水平型石英脉金矿废石充填对顶板的支撑作用

2019-07-26韦立坚张建华

中国矿业 2019年7期

韦立坚，张建华，刘涛，魏鹏

(1.中国黄金集团，北京 100011；2.内蒙古金陶股份有限公司，内蒙古赤峰 024327)

石英脉型金矿多产自太古宇变质岩系及显生宇花岗质杂岩中，也有产自元古宇及显生宇浅变质岩系[1]。该类金矿脉具有围岩总体较坚硬稳固且围岩整体性好、矿脉较薄等特点，脉赋存复杂。针对急倾斜的金矿脉通常采用废石充填法[2-4]，比如削壁充填法和硐室削壁充填法等[5-7]，所用的废石充填对顶板的支撑作用在生产实践中得到了充分证实。但对于倾角比较明显小于岩石自然安息角的水平型石英脉金矿(以下简称水平型脉金矿)，在现场生产中还没有见到真正意义上的废石充填法，理论研究也少见。人们对于水平型脉金矿的废石充填能否足够支撑岩石顶板存有疑虑。为论证水平型石英脉金矿采用废石充填的可行性，本文将对常见的水平型脉金矿的围岩稳固性、采空区垮塌、顶板力学模型以及废石充填对顶板的支撑作用等问题进行初步探究。

1 水平型脉金矿顶板围岩稳固性

水平型脉金矿的顶板围岩坚硬稳固、整体性好，常见的脉金矿顶板岩石如花岗类片麻岩等，抗压强度达到100 MPa以上。但水平型脉金矿也存在局部区域顶板不稳固，主要是因风化严重造成的矿脉直接顶板围岩有几米至二十几米的岩石不稳固的问题。现场可采用铁锤敲击顶板的方式来判断顶板岩石的稳固性：当发出“”的声响时，可认为坚硬稳固；当发出“噗噗”的声响时，可认为不坚硬稳固；当顶板暴露面宽度仅有1.5 m或2 m时顶板仍垮塌，认为极不稳固。针对“”声响且看起来没有裂纹的顶板，采矿允许暴露面宽度可达6 m以上，其余允许暴露面设定为3 m；当极不稳固时，允许暴露面宽度设定为1.5～2 m。

除了以上特点外，水平型脉金矿的矿体具有窝状分布的特点，即矿体的走向长度或倾向高度两者总有一项一般不超过200 m，或者即使矿脉规模巨大但脉体内也常常能分割出许多无矿地段。加之水平型脉金矿的矿脉一般厚度较薄，这些因素使水平型脉金矿的顶板岩石在稳固性方面与煤矿、铁矿、普通有色金属矿等相比具有鲜明特点。

2 水平型脉金矿采空区垮塌特征

1) 一个小规模的独立矿体，采空后形成了约40 m×50 m，最高处约高3 m的透镜状采空区，仅在中间位置留有约3 m×3 m的矿柱，该采空区历经5年未现崩塌迹象。

2) 一个超过20年的老采空区，原先留的规则矿柱已经风化且塌落，但顶板依然完好而没有明显下沉，也没有发生断裂，形成了宽约40 m，长超过50 m的巨大采空区。

3) 一个原先顶板极不稳固的矿段，采完厚度约2 m的矿体并运走垮塌的顶板岩石后，形成了约30 m×30 m，高度达15 m的采空区，该采空区历经4年没有新的垮塌，也没有下沉。

4) 一个矿体最大厚度约2.5 m的矿段，采完后形成了约40 m×50 m的采空区，历经4年，原先留下的不规则矿柱及部分顶板岩石陆续垮塌，有1～2 m厚的顶板围岩垮塌，垮塌下来的围岩的形状主要是扁平的棱块状，最大的棱块长约 8 m，宽约3 m，该采空区的垮塌过程较缓慢。

5) 一些1.5 m×2 m的矿柱在1.5 m高的采空区中被挤压形成了垂直型的裂纹，如图1所示。这些矿柱看似十分危险，但顶板并没有垮塌下来，矿柱也暂时没有倒下，此类矿柱主体多为脆性石英岩，矿脉是石英脉型。

上述采空区的垮塌或不垮塌，不会波及地表，这些采空区也没有发生明显的顶板弯曲变形，更没有引起地表塌陷。这些特征与沉积岩类为顶板的煤矿[8]有所不同，主要是水平型脉金矿赋存较深、围岩整体性好且坚硬稳固以及矿脉窝状分布等造成的。

同时图1表明，采空区顶板已经产生了极小的下沉，主要是顶板因开采卸载后发生的地压转移，增加了矿柱受压力，进而促使矿柱产生了垂直型的裂纹。但矿柱没有受到进一步破坏，表明采空区顶板的下沉并没有进一步发展。

