某金属矿井下地压活动分析及地压控制措施研究

黄 敏，贺小庆，吴亚斌，黄英华(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012；.陕西太白黄金矿业有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

某金属矿井下地压活动分析及地压控制措施研究

黄 敏1，2，贺小庆3，吴亚斌1，2，黄英华1，2
(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012；3.陕西太白黄金矿业有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

金属矿山地下开采容易造成局部地压活动显现，而频繁的地压活动容易对井下围岩及生产设备造成破坏，对安全生产构成一定的威胁。通过矿山开采现状及井下地压活动的表现形式，从岩体内部地质构造弱面、采空区、无序开采及爆破震动等方面分析矿区地压活动产生的原因及规律，并针对各影响因素提出了相应的地压活动控制措施，可有效控制地压活动现象，对矿山地压管理及保证矿山安全开采具有一定的指导作用。

地压活动；地质构造；采空区；无序开采；爆破震动

矿山回采后在岩体内形成众多连续或非连续的大量采空区，导致围岩应力随着空区形成过程而重新分布，岩体开挖后产生的次生应力场使巷道或采区周围的岩石发生变形和移动[1-5]。随着空区的逐步扩大，采区围岩岩体产生应力集中现象及地压活动显现的可能性逐渐增大，地应力的变化往往会在岩体软弱地质结构面处造成围岩破坏，容易产生规模性岩移地压活动，直接影响矿山巷道工程的布置及其稳定性，并影响矿山安全生产，使矿山存在一定的安全隐患[6-9]。为消除这一安全隐患，保证安全生产，必须找出符合实际的地压活动原因，详细分析地压活动规律并采取地压控制措施，有效减少或避免地压危害[10-16]。

1 工程概况

某钨矿采用地下开采方式，全面留矿法采矿，开采矿体主要为Ⅱ11号矿体，井下采用竖井+主平硐+盲斜井联合开拓方式，各中段高度为30～60 m不等，形成+340 m、+310 m、+250 m、+200 m、+160 m等中段。目前+200 m中段、+160 m中段正进行开拓、采准，其余各中段均为生产中段。+200 m中段仅有民采遗留空区，且大部分刚拉开未进行大规模回采活动，无新生产采场。目前已回采结束的采场共16个，生产采场共20个，围岩普遍为矽卡岩和灰岩。井下采空区规模较大，最大跨度超过50 m，空区连成片，部分预留矿柱已回收，顶板暴露面积较大。

井下工程地质条件属简单-中等类型，矿区位于新田岭花岗岩体北端东侧，属于区域挂板山复式背斜之次级丹凤坪复式背斜的东翼，轴向NNE-SSW，组成该背斜的地层主要为下石炭统石磴子段和测水段。地层产状较平缓，倾角在20～40°之间。矿区内未见大的断层，矿段北部有F16和F17两条断层，矿段东部的F19为一小型正断层。矿区岩层中发育四组节理，以SN向、NE向、EW向节理为主，NW向节理次之。

矿区资源储量丰富，矿石品位较高，但井下采空区错综复杂，采空区跨度、顶板暴露面积较大，围岩较破碎，局部地压活动显现。目前矿区井下采场稳定性状况不明，如何进行回收已成为影响矿山资源安全高效回收利用的重要课题。对开采历史及现状情况进行整理分析，对井下现场地压活动和采空区状况进行详细调查，主要针对井下采场地压活动进行分析和研究，明确采空区地压活动原因，并提出相应的稳定性控制技术措施，为矿山安全生产决策提供技术支撑。

2 地压活动表现形式

采场地压不同于隧道、水电、铁路等地下工程开挖后产生的地压现象，采场地压具有显现剧烈，波及范围大，活动规律难于认识等突出特点。矿山生产过程中，由于井下开采范围不断扩大，开采空间形态极其复杂，随着开采工作的进行，空区规模和形态又不断变化，岩体受到多次重复扰动，原岩应力重分布，部分区域应力集中，呈现出极其复杂的受力状态。根据井下工程实地调查发现，矿山井巷围岩稳定性较好，采场顶板及侧帮岩体稳定性较差。井下围岩特征面如图1所示。

