脉钨矿床复杂空区下开采地压控制研究

张树标

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

0 前言

某钨矿是一个具有90多年开采历史的老矿区，先后经历过长期的民窿开采、与地方政府联合开采和停产等时期，井下遗留了大量的采空区。由于受矿区地质构造及开采工程因素等的影响，采空区地压活动迹象明显，且随着开采深度的增大，其地压也相继加剧，并更具复杂。部分中段出现了巷道龟裂、片帮和支柱折断，采场夹墙开裂和垮塌等地压现象，对矿山的安全生产构成了一定威胁。因此，针对性地开展了矿区开采地压控制技术研究，提出切合矿山实际的地压控制技术措施并付诸实施，使地压活动得到了有效控制，确保了矿山安全高效和稳定的生产。

1 矿山基本概况

1.1 矿床地质概况

某钨矿床属高温热液充填急倾斜脉状黑钨矿床。矿体呈脉状产出，赋存在浅变质砂、板岩中，矿石为致密块状石英脉型钨钼矿石，围岩为寒武系浅变质砂岩、砂质板岩等，岩性致密坚硬，普氏系数f=9～14。矿体形态比较复杂，膨胀缩小、尖灭再现、尖灭侧现、分支复合、分支尖灭等现象普遍存在。矿脉成带分布，主要分北组、中组、南组3个脉带。

1.2 矿山开采状况

矿区发现于1918年，之后经过40年的民窿开采，1958年转为国有矿山机械化开采。矿区上部已形成大量复杂的采空区，至今未处理。南、北组采空区总体积已达104万m3。

矿区采用平窿、盲斜井和盲竖井联合开拓，286中段以上采用平窿开拓，286中段以下采用盲斜井和盲竖井联合开拓。北组已开拓440、388、337、286、236、186、136、86共8个中段，中组已开拓286、236、186、136共4个中段，南组已开拓500、450、400、337、286、236、186、136共8个中段，其中136、86中段正在开拓中。286中段以上已基本结束回采，生产作业主要在236以下中段。矿区采矿方法一直采用浅孔留矿法。

2 地压活动情况

通过现场深入调查，矿区采空区未发现有大的岩层错动和地表陷落等地压现象，较为明显的地压活动均集中在构造发育地段、矿脉密集地段和民采开采密集区。矿区岩移活动范围明显受构造弱面及空区规模所制约，区域性地压活动不明显。

2.1 巷道地压活动情况

巷道地压现象一般表现为顶板冒落、片邦、开裂、倒塌、支护断裂等，这些现象往往造成安全威胁，破坏井下工艺系统。如南组500中段101线～103线V205运输道；南组337中段101线～103线V206巷道；南组286中段101线～103线V207巷道；南组337中段103线穿脉等都不同程度地出现了以上地压活动现象。

2.2 采场地压活动情况

处于构造发育地段和矿脉密集带的采场在上采过程中出现片帮、冒顶、夹墙开裂和垮塌等地压现象。如南组286中段101线～105线V205、V206、V207矿脉密集区采场；北组186中段12线～14线构造发育地段V38采场等都出现了以上地压活动现象。

3 地压活动特征与规律

由于矿体赋存状况不同、工程地质条件以及地质环境等诸多方面的差异，任何一个矿山的地压活动都有其自身特征与规律。通过现场调查与分析研究，矿区地压活动主要有阶段性、周期性、区域性和季节性等特征与规律［1］。

3.1 地压活动的阶段性

矿区地压活动的阶段性是指矿体开挖后造成岩体累进破坏的过程，可分为4个阶段：初始来压阶段、矿柱破坏阶段、岩层移动阶段和相对稳定阶段。

（1）初始来压阶段。初始来压阶段是指坑内由于受采掘开挖的影响，原岩应力场受到扰动而重新分布，应力在某些位置高度集中和转移。如在矿柱、坑道顶帮两角出现压应力高度集中或出现拉应力，使顶帮开裂，顶角岩石掉渣、片帮、冒落、钢木支柱发生弯曲变形，水泥墙出现裂缝等，这些现象称之为地压活动的初始来压，但这一时期维持时间相对来说是较长的，变化缓慢。有时受其他因素的影响，（如被卸载）还可停止发展。这一阶段采取一定的保护措施可以继续作业。

