因當(dāng)屬節(jié)理、 斷層等結(jié)構(gòu)弱面， 在有采空區(qū)存在的條件下，巖體穩(wěn)定性與采區(qū)地壓緊密相關(guān)，而地壓活動(dòng)又以一定的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)。 為了更好地有針對(duì)性進(jìn)行采區(qū)地壓控制， 有必要對(duì)巖體的工程地質(zhì)和地壓活動(dòng)進(jìn)行調(diào)查。

本礦區(qū)地層主要為寒武系淺變質(zhì)砂巖，成礦前形成的大型斷裂大多數(shù)以硅化破碎帶或擠壓破碎帶出現(xiàn)[13]，按其產(chǎn)狀特征，可分為5 組：南北向斷裂破碎帶14 條（F1～F14），東西向斷裂破碎帶 4 條（F16～F19），北東向斷裂破碎帶 7 條（F21～F27），北北東向斷裂破碎帶4 條（F28～F31），北西向斷裂破碎帶 3 條（F32～F34）。 本區(qū)成礦后斷裂較發(fā)育，但規(guī)模都很小，較大的如地表所見(jiàn) F35、F36和 F37，延長(zhǎng)都在 800 m 以內(nèi)，錯(cuò)距 2 m 左右（水平視距）。成礦后斷裂，以走向南北，傾向東的為主，走向南北，傾向西的次之[13]。

在結(jié)構(gòu)面地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法研究中， 采用測(cè)線法對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)面調(diào)查，再運(yùn)用Dips 軟件對(duì)本次結(jié)構(gòu)面調(diào)查所得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制統(tǒng)計(jì)圖并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察情況得到優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。 結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果Table 1 Survey results on dominant structure plane

表1 結(jié)果表明，3 個(gè)中段的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面有 1 組96°～98°∠70°～80°近于相同，186 m 與 136 m 中段也有1 組類似。

巖體質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到巖體的工程特性和穩(wěn)定性，與地壓活動(dòng)密切相關(guān)，因此進(jìn)行巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)可對(duì)巖體好壞做出判別，從而指導(dǎo)地下工程施工，預(yù)防地壓破壞的發(fā)生。 現(xiàn)用Q 系統(tǒng)分類法對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用的計(jì)算方法是對(duì)6 因素進(jìn)行如下的計(jì)算：

式中：RQD 為巖石質(zhì)量指標(biāo)； Jn為節(jié)理組數(shù)系數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)（最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組）； Ja為節(jié)理蝕變度（變異）系數(shù)（最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組）； Jw為節(jié)理滲水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

根據(jù)表2 參數(shù)， 經(jīng)上述計(jì)算公式計(jì)算出Q 值為7.97，對(duì)照表3 中巖體級(jí)別分類數(shù)值可知，礦區(qū)變質(zhì)砂巖巖體級(jí)別為Ⅲ級(jí)， 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為一般巖體。

表2 Q 系統(tǒng)分類結(jié)果Table 2 Table of Q system classified results

表3 由Q 值確定的巖體級(jí)別Table 3 Rock mass grade table determined by Q value

3 巖移監(jiān)測(cè)及規(guī)律分析

通過(guò)在采場(chǎng)圍巖及礦柱巖石、 巷道中布置應(yīng)力計(jì)、地音儀、全站儀、木滑尺、或在線微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等地壓、巖移觀測(cè)手段[14-15]，對(duì)采區(qū)地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)采場(chǎng)安全回采，并提供預(yù)警，有助于采區(qū)地壓控制。在采區(qū)中采用了全站儀對(duì)礦區(qū)南組巖體進(jìn)行巖移觀測(cè)，表 4 是從 2016 年 12 月至 2018 年 8 月所記錄的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

觀測(cè)記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：

1） 巖體位移在礦區(qū)南組+186 m 中段至+500 m中段 100 勘探線~107 勘探線范圍內(nèi) X、Y、Z 3 個(gè)方向都有發(fā)生，在累計(jì)位移上，巷道頂板下沉量大于水平分量。

2）+136 m 中段崩落法大采場(chǎng)之上緊臨+186 m中段，+186 m 中段巷道頂板下沉比上部各中段更快受影響，位移量也最大。

3）+236 m 中段南組地壓區(qū)中心地帶103 線至105 線東付，脈外運(yùn)輸巷沿脈方向頂板下沉量累計(jì)達(dá)77 mm，存有安全隱患，影響運(yùn)輸，中心位置頂板下沉量整體比東西兩側(cè)更大。

