地下金屬礦山采場頂板冒落危險性研究

胡娟新

（保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴州 貴陽 550002）

隨著金屬礦山開采深度的增加，往往會遇到采場頂板變形破壞日趨嚴(yán)重及穩(wěn)定性差等問題，從而致使頂板冒頂事故發(fā)生頻次及其災(zāi)害程度越來越嚴(yán)重[1]，對深部資源的安全與高效開采帶來了巨大危害。以往的研究表明：在地下開采條件下，采場巷道圍巖體的蠕變變形在增加，圍巖結(jié)構(gòu)及其裂隙較為發(fā)育，而且圍巖破壞的前兆信息不明確，從而使得地下金屬采場極易發(fā)生大面積冒頂事故。

近年來，眾多學(xué)者對礦山采場頂板冒落問題進(jìn)行了廣泛而深入的研究。雖然我國關(guān)于礦山頂板冒落問題的研究起步較晚，但也取得了突出的成績，如提出的礦山圍巖關(guān)鍵塊體理論、礦山頂板圍巖松動圈理論。在頂板冒落模式及事故原因分析方面，李清望等基于鐵礦頂板冒頂過程及其形式，將頂板冒落劃分為4個階段分別為初始冒落階段、間接冒落、地表冒落及擴展下移階段。安智海等研究探討了礦山頂板冒落事故與頂部離層參數(shù)之間的關(guān)系,得出頂部離層是導(dǎo)致頂板冒落的主要因素。頂板冒落事故誘發(fā)因素多種多樣，而且對于不同的礦區(qū)地質(zhì)條件頂板冒落誘發(fā)因素各有差異，例如礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、礦區(qū)頂板管理方式、金屬礦開采設(shè)計參數(shù)及人為因素等誘發(fā)頂板冒落事故。

地下金屬礦山開采過程中誘發(fā)的頂板冒落事故往往具有引發(fā)二次事故的可能性，且大面積頂板冒落引起的沖擊波將進(jìn)一步危害生產(chǎn)設(shè)施及施工人員的安全。因此，以某地下金屬礦山開采為例，采用頂板多點位移計、鉆孔電視探測技術(shù)對頂板離層進(jìn)行監(jiān)測，研究分析開采過程中礦山采場頂板巖性結(jié)構(gòu)變化、離層形式及其離層影響因素，獲得礦山采場頂板離層量化指標(biāo)，并探討分析礦山開采過程中頂板冒落危險性演化規(guī)律。

1 礦區(qū)工程概況及頂板冒落危險性監(jiān)測方案

（1）礦區(qū)工程概況。該金屬礦山內(nèi)大部分構(gòu)造屬于壓扭性斷裂，工程地質(zhì)條件簡單，礦體以類層狀方式賦存，近似水平，厚度2.6m～6.7m，礦巖界限分明。礦區(qū)內(nèi)圍巖致密，裂隙發(fā)育，巖體穩(wěn)定性中等，巖體抗壓強度為82.4MPa～140.72MPa，但礦床內(nèi)具有松散層，巖性以泥巖、頁巖和粘土為主。

（2）頂板離層特性監(jiān)測方案。針對礦區(qū)采場地質(zhì)條件及現(xiàn)場掘進(jìn)施工情況，共布設(shè)2個測區(qū)。

2 采場頂板冒落危險性分析

基于礦區(qū)采場頂板冒落穩(wěn)定性監(jiān)測方案，對頂板上覆巖層內(nèi)部裂隙發(fā)育程度及其頂板冒落危險性進(jìn)行分析。

（1）頂板鉆孔探測結(jié)果分析。根據(jù)采場頂板探測結(jié)果，將頂板深部圍巖破裂程度分為三個等級分別為破碎、較破碎及裂隙，并提取頂板部分鉆孔視頻截圖，如圖1所示。

圖1 采場頂板鉆孔電視截圖

為了便于分析頂板探測區(qū)裂隙分布規(guī)律，對頂板上覆巖層破裂分布進(jìn)行統(tǒng)計與分類，獲得如圖2所示的頂板巖層探測結(jié)構(gòu)。

圖2 頂板巖層探測結(jié)構(gòu)

由圖2分析可知，頂板上覆巖層中離層區(qū)和破裂區(qū)范圍較大，而且頂板完整區(qū)相對較少。在地下金屬礦開采過程中，該測區(qū)內(nèi)頂板承載能力較弱，井下爆破、采空區(qū)頂板冒落或遠(yuǎn)場荷載均是測區(qū)內(nèi)發(fā)生頂板冒落的誘發(fā)因素。

（2）頂板離層監(jiān)測結(jié)果分析。基于監(jiān)測方案，采場頂板中部布置具有四個監(jiān)測基點（2m基點，4m基點，6m基點及8m基點）的多點位移計，測得開采條件下各監(jiān)測基點頂板離層量如圖3和圖4所示。