（2）矿柱破坏阶段。由于受采掘范围的不断增大影响，二次应力的进一步集中在矿柱或作用在夹墙、人工支护上，这时矿岩支撑体或人工支护体不堪承受巨大的外来载荷而破坏，导致井下工程的破坏，严重影响作业的正常进行。这阶段地压活动的特征是变化急剧，可以直观地听到岩石破裂声，见到岩体裂缝的扩展或坑道顶板下沉，以及连续的顶帮掉渣与冒落等现象。

某些支承矿柱的破坏导致载荷迅速转移到没有破坏的岩柱及支护上，致使这些矿柱的应力进一步增加，直到破坏而产生连锁反应，因此，在矿柱破坏阶段，地压活动急剧且形成较大范围的地压破坏。

（3）岩层移动阶段。矿柱的破坏使较大范围内的矿柱失去支撑岩体的能力，这时失稳岩体受重力场或构造应力场的作用，使岩体沿层弱面，断裂构造面向采掘后的自由空间滑移或处理后的空场挤压而发生岩层移动。

岩层的移动往往使井下工艺系统受破坏如巷道错位、下沉，轨道翘起或弯曲，两帮断裂或鼓帮等各种地压现象，导致坑内生产不能正常进行。

（4）相对稳定阶段。大幅度岩层移动使应力集中部位的应力充分释放或转移之后，应力处于新的平衡状态。岩体各部分会相对稳定下来，安全威胁暂时得到缓解，在一段时间内不会发生大范围的地压活动。现场表现是在地压活动的急剧阶段，造成回采困难，甚至不能作业，很多坑道不能通行，但到剧烈地压活动之后又可修复通道顺利进行作业。

3.2 地压活动的周期性

在急倾斜脉群矿床，多中段重复开挖的特定条件下，一个中段的全面回采、放矿、结束作业就是一次地压活动过程，即初始来压、矿柱破坏、岩层移动至相对稳定，之后地压活动则暂时地处于相对平衡。但下一中段的继续开挖，新的空场的形成，又导致某些部位的应力集中，出现某些应力集中部位应力叠加，使岩体产生累进破坏，而产生又一地压活动过程，这样周而复始地出现地压破坏，这就是地压活动的周期性特征。

历史资料证明，在每年的雨季，这种地压活动的周期性尤为明显。但是，由于多中段同时开挖或者在违背从上至下的采掘顺序时，这种周期性又较难区别开来。

3.3 地压活动的区域性

从大量的统计资料与现场调查的情况表明，矿区地压活动具有较明显的区域性特征。矿区地压活动主要表现在南组和北组，尤以南组地压活动更为明显，而南组101线～105线一带又是地压活动重点区域。中组由于337中段以上未进行开采，下部中段矿岩条件好、矿脉稀疏，所形成的空区也不多，所以地压活动不明显。北组同样由于矿岩条件好、矿脉稀疏，所形成的采空区相对较小，并且连续性差等原因，采区的地压活动也一直不明显。

3.4 地压活动的季节性

矿区地压活动的季节性，主要反映地压活动与雨季密切相关。矿区地压活动时间主要集中在每年3～7月雨季期间。在此期间由于水的作用，削弱了岩体的物理力学性能，从而加剧了采区的地压活动。据井下岩移和木滑尺观测的资料，地压活动在雨季的变化速度是旱季的好几倍。

4 地压控制措施

开采地压是矿山生产中逐步显现出来的一种因岩体开挖后应力不平衡而产生的岩体变形和破坏现象，有其自身的形成与发展规律。生产实践中，只要认识掌握地压规律，应用针对措施，开采地压是可以得到有效控制的。