4 地壓活動(dòng)致因分析

由于采區(qū)地壓顯現(xiàn)主要集中在結(jié)構(gòu)弱面部位、多條礦脈與巖脈相交復(fù)合部位、 礦脈與構(gòu)造交匯部位、兩相臨采場(chǎng)夾墻較薄且采幅較寬部位或暴露面積較大的三角礦柱等。研究分析認(rèn)為采區(qū)地壓活動(dòng)主要是受相對(duì)發(fā)育的斷層、節(jié)理等構(gòu)造影響，疊加臨空面的不利組合，在自重作用或構(gòu)造應(yīng)力下，才形成局部地壓現(xiàn)象。 若局部地壓活動(dòng)未控制好，有可能進(jìn)一步誘發(fā)區(qū)域性地壓活動(dòng)的發(fā)生。 總之，導(dǎo)致地壓活動(dòng)的主因有：地質(zhì)構(gòu)造與巖移、采掘順序、采礦方法與結(jié)構(gòu)參數(shù)、采空?qǐng)?、采掘深度、爆破方法等[16-17]。

地質(zhì)構(gòu)造與巖移：工程地質(zhì)所涉及的地質(zhì)構(gòu)造如斷層、破碎帶、節(jié)理裂隙、層間弱面等是引發(fā)地壓活動(dòng)的一個(gè)主因，原巖應(yīng)力因地質(zhì)構(gòu)造的存在而發(fā)生轉(zhuǎn)移變化。在地質(zhì)構(gòu)造周圍附近的巖石中不但易出現(xiàn)應(yīng)力集中，而且由于結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體進(jìn)行了切割，使巖體完整性得到破壞，承載能力也遭到下降。同時(shí)還使巖體沿弱面進(jìn)行滑移分塊，也即出現(xiàn)巖移現(xiàn)象，容易導(dǎo)致坑內(nèi)工程破壞。 如工程地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的礦區(qū)南組+236 m 中段103 線至105 線東付之間近東西走向的沿脈V202 脈斷層，由于在其南側(cè)+186 m 中段15～20 m 水平距離有一個(gè)V204 采場(chǎng)，未充填，形成采空區(qū)，斷層與空區(qū)斜切，造成局部塊體錯(cuò)位，致巖移觀測(cè)中的點(diǎn)位巷道頂板下沉77 mm，形成局部地壓現(xiàn)象。

表4 礦區(qū)南組巖移（全站儀）觀測(cè)記錄統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of observation record on rock movement（total station） in the south group of mining area

采掘順序：不同的采掘順序所引起的地壓現(xiàn)象是不同的，地壓呈現(xiàn)程度也不一。 如先采上中段再采下中段與先采下中段再采上中段， 地壓表現(xiàn)是有所差異。先采中央再往兩側(cè)后退式回采順序與前進(jìn)式回采所表現(xiàn)的地壓也是有所不同。這就要根據(jù)采區(qū)實(shí)際情況來(lái)決定采掘順序。

采礦方法與結(jié)構(gòu)參數(shù)： 相同工程地質(zhì)條件下，對(duì)于急傾斜多脈帶鎢礦床，采礦方法不同，其地壓顯現(xiàn)也不同。 同一采礦方法其結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不當(dāng)，也會(huì)影響地壓的產(chǎn)生。 如南組原來(lái)采用淺孔留礦法，采后不充填，留下大量空區(qū)，易誘發(fā)夾墻垮塌等地壓現(xiàn)象。而在136 m 中段103 線兩側(cè)采用崩落法開(kāi)采， 由于崩落法采場(chǎng)消除了采空區(qū)，地壓表現(xiàn)僅在底部結(jié)構(gòu)上。

采空區(qū)：空區(qū)是地壓發(fā)生的必要條件，空區(qū)的形成過(guò)程導(dǎo)致了巖體的應(yīng)力重新分布，為巖移提供了自由空間。 空區(qū)充填與否決定了地壓程度大小。