图1 井下围岩特征面

采场地压活动从显现区域和影响范围上一般可分为大面积地压活动和局部地压活动两种。大面积地压活动发生时，影响区域和危害性极大，可以影响矿区大部分区域或整个矿区，甚至波及地表，严重破坏生产系统。局部地压活动发生范围面小，可能是个别采场或几个采场，也可能是巷道的某一地段，多发生在应力集中区域、矿体转折区段、未处理的采空区及空区周边小区域。根据现场调查及工程地质资料可知，小板垅工区原岩应力以自重应力为主，无大范围区域性水平构造应力，大面地压活动不明显，以局部地压活动为主，主要表现在采场应力集中或释放区的岩体破坏。

根据矿山地质资料及现场调查发现，F16断层出露于矿段西北角，F17断层出露于矿段北部勘探线10～13之间，倾向E，倾角40～60°，F19断层出露于矿段东部，倾向NW，倾角约50°，断层对目前矿体开采无影响。通过工程地质调查及岩体质量评价可知，矿、围岩原生结构面发育，均属Ⅲ级中等质量岩体。随着回采活动的进行，采空区逐渐扩大，在采空区顶板及侧帮岩体的原生结构面普遍出现张开度增大、结构面相互贯通等情况，对采空区稳定性十分不利。

经过多年民采和大规模回采活动，井下采空区形态复杂，虽然井下并未出现大面积的地压活动，但在局部出现顶板岩层冒落、开裂或片帮等现象。

3 地压活动原因分析

导致矿山地压活动的原因是多方面的，如矿体赋存状况、工程地质条件、地质环境以及回采方式等诸多因素。通过现场调查与分析研究，造成该金属矿井下地压活动的主要原因有以下几个方面。

1)岩体内部地质构造弱面。地质构造是影响井下地压活动的重要因素，又以构造及岩性为关键因素。大型连续结构弱面(如断层、破碎带等)成为岩体移动边界的切割面或滑动面。矿区内大的断裂构造比较少，但小的断裂构造较多，局部节理、层理，裂隙较发育。由于岩体内存在节理、层理、裂隙，大大地降低了岩体强度，导致岩体产生移动，加速了地压活动剧烈程度及扩大了地压活动范围。如果地质构造弱面存在于采空区中央部位，该处就很可能成为产生灾害性地压活动的爆发点。井下众多空区顶板、侧帮局部剥离现象就是因为岩体内部原生节理或裂隙的存在所导致，均受地质弱面所控制。同时，矿山围岩层理较多且层理面光滑，采空区顶板岩层更容易冒落。

2)采空区因素。矿山回采后存在大量采空区，空区体积大且未经及时处理。空区形成过程导致岩体的应力重新分布，岩体由三向应力状态转变为二向应力状态，采空区稳定性降低，并且为岩层移动提供了自由空间，采区产生应力集中的可能性增大，地应力的变化往往会在岩体结构面交切处或围岩松软区段形成突破口，产生规模性岩移地压活动，尤其会在井下大范围采空区周边的应力集中或释放区域表现的更加明显。

3)无序开采。根据矿山地质构造等条件，初步判断矿山地应力以岩层自重应力为主，构造应力微弱。由于矿山由多加民企整合而成，部分老采空区未合理开采，引起采区局部产生应力集中。早期开采时，井下多家生产企业分区采矿，同时生产作业，采区开采无规划，开采顺序混乱，基本上都是见矿采矿作业方式。留设的原生矿柱作为采空区内部的一种构件，具有对围岩支撑和维持采空区稳定性的重要作用，但矿山采空区数量大、空间分布广，多层空区上下错位，导致原生矿柱未能达到支护效果，使围岩的二次应力分布不均匀。不规则的工程布置和无序开采容易造成采区围岩应力集中现象，降低了井下岩体的承载能力，最终影响采空区的稳定性。

4)爆破震动。在爆破冲击波及爆破震动的作用下，含有地质构造弱面的岩体会产生断层错动、节理裂隙扩展、层理分离的现象。矿山开采实例表明，采场冒顶、岩层失稳的主要原因是采场频繁大爆破。由于矿区采用中深孔爆破方式，这势必加剧爆破震动对围岩稳定性的影响，有可能造成采场发生冒顶、片帮及整体垮塌的现象。