3 水平型脉金矿采空区顶板的力学模型

针对水平型脉金矿矿体分布特征及围岩稳固性，可将水平型脉金矿的采空区顶板简化成力学模型，如图2所示。根据普氏拱理论可知，采空区顶板只需承载平衡拱内围岩的重力，与拱外的上覆围岩无关。

图1 矿柱受压开裂的情况Fig.1 Diagram of pillar pressure cracking

图2 水平型脉金矿采空区顶板的力学模型Fig.2 Mechanical model of the goaf roof inhorizontal vein gold mine

由于水平型脉金矿可能会在局部地段顶板不稳固，所以需要关注的是图2中的免压拱内的“危险区域”。由前述的几个实际的采空区垮塌情况可知，当顶板岩石足够稳固时，“危险区域”可能不会出现任何垮塌或仅会出现少量垮塌，而且这种垮塌过程是缓慢的；当“危险区域”部分极不稳固时，垮塌是必然的，但垮塌的厚度是有限的。

4 废石充填对顶板岩石的支撑作用

在以往的现场生产中，通常采用留矿柱的方法维护顶板，虽然简单且成本低的废石充填法在垂直型脉金矿中已经得到很好的应用，但在水平型脉金矿中，并没有应用实例，本节将对废石充填的支撑能力展开讨论。

当“危险区域”的岩石垮塌时，垮塌下来的岩石的体积会增大。通常情况下，岩石的松散系数约为1.5。另一方面，将松散的岩石堆积体压缩变小，也是要施加压力的。根据煤矸石及风积沙的承载能力测试数据变化图[3]，在0.2 MPa、0.5 MPa、1 MPa、2 MPa、10 MPa、20 MPa的压力下，煤矸石的相对变形量(试样直径不变，只是长度变小)分别为6%、11%、15%、18%、28%、31%，风积砂为1.3%、2.5%、3.5%、4%、8%、10%。

在水平型脉金矿的废石充填中，参考煤矸石及风积沙的承载能力测试数据，选择在0.5 MPa压力下、2 m高的采空区，则废石充填体将被压缩0.2 m。但是，0.5 MPa的顶板压力需大约19 m厚的顶板围岩重力。如果19 m厚的顶板岩石垮塌后其厚度仅增加0.2 m，意味着其厚度方向仅膨胀约1%，而且还留在了原位，这种情况完全可以看作是该岩石并没有垮塌，只是产生了轻微的裂纹。通常，金矿废石的性能都会优于煤矸石，因而，水平型脉金矿废石充填后顶板垮塌难以发生。

事实上，顶板岩石的垮塌是缓慢的过程。无充填的情况下，初级垮塌发生后，新的顶板岩石暴露出来；随着时间的推移，新的顶板也会发生垮塌，直到平衡发生。在有充填废石的情况下，初级垮塌时，由于对充填废石产生的压力太小，难以压缩充填废石，从而挤不出膨胀空间，使垮塌难以真正发生；次级垮塌时，由于初级垮塌会膨胀而产生膨胀力，这种膨胀力对次级垮塌有支撑作用，而且次级垮塌更难挤出膨胀空间，次级垮塌也难以发生，更次级的垮塌就更难发生。显然，废石堆的存在使顶板岩石没有足够空间用于垮塌膨胀，因而，使垮塌难以进行。在现场中，经常可见岩石在垮塌之前的受压膨胀，如图1中的矿柱开裂就是一种典型的垮塌之前的受压膨胀。

可见，在水平型脉金矿中废石充填是有效的。当然，由于废石块度大小不一，在充填时容易在充填体与顶板之间形成空洞或间隙，为了提高废石充填的有效性，可以简单地用硬质泡沫塑料[9]填充这些空洞或间隙，即可实现充填废石与顶板的“整合接触”(顶板岩石的压力可通过硬质泡沫塑料比较均匀地传递给石块的顶点和侧面，接触不到顶板的石块也能接受到顶板岩石的压力)，因而使废石充填体能提供较大的初始支撑力。否则，如果充填废石与顶板之间存在空洞和间隙，则初级垮塌可能会比较容易发生，由于通常采矿活动可能就在近旁，这种初级垮塌极有可能会引起连锁反应，会威胁到采矿作业点的安全，所以，废石充填的充分接顶是重要的。另外，根据垂直型脉金矿的废石充填的经验，零星的木头支护也很有必要;当发现顶板某处有危险迹象时，可以用木头支撑，而且在充填时，这些木头也不拆除。

另外，如果采空区的跨度很大，两个方向的跨度都大大超过200 m(比较少见)，及时进行废石充填后，在远离采矿作业点的地方其实已经形成垮塌膨胀与充填支撑的力量平衡，相当于此处已经形成“稳固桥墩”。当然，为了进一步打消顾虑，也可以按照一定的间隔构筑能支撑顶板的混凝土隔墙，或将品位偏低的地段留作矿柱。