采掘深度：隨著采掘深度的增大，區(qū)域的自重應(yīng)力隨之增大，采場(chǎng)圍巖中所產(chǎn)生的應(yīng)力與位移、在構(gòu)造面上的應(yīng)力狀態(tài)都會(huì)隨采深的增大而加劇，不穩(wěn)定巖體的運(yùn)動(dòng)形式也會(huì)隨之變化[18]。

5 采區(qū)地壓控制

通過(guò)本礦區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查、巖移觀測(cè)以及地壓活動(dòng)致因分析，緊密聯(lián)系礦山實(shí)際，從礦山開(kāi)采地壓控制和危害預(yù)防等兩大方面，對(duì)地壓控制的有效方法與技術(shù)控制措施進(jìn)行分析研究，提出了以下較為具體的控制方法與技術(shù)措施， 供礦山在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用，以利礦山安全生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。

1） 根據(jù)地壓活動(dòng)規(guī)律， 對(duì)井下安全生產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)合理安排。 地壓活動(dòng)規(guī)律及其特征可分為4 個(gè)階段，即初始來(lái)壓階段，破壞階段，巖層移動(dòng)階段和相對(duì)穩(wěn)定階段[19]。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查情況，對(duì)于節(jié)理裂隙、斷層等構(gòu)造發(fā)育、礦巖的整體性及穩(wěn)定性相對(duì)較差、有應(yīng)力集中現(xiàn)象等礦段，如礦區(qū)南組101 線至107 線位置，1°∠75°這組近東西走向沿脈斷層發(fā)育，及 96°～98°∠70～80°近南北向發(fā)育的構(gòu)造切割，巖體整體性較差，礦巖破碎，易在此礦段頻繁發(fā)生地壓，則可以根據(jù)地壓活動(dòng)規(guī)律，井下采掘工作可以考慮在第1 階段和第4 階段進(jìn)行作業(yè)，以防發(fā)生地壓災(zāi)害。

2） 因勢(shì)利導(dǎo)控制巖移， 整體上合理設(shè)計(jì)采掘順序。根據(jù)采區(qū)地壓活動(dòng)特征，只要開(kāi)挖了地下工程，必然會(huì)產(chǎn)生空區(qū)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在工程巖體周圍不可避免地產(chǎn)生高應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)超過(guò)巖體強(qiáng)度時(shí)必然使之破壞。 如未對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，加上斷裂結(jié)構(gòu)存在，被切割的不穩(wěn)定三角巖塊在自重作用下或構(gòu)造應(yīng)力影響下易向空區(qū)滑移。掌握不穩(wěn)定巖體的移動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)空區(qū)進(jìn)行有重點(diǎn)有目的的廢石充填、削壁充填，可以在一定程度上控制地壓。如根據(jù)巖移觀測(cè)中的數(shù)據(jù)可知， 對(duì)+186 m 中段 105 線的 V204 采空區(qū)就應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)充填，消除空區(qū)。 根據(jù)上述變質(zhì)砂巖巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為一般巖體，在地下工程施工時(shí)局部不穩(wěn)定地段就需進(jìn)行支護(hù)。 如南組+236 m 中段105 線附近脈外運(yùn)輸巷道由于頂板下沉77 mm， 就進(jìn)行了超過(guò)20 m 的U 形鋼架支護(hù)。 總之有計(jì)劃地、有步驟地因勢(shì)利導(dǎo)控制巖移。 另外根據(jù)免壓拱原理，在水平走向上科學(xué)安排好采掘順序，避免因順序不合理造成地壓活動(dòng)，危及安全生產(chǎn)。

在南組101 線以西，109 線以東，礦脈仍用留礦法開(kāi)采， 同水平相臨平行主礦脈， 隔墻厚3 m 以上的采場(chǎng)，則可以采用先采上盤再采下盤脈的順序，即V204、V205、V206、V208 脈的順序， 同時(shí)要求下盤采場(chǎng)在回采時(shí)在水平走向上錯(cuò)開(kāi)上盤采場(chǎng)至少50 m 以上的距離，以免相臨采場(chǎng)爆破或巖移的相互影響，確保安全。

