瓦房子锰矿雹神庙矿区地压活动规律及控制方法

李延伟 王景林 何荣兴 张大明 邹存理 姜永恒

(1.鞍钢集团矿业矿业公司瓦房子锰矿，辽宁朝阳122622;2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004)

1 开采现状

瓦房子锰矿是鞍钢锰铁和锰矿石原料生产基地，是辽宁省最大锰矿产资源赋存区域，共有5个矿区，雹神庙矿区位于矿山的中部。雹神庙副井采区原由小矿点开采，据现有钻孔资料与实际揭露表明，该区共含3层平行矿体，第1层矿体平均厚0.3 m;第2层矿体平均厚0.35 m;第3层矿体平均厚0.3 m。第1层矿体与第2层矿体相距8～10 m，第2层矿体与第3层矿体相距4～5 m。且矿体倾角在10°～20°之间，第1层矿体不连续未开采;第3层矿体因顶板围岩稳定性差也未投入开采。目前主要开采第2层矿体，如图1所示，至今仍采用建矿初期的人工出矿逆倾斜壁式充填采矿法。

从2007年矿山接管以来，采用规则的壁式充填法从九平盘开始开采。在开采过程中，开拓巷道地压显现严重，平盘运输巷底鼓、两帮内挤、顶板下沉，维修工作量巨大，虽然采取了锚杆与金属棚架等多种支护措施，最终还是未等采区矿房回采完毕，平盘运输巷逐渐被挤垮，联络巷道大量冒顶。到第十平盘，开拓巷道的地压更大，平盘运输巷道几次改线都发生大冒落，开拓工程难以形成。地压大造成的巷道破坏现象，不仅增大了巷道的支护与维护成本，而且严重影响了采区的生产效率与安全条件。

2 地压活动规律

现场调研表明雹神庙矿区副井九盘地压显现始于2000年，即矿山开采3 a之后，最初的表现形式为巷道底鼓，之后巷道两帮内挤、片帮，最后顶板开始下沉，如图2所示。巷道来压后变形迅速，且变形量大。为保持运输巷道的正常运输，需要对底板鼓起和两帮片落碎石进行清理，而且还要撬顶，最短间隔20 d左右就要清理一次，清理工作繁重，而且地压持续作用，巷道破坏长度不断加大。由于巷道维护成本过高和所剩矿量可采部分不多，九盘区于2012年6月停产。到2013年5月观察时，整个九平盘运输巷道只有80 m长的一段勉强可以进人，其余巷道完全塌死。到2012年7月观察时，九平盘运输巷道可进人长度不足60 m;到2013年11月观察时，九平盘运输巷道的联络道塌垮，已经无法进入运输巷道。由此可见，地压变形还在持续，且越往里地压越大。

而且雹神庙副井采区的地压破坏形式随巷道与矿体的相对位置而异:第1层矿体与第2层矿体的直接顶板为厚约0.3～0.6 m的厚层泥质页岩，稳定性较好，以该厚层泥质页岩为顶板的巷道的地压显现形式为底鼓、片帮与顶板下沉;在厚层泥质页岩之下为厚约0.03～0.2 m的薄层泥质页岩，质地比较破碎，巷道掘进后的地压显现形式为持续冒顶，很快冒落到厚层泥质页岩。所以，从雹神庙矿区运输巷道破坏形式上可以概括为2种主要形式，即片帮—底鼓—顶板下沉和顶板持续冒落［1-2］。

图2 运输巷道破坏现场Fig.2 Damage sites of transport roadway

3 地压破坏原因分析

根据地质与巷道破坏现状调查与地压显现规律分析结果，瓦房子锰矿副井区的巷道破坏原因可归结为如下4个方面。

(1)含不稳岩层。巷道两帮与底板主要为泥质页岩，层理发育，层里面严重绢云母化，无黏结强度，而且垂直层理的节理间距较小，岩体呈碎裂结构，遇到拉应力条件极易瓦解。

(2)采动压力大。随着两侧矿房开采，采动应力集中作用于运输巷道的走向矿柱上。由于主运输巷道的顶板为厚层页岩，围岩硅化强、韧性大，整体变形能力强，应力集中系数大，造成两帮与底板不稳岩层承受较大的集中应力。

(3)支护形式不适应地压显现特点。矿山采用木棚、金属棚架或拱顶锚杆支护，属于被动性局部支撑点支护，不能全断面向围岩均匀施压，从而不能改变巷道两帮与底板变形造成的拉应力条件，造成巷道收缩变小，两帮片落，底部鼓起，巷道断面大幅度减小直至整体破坏。

(4)采场回采不规范，顶板厚层岩体的集中应力缺少应有的释放空间，同时运输巷道与采场间的矿柱宽度(3 m)偏小，不足以承担厚层顶板的集中压力，使顶板整体沉降。

4 地压控制方法

针对上述原因寻求巷道地压的控制方法，需要从以下3个方面研发综合控制技术:一是改进巷道断面形状，以解决含不稳岩层造成的巷道围岩变形的不协调问题，严防形成拉应力条件;二是改进支护技术，控制巷道围岩协同变形;三要根据采场条件留设合理宽度的走向矿柱，使巷道围岩能够形成良好的承载结构，增大巷道的稳定性。

根据点荷载数据，第2层矿体及其顶板围岩的岩石块体强度并不低，主要是层理和节理发育，造成稳定性差，为此设计图3所示断面形状及其喷锚网支护方案，其中图3(a)的拱顶为椭圆形用于顶板为厚层泥质页岩的巷道，图3(b)的拱顶为半圆型，用于顶板为薄层泥质页岩的巷道。根据表1所示的围岩状态，选用树脂锚杆紧跟工作面支护，及时提供支撑力［3-4］。

图3 巷道断面及其支护形式改造方案Fig.3 Improvement proposal for roadway section and its supporting

表1 巷道形状与支护参数推荐值Table 1 The roadway shape and the recommended support parameters

5 结论

(1)查明了瓦房子锰矿雹神庙矿区副井区地压显现的特点，分析了地压显现的规律，总结出巷道破坏的两种主要形式，即片帮—底鼓—顶板下沉和顶板持续冒落。

(2)调查分析得出，巷道破坏的主要原因是含不稳岩层、矿体顶板厚层硬质岩层引起的应力集中，现用木棚与金属棚架支护形式不适应巷道围岩的变形特征，为保持巷道的稳定性，需改进支护技术，使巷道围岩形成稳定的支撑结构。

(3)根据运输巷道地压变形破坏特征、矿岩点荷载强度和围岩稳定性分析得出，可按协同围岩变形的原则提高巷道的稳定性，为此设计了顶、底板椭圆形拱的巷道断面、全断面喷锚网支护的改进方案。

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