同时，根据工程经验及相关文献资料分析可知，影响采场地压的因素还有很多，如围岩的物理力学性质、原岩应力状态、开采深度、地下水、采场结构参数、矿块回采顺序、矿块开采强度、巷道围岩的支护方式、爆破规模等，应对所有影响因素进行系统性研究。

4 地压控制措施

根据井下地压活动表现形式及地压活动分析，应采取以下措施来控制采场地压活动。

1)严格按照采矿设计进行开采。在开采过程中必须严格按照采矿设计进行施工，同时合理规范采场布置，采场必须留设矿柱、顶底柱和间柱等；严格按照推荐的采场结构参数布置采场，严禁矿房超高、超宽，不得开采保安矿柱；严禁形成新的采空区安全隐患。

2)合理布置巷道工程及采场结构，加强围岩支护工作，保证井巷工程质量及采场稳定性。巷道断面的形状、支护的质量都直接影响巷道稳定性；采场长度、宽度及矿柱尺寸都是影响采场稳定性的关键因素。由于断层、裂隙、节理的发育导致井下工程稳定性受到不同程度的影响，为保证巷道工程及采场的稳定性，必须合理布置巷道工程及采场结构。主要工程结构应尽量避开地质弱面，同时要合理施工并加强支护工作，对于软弱围岩可采取喷浆支护、喷锚支护、喷锚网等支护措施。

3)选择合理的回采顺序。阶段及矿块回采顺序不合理往往是造成采区围岩应力集中的直接原因。金属矿山中阶段回采顺序主要有从上而下、从下而上两种，矿块回采顺序主要有前进式、后退式两种。不同的回采顺序造成的应力分布是不同的，往往需要经过工程类比或数值计算才能确定最优的回采顺序。选择合理的阶段及矿块回采顺序对于减小地压，避免采场围岩应力集中具有明显效果，因此调整回采顺序和回采方式是十分必要的。

4)减少爆破震动效应。采场爆破时应尽量采用多布孔、少装药、不耦合装药结构、微差爆破技术、控制最大段药量等方法来控制爆破震动效应，从而减少对采区围岩、矿柱及周围巷道的破坏，防止大面积的垮塌冒顶等地质灾害的发生。

5)合理规划采矿周期。矿山井下生产作业主要是多种工序的有序作业过程，主要包括开拓、采准、切割和回采等工序。为满足矿山生产或配矿的需求，往往是在有多个回采采场的情况下，提前布置多个备用采场。由于采场回采有时持续性太长，随着开采时间的推移，地压活动对开采的影响越来越明显，如果回采周期过长，可能会造成围岩变形而发生冒顶、片帮及垮塌等地压灾害。同时，备用采场布置也应该按照保有期限定额合理确定，尽量缩短巷道及采场的暴露时间，因此，应合理规划开拓、采准、切割和回采的相互衔接。

6)建立地压监测监控系统，加强对地压活动的监测。根据矿区采空区分布及稳定性状况，在采空区周围或巷道内建立应力及位移监测装置，安装钻孔应力计或位移收敛计，随时了解采场地压的分布状况，其中传感器嵌入巷道围岩尽量靠近采空区一侧，保证测点数据能够代表空区围岩的基本应力状况及位移量，对于今后的采掘作业面，需将应力监测设备布置在已形成空区围岩及支承顶板矿柱上，以保证监测设备数据可以准确反应围岩及巷道的应力状态。同时，在地表建立位移观测点，定期观测记录位移量，并对观测数据者进行详细分析。

7)加强采空区治理。为确保采空区对目前生产系统不产生影响，最大可能消除采空区引发或诱发的地质灾害，预防和遏制因采空区引发的重特大安全生产事故，确保井下安全生产，应加强采空区治理工作，确定技术上可行、经济上合理、安全可靠、便于现场操作的综合治理方案。

8)加强现场管理工作。仔细观察采场及巷道围岩的应力变化，敲帮问顶，并详细记录冒顶、片帮等地质灾害情况，及时掌握地压活动的变化情况。

5 结 论

对矿区开采历史、井下采空区地压活动及采空区状况进行详细调查与分析，并通过井下地压的各种表现形式，明确产生地压活动的真正原因。为保障井下安全生产，维护围岩稳定，必须采取切实有效的办法来减小地压活动对开采的影响，为此根据矿区地压活动产生的原因及规律，提出相应的稳定性控制技术措施，有利于矿山开展各种地压分析与监测，防范各种地压灾害，为矿山安全生产决策提供技术支撑。

[1] 雷远坤．无底柱高应力区地压活动分析及控制探讨[J]．金属矿山，2002(12)：26-28，30.