100 線至109 線地壓集中區(qū)域，礦巖性能相對(duì)較差，構(gòu)造相對(duì)較為發(fā)育。由此認(rèn)為，回采工作首先從礦巖性能相對(duì)較差，構(gòu)造較為發(fā)育，最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中礦脈帶地段進(jìn)行，然后逐步向東西兩端推進(jìn)。 總體上以中部—西部—東部的開(kāi)采順序。縱向方向的回采順序，則采取由上往下，并要求上中段的回采應(yīng)超前下一中段的水平距離不小于100 m[1]，總體上能使開(kāi)采地壓平緩、逐步地向周邊圍巖轉(zhuǎn)移。

3） 優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。 根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知，礦區(qū)南組101 線至107 線之外構(gòu)造不發(fā)育，礦巖較穩(wěn)固，鎢礦脈可采用留礦法開(kāi)采。 對(duì)于連續(xù)性較差的礦脈，可以根據(jù)礦脈的賦存特點(diǎn)進(jìn)行合理的劃分，但原則上采場(chǎng)長(zhǎng)度不大于60 m。如果有條件能及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行廢石充填， 并且充填系數(shù)能達(dá)到0.6以上，采場(chǎng)長(zhǎng)度則可大于90 m。

在采用崩落法的采場(chǎng)區(qū)域，尤其是在采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)和下盤將形成高壓應(yīng)力區(qū)。其采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化主要是在底部結(jié)構(gòu)的工程尺寸方面，遇結(jié)構(gòu)構(gòu)造相對(duì)發(fā)育地段，底部結(jié)構(gòu)的維護(hù)可能更困難。如遇此情況，斗距可適當(dāng)加大，取6～8 m，或選擇平底出礦系統(tǒng)。

4） 井下工程等局部地壓控制方法。 井下工程等局部的地壓，主要是指由構(gòu)造發(fā)育帶所引發(fā)的地壓活動(dòng)。在處理時(shí)，除了要做到方法妥當(dāng)外，還應(yīng)該做到適時(shí)，如果處理不當(dāng)，將可能引發(fā)更大范圍的地壓活動(dòng)。局部地壓主要呈現(xiàn)形式是片幫、垮塌、頂板下沉，主要采取剛性支護(hù)的手段進(jìn)行控制，即小范圍可選用木支護(hù)，中等范圍可采用砌墻，澆灌混凝土，范圍大的，并且較發(fā)育的地段可采用鋼筋混凝土墻。 如+236 m 中段105 線附近運(yùn)輸巷采用了剛性支護(hù)。

5） 采空區(qū)及時(shí)處理。 空?qǐng)龇ɑ夭傻V體必然產(chǎn)生新的空區(qū)，空區(qū)的存在又為地壓活動(dòng)的必要條件。 無(wú)疑對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理作用巨大， 如186 m 中段105線附近的V204 采空?qǐng)霰仨毘涮?，以減緩上部236 m中段對(duì)應(yīng)位置的運(yùn)輸巷的頂板進(jìn)一步下沉。 因此，及時(shí)處理空區(qū)將能控制地壓的產(chǎn)生和進(jìn)一步發(fā)展。

南組101 線以西、107 線以東已采空區(qū)在條件許可的情況下，盡量充填空區(qū)，充填了的總比未充填的效果好，充填系數(shù)大的比小的好，對(duì)東西兩頭邊角的采空區(qū)，也可采取封閉、堵塞出口等方式。

為了更好地從根本上解決采后空區(qū)存在問(wèn)題，在開(kāi)采技術(shù)條件滿足的情況下，盡量采用崩落法回采礦脈帶，通過(guò)在大采場(chǎng)上部中段崩落老采場(chǎng)夾墻和上下盤圍巖，造設(shè)20 m 厚以上的覆蓋巖層[20]，把上部復(fù)雜的空區(qū)群隔離開(kāi)來(lái)，下部采場(chǎng)則采用擠壓爆破方式回采礦石，用電耙道底部結(jié)構(gòu)或平底塹溝出礦，能更好地控制地壓往好的方向發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查、 巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)及其規(guī)律、地壓活動(dòng)致因分析，從地壓活動(dòng)規(guī)律、采掘順序、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、空區(qū)處理等方面，有針對(duì)性地提出了與安全生產(chǎn)息息相關(guān)的地壓控制技術(shù)與措施， 操作性強(qiáng)，以指導(dǎo)鎢礦山井下安全生產(chǎn)。 同時(shí)其地壓控制技術(shù)與措施對(duì)全國(guó)類似礦山的安全開(kāi)采也具有借鑒意義。