针对矿区地压活动特点，有必要采取技术措施控制矿区开采地压，避免因单一采场垮落，连锁引发大规模地压灾害的产生。

4.1 设置隔离层

针对矿区开采历史悠久，上部已形成大量复杂的采空区，且地表未贯通、上覆岩层比较厚的复杂情况，提出设置隔离层处理286m水平以上应力集中老采空区的地压控制措施。通过设置隔离层，使地压危害控制在隔离层以上区域，不致影响下部矿井。根据采空区稳定性数值模拟分析结果，236中段设置为隔离层。即首先在该中段采空区全部充填废石，充填系数必须达到0.7以上，形成缓冲层，以缓解上部地压向下发展。

4.2 预留保安矿柱

针对南组337中段和286中段103线地压十分严重的问题，尤其是337中段103线主扇位置呈现出较大的地压迹象，特别提出在南组236中段以下103线预留10m左右保安矿柱的地压控制措施。通过预留保安矿柱，保护好103线穿脉巷道，从而保护好主扇，保护矿井的安全，预防灾害性地压的发生。

4.3 合理处理采空区

针对矿区下部中段实际情况，提出下部中段以“充”为主的空区处理方式，采取废石充填采空区的地压控制措施。通过有效地充填采空区，提高围岩稳定性，从而防止矿区大规模灾害性地压的发生。

实践证明长期未作处理的大量连续空区是地压灾害的隐患，对空区进行充填处理是限制岩移规模、防止岩移“暴风”，减少地压灾害的有效方法。

统计资料表明，当连续采空区的总体积达到3～5万m3时，存在产生较大范围的岩体变形并引起规模性地压显现的可能性。可见，及时有效地处理采空区是矿区开采地压控制中最为重要的技术措施。采空区充填后，可有效阻止围岩的崩塌与变形，对有效抑制矿区大面积的岩移地压灾害效果十分明显。

采空区形成使其一定范围内的围岩应力重新得到分布与性态改变。放矿后的空区，通过时间效应，其边界岩体产生循环变形、位移和破坏。实施空区充填，及时向空区围岩提供支护，起到对空区边界变形破坏的阻尼作用［2］。

4.3.1 废石充填采空区

这是一种简单易行、适用有效的方法。即可利用地表废石，又可利用井下开拓废石和剔除废石，对空区实施充填，做到废石不出窿，要求重点采场充填系数必须达到0.7，其他采场充填系数必须达到0.6。236中段及其以下采空区进行了充填，使矿区地压得到有效的控制，从而避免了灾害性地压的发生。

4.3.2 自然崩落处理采空区

对于边远空区和较稀疏的空区以及500m中段以上民采采空区采用自然崩落法处理，并对自然崩落的空区范围和地段进行封闭。对于286中段～500中段采空区结合残矿回收（采用削壁充填法）进行采空区处理。

4.4 选择合理的采场结构参数［1］

矿区一直采用浅孔留矿法，适用于脉距大于4m的单脉分采或者脉距小于4m的多脉合采。其采场构成要素如下：

（1）普通采场构成要素：采场长度50～90m，回采高度40m，漏斗间距5m，顶柱3m，底柱2.7m，间柱3～5m；

（2）地压活动中心区采场构成要素：底柱3～3.5m，顶柱3～5m，漏斗间距5m，其他尺寸依具体情况而定，并应严格按设计尺寸要求施工，保证质量；

（3）对于矿岩中等稳固以上、矿脉连续性较好和矿脉不密集区域的留矿法采场长度以80～90m左右为宜；对于矿岩连续性好，构造相对发育和矿脉相对密集区域的留矿法采场，采场长度可根据具体情况酌情减小。

4.5 调整回采顺序

为了改善由于回采引起的应力集中状况，减少岩移威胁，利于采场的回采安全，扭转顺序不合理的局面，根据现场调查情况，对中段平面、中段间、脉间和南北脉组的开采顺序作了合理调整［3］。