[2] 蔡寅峰，王永智，郭忠林．小铁山矿地压活动规律的分析与研究[J]．黄金科学技术，2004，12(6)：20-22.

[3] 孙国权，李娟，胡杏保．基于FLAC3D程序的采空区稳定性分析[J]．金属矿山，2007(2)：29-32．

[4] 张洋，李占金，李示波，等．某矿采空区数值模拟研究与稳定性分析[J]．矿业研究与开发，2013，33(4)：59-61．

[5] 潘家旭，毛建华，叶粤文．铜坑矿区岩层塌陷与地压活动发生机理[J]．矿业研究与开发，2013，33(3)：71-73，115．

[6] 刘松伟．童家院三中段127-193采区域地压活动分析及其控制措施[J]．湖南有色金属，1999，15(2)：5-8．

[7] 杨承祥，罗周全，唐礼忠．基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究[J]．岩石力学与工程学报，2007，26(4)：818-824．

[8] 傅军．兴隆4号联合空区地压活动分析[J]．江西有色金属，1994，8(2)：6-9．

[9] 江春林．江西钨矿山深部开采地压活动分析及控制[J]．中国钨业，2003，18(5)：44-47．

[10] 叶粤文．金属矿山地压灾害发生机理研究[J]．有色金属(矿山部分)，2006，58(1)：30-32．

[11] 余贤斌，Carlos Dinis da Gama．铜坑矿区Panasqueira钨矿地压活动分析与治理[J]．金属矿山，2005(10)：24-26，50．

[12] 饶运章，冯环．马坑铁矿地压监测的必要性研究[J]．矿业研究与开发，2007，27(5)：29-30．

[13] 刘慎波．凡口矿的地压活动分析及防治建议[J]．地质与勘探，2001，37(3)：93-96．[14] 郭友学，徐铁伟，韦锦华，等．弓长岭井下铁矿地压活动规律分析与控制[J]．现代矿业，2009(12)：82-84．

[15] 朱国辉，胡平安．大红山铜铁矿地压活动规律数值模拟分析[J]．湖南有色金属，2011，27(5)：1-4．

[16] 曾庆友，饶钢．玉水硫铜矿地压活动因素分析及应对措施[J]．现代矿业，2010(6)：127-128.

Analysis of ground pressure activity and control measures of ground pressure in a metal mine

HUANG Min1，2，HE Xiaoqing3，WU Yabin1，2，HUANG Yinghua1，2
(1.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.，Changsha 410012，China；2.State Key Laboratoriy of Metal Mine Safety Technology，Changsha 410012，China；3.Shaanxi Taibai Gold Mining Co.，Ltd.，Baoji 721000,China)

Underground mining in metal mines is easy to cause local ground pressure activity，and frequent ground pressure activities are easy to damage the surrounding rock and production equipment，and pose a threat to the safety production.Through the form of current mining and underground pressure activities，from the geological structure of rock weak plane，goaf，reasons and regularities of disordered mining and blasting vibration，analysis of ground pressure activities，and according to influence factors，puts forward corresponding control measures of ground pressure activities，can effectively control the activity of phenomenon.Mine management and ensure mine safety mining has a guiding role.

ground pressure activity；geological structure；mined out area；disordered mining；blasting vibration

2017-03-07 责任编辑：宋菲

湖南省重大科技专项课题资助(编号：2011FJ1003)；“973”计划课题资助(编号：2010CB735507)；国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目资助(编号：hunan-0010-2014AQ)；湖南省安全生产财政专项资金项目资助

黄敏(1985-)，男，湖南长沙人，硕士，工程师，主要从事采矿技术及岩石力学方面的研究工作，E-mail：huangmin923923@163.com。

TD32；TD861

A

1004-4051(2017)08-0112-04