圖3 測區(qū)1內(nèi)頂板離層量分布曲線

圖4 測區(qū)2內(nèi)頂板離層量分布曲線

由圖3和圖4分析可知，礦區(qū)巷道掘進(jìn)及礦體開采對頂板離層破壞影響較大，其中測區(qū)1離層總量達(dá)到89.59mm，各巖層間離層2m～4m區(qū)間最大，達(dá)到46.22mm；測區(qū)2離層總量達(dá)到272.20mm，各巖層間4m～6m區(qū)間最大，達(dá)到了116.05mm。在礦區(qū)掘進(jìn)10天內(nèi)，采場頂板上覆巖層出現(xiàn)不等距的離層現(xiàn)象，且該測點處頂?shù)装逡平枯^大。經(jīng)頂板上覆巖性與鉆孔電視探測結(jié)果分析，頂板離層與沉降變形較大的主要原因是由于頂板上覆巖層含有一定厚度的泥巖所致，其變形特性決定了頂板離層量。

3 采場頂板冒落危險性影響因素分析

地下金屬礦開采過程中，由于地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件的限制，且深埋礦體往往記錄復(fù)雜的地質(zhì)歷史進(jìn)程，使得礦體賦存巖體積聚大量的彈性能或者巖體較為破碎承載能力較弱，從而為礦體開采過程中采場頂板冒落提供了支持。

礦區(qū)采場頂板冒落是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程，其發(fā)生具有突然性、隨機性和不確定性。經(jīng)工程地質(zhì)概況、現(xiàn)場監(jiān)測分析，該礦體采動過程中發(fā)生頂板冒落的因素主要有：

（1）區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造因素：該礦體賦存區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造是在成礦后經(jīng)地質(zhì)作用而形成。區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造的變形程度及擠壓扭轉(zhuǎn)程度決定了礦區(qū)內(nèi)頂板冒落模式及其冒落性質(zhì)，且在一定程度上影響了頂板冒落危險性程度。與此同時，礦體開挖后，圍巖由原來的三向受力狀態(tài)向兩向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使得水平應(yīng)力向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，致使頂板和底板發(fā)生變形破壞，從而增加了頂板發(fā)生冒落的危險性。

（2）頂板巖層物理力學(xué)性質(zhì)：頂板上覆巖層是冒落事故的主體，其賦存條件是頂板發(fā)生冒落事故的基礎(chǔ)，則頂板結(jié)構(gòu)的完整程度和巖層堅硬程度是控制頂板穩(wěn)定性的影響因素。頂板結(jié)構(gòu)類型由上覆巖層結(jié)構(gòu)所決定，結(jié)構(gòu)類型分別為：完整型結(jié)構(gòu)頂板、板裂型結(jié)構(gòu)頂板、塊裂型結(jié)構(gòu)頂板、斷續(xù)型結(jié)構(gòu)頂板、斷續(xù)型結(jié)構(gòu)頂板、散體型結(jié)構(gòu)頂板，其發(fā)生頂板冒落事故的可能性依次增加。此外，頂板上覆巖層力學(xué)性質(zhì)也是影響頂板冒落的重要因素。頂板力學(xué)性質(zhì)較好則頂板巖層發(fā)生下沉、彎曲變形的程度則降低，反之，頂板力學(xué)性質(zhì)較差則頂板發(fā)生冒落的危險性將增加。

（3）采場巷道斷面形狀：地下金屬礦體開采下，采場巷道布置跨度和高度都比較大，且斷面為直墻拱形，頂板上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)相對較差，尤其受到采動的影響時，頂板易發(fā)生彎曲變形，使得頂板上覆巖層間離層量增加，從而增加頂板發(fā)生冒落的可能性。

（4）支護和采動的影響：合理的采場支護設(shè)計能夠有效的抑制采場頂板彎曲變形，控制頂板巖層間離層量，減弱頂板發(fā)生冒落事故的可能性。然而，礦體開采速度也是影響頂板冒落的重要因素之一，開采速度較快，則不可避免的導(dǎo)致采場巷道成形不規(guī)則，容易造成局部應(yīng)力集中導(dǎo)致采場圍巖穩(wěn)定性變差，進(jìn)而誘發(fā)頂板冒頂事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）基于鉆孔電視探測技術(shù)對地下金屬礦采場頂板進(jìn)行探測，獲得了頂板上覆巖層間裂隙展布規(guī)律，并進(jìn)行了頂板巖體裂隙發(fā)育等級劃分，為礦體開采過程中對頂板冒落進(jìn)行有效的防控提供了參考依據(jù)。

（2）采用多點位移計，監(jiān)測獲得了采場頂板深部巖層間不同的離層量，分析得出與頂板2m～4m范圍內(nèi)巖層離層量較大，該范圍內(nèi)巖層也是頂板發(fā)生冒落事故的主體，是進(jìn)行有效防控頂板冒落事故的重點巖層區(qū)。

（3）依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測及工程地質(zhì)概況，探討了在地下金屬礦體開采過程中影響采場頂板冒落的影響因素，采場頂板冒落是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、頂板巖層物理力學(xué)性質(zhì)、采場巷道斷面形狀及支護和采動等綜合影響決定的。