4.6 加强采区的排水

现场调查结果表明，矿区下部中段的井下涌水量比上部中段有一定增大。坑内涌水量的增大，将加剧对岩体的侵蚀，削弱了矿岩的物理力学性能，从而间接地激活了区域的地压活动。因此，加强采区的有效排水显得尤其重要。

（1）在地表设置截流防渗工程，将地面降雨汇水导流出矿区，尽可能防止和减少地表水渗流到井下。在条件允许的情况下尽可能多地植树造林，同时做好地表植被的保护工作，以减少大气降水的渗透。

（2）完善各中段的排水设施，包括排水沟等自然排水与机械排水设施。尤其是要做好北组286中段和南组337中段排水沟的排水工作。加强对下漏水口的截堵，以减少井下水往下渗流。岩石条件差、构造发育的区域是排水工作的重中之重。

（3）在深部设立集中排水站，加强对深部积水的排出。

4.7 开展地压活动监测

地压活动监测工作，主要包括建立地压活动监测系统和加强日常地压观测等工作。

4.7.1 建立地压活动监测系统

为及时掌握地压活动情况，根据点多、面广特点，建立了以矿区地压活动中心为重点，空区、构造控制线为网络的监测系统。

根据现场调查情况，矿区地压活动大多数发生在矿脉密集、构造发育区段以及老采空区域，因此，这些区段就成为地压活动的重点观测区域。如南组337中段和286中段101线～107线区段；北组286中段6线～12线区段等。地压监测的主要手段：采用全站仪导线法观测井下岩移；采用木滑尺观测岩体间的相对位移；采用声发射仪监听采空区的稳定性等。

4.7.2 加强日常地压观测

加强日常地压观测，发现地压明显变化，及时采取措施，防止地压灾害的发生。地压观测采用定期和不定期的观测方式，及时准确地收集原始数据，并加以整理与处理，以便掌握采区的地压发展情况，及时采取相应的对策。地压监测应从组织上落实，并做到持续观测。

4.8 加强地压管理

矿山地压活动是随着矿山的开采而产生与发展的，并且地压活动是有规律性可循的，是可以认识的，也是可以控制的。因此，对于矿山企业，应加强地压管理，增强地压管理意识和提高地压管理水平。

（1）强化地压队伍建设并成立专门机构，全面管理矿区的地压工作。通过人员培训分工与落实责任，确保地压管理工作的有效性。

（2）紧密结合实际，制定相应的规章制度，明确规范地压工作的管理要求，以便有章可循，保证管理工作及时到位。

（3）监督并指导各种地压控制技术方法与措施的落实与质量检验工作。及时总结工作中的经验，发现问题立即整改。通过对矿区地压的有效治理，为生产安全与持续发展提供技术保障。

5 结语

通过设置隔离层、预留保安矿柱、调整回采顺序和对采空区的处理等综合地压控制技术措施，使矿区地压活动得到了有效控制，避免了矿区灾害性地压活动的发生。该研究成果不仅为矿区今后的开采设计、生产施工与管理提供了技术支撑，而且对于提高资源回收率，延长矿山的服务年限，提高企业的经济效益，保障企业持续发展，以及保证矿山安全生产具有重大的意义。同时为复杂空区下脉钨矿床开采地压控制奠定了基础，对类似矿山地压控制具有借鉴作用，具有很好的推广应用前景。

［1］下垄钨业有限公司，赣州有色冶金研究所.左拔矿区开采地压控制研究试验研究报告［R］.赣州：赣州有色冶金研究所，2011.

［2］何显机，钟卫伟，肖德伸，等.下垄钨矿地压灾害后复产的采场地压与控制［J］.中国钨业，1998，（5）：29.

［3］何维全，吴贤振，赖长顺，等.下垄钨矿左拔矿区围岩破碎及矿脉密集采场回采技术研究［J］.中国钨业，2010，25（6）：12-14.