某钨矿山采区地压控制研究

2021-01-12叶际寰李春叶光祥

有色金属科学与工程 2020年6期

叶际寰，李春，叶光祥

（1. 江西下垄钨业有限公司，江西大余 341500; 2. 赣州有色冶金研究所, 江西赣州 341000）

0 引言

钨是国家战略性资源之一，赣南钨矿山大多经历了几十年开采，均已进入中深部开采，目前钨矿山大多采用的采矿方法是留矿法和阶段矿房法[1]，由于大多采场未进行充填处理，加上岩体结构等其他因素的影响，不同规模的地压活动时有发生[2]，其范围、规模以及危害程度，与矿山岩体工程地质条件、生产工艺、生产规模以及采掘强度等有直接的关系[3]。而处在地压活动区的采空区，由于其应力集中情况严重，存在复杂的岩石力学问题，更易引发灾变，需进行相关隐患治理工作[4-7]。陈兰兰等从采空区探测技术、采空区稳定性以及采空区控制等方面进行综合评述，简要概述了采空区稳定性的研究现状，指出当前空区稳定性方面研究中所存在的不足之处[8]。

国内外学者在岩爆预测、软岩大变形机制、地压监测系统、岩爆防治措施、软岩防治措施等[9-11]方面进行了深入研究，取得了很大的成绩。尤其国外在深井开采地压方面[12]，相似材料模拟试验、地下岩体工程数值模拟、地压在线监测等方面一直走在地压控制技术的前端。国内则在地压理论、形成机制、显现规律等方面进行了大量的观测与研究，取得了较大的成果。

1 矿区开采现状

某矿区矿体主要有石英细脉带矿体和大脉矿体，急倾斜大脉矿体一般采用浅孔留矿法开采，矿区现已进入中深部开采。矿区南组已开拓9 个中段，分别是+500 m、+450 m、+400 m、+337 m、+286 m、+236 m、+186 m、+136 m、+86 m，+500 m 以上属民隆开采。在9 个中段中，其中+286 m～+500 m 5 个中段已结束开采，+236 m、+186 m 中段大部分矿体已采完，已经进入残矿回收或边部矿体回采阶段，+136 m、+86 m 中段为目前主要生产中段，+86 m 中段在生产、开拓。由于历史原因，+500 m 以上为民窿开采，不正规，早已结束，遗留下大量复杂采空区，无资料可查，空区情况不明。历经几十年的采矿，+337～+500 m 中段进行充填的采场所占比例较少，留下的空区量大，+337 m 中段以下进行了废石充填的采场数量比上部中段稍多，据估计整个南组采空区总量有几十万立方米，采空区比较连续且形态复杂，形成了复杂空区群[13]。对于矿脉带中密集型石英脉钨矿体，由于相距近，相邻采场之间夹墙薄，极易垮塌破坏，用留矿法开采此类矿体易对回采工作带来困难[13]。由于+186 m 中段以上地压明显，为了安全地充分回收国家战略性钨资源，矿山因此在+136 m 中段103 勘探线两侧140 m 长范围沿矿脉带走向布置一个试验采场，进行了通过建造覆盖岩层由上部浅孔留矿法转型为阶段崩落法试验。试验矿块宽8～15 m，高度为中段高50 m，无顶柱和间柱，电耙道底部结构所在的底柱矿量在下中段回采时统一进行回收。

2 工程地质调查

岩体作为工程地质研究的主要对象，是由大小不同的岩块和各种结构面所构成，因此结构面的存在严重影响岩体的强度和整体性。在自重应力或构造应力作用下，对岩体破坏起控制性作用的主因当属节理、断层等结构弱面，在有采空区存在的条件下，岩体稳定性与采区地压紧密相关，而地压活动又以一定的表现形式呈现。为了更好地有针对性进行采区地压控制，有必要对岩体的工程地质和地压活动进行调查。

本矿区地层主要为寒武系浅变质砂岩，成矿前形成的大型断裂大多数以硅化破碎带或挤压破碎带出现[13]，按其产状特征，可分为5 组：南北向断裂破碎带14 条（F1～F14），东西向断裂破碎带 4 条（F16～F19），北东向断裂破碎带 7 条（F21～F27），北北东向断裂破碎带4 条（F28～F31），北西向断裂破碎带 3 条（F32～F34）。本区成矿后断裂较发育，但规模都很小，较大的如地表所见 F35、F36和 F37，延长都在 800 m 以内，错距 2 m 左右（水平视距）。成矿后断裂，以走向南北，倾向东的为主，走向南北，倾向西的次之[13]。

在结构面地质统计方法研究中，采用测线法对选定区域进行详细结构面调查，再运用Dips 软件对本次结构面调查所得的测量数据进行处理，绘制统计图并结合现场实际勘察情况得到优势结构面。结果见表1。

表1 优势结构面调查结果Table 1 Survey results on dominant structure plane

表1 结果表明，3 个中段的优势结构面有 1 组96°～98°∠70°～80°近于相同，186 m 与 136 m 中段也有1 组类似。

岩体质量的好坏直接关系到岩体的工程特性和稳定性，与地压活动密切相关，因此进行岩体质量的评价可对岩体好坏做出判别，从而指导地下工程施工，预防地压破坏的发生。现用Q 系统分类法对岩体质量进行评价，采用的计算方法是对6 因素进行如下的计算：

式中：RQD 为岩石质量指标； Jn为节理组数系数；Jr为节理粗糙度系数（最不利的不连续面或节理组）； Ja为节理蚀变度（变异）系数（最不利的不连续面或节理组）； Jw为节理渗水折减系数；SRF为应力折减系数。

根据表2 参数，经上述计算公式计算出Q 值为7.97，对照表3 中岩体级别分类数值可知，矿区变质砂岩岩体级别为Ⅲ级，岩体质量评价结果为一般岩体。

表2 Q 系统分类结果Table 2 Table of Q system classified results

表3 由Q 值确定的岩体级别Table 3 Rock mass grade table determined by Q value

3 岩移监测及规律分析

通过在采场围岩及矿柱岩石、巷道中布置应力计、地音仪、全站仪、木滑尺、或在线微震监测系统等地压、岩移观测手段[14-15]，对采区地压进行监测，以指导采场安全回采，并提供预警，有助于采区地压控制。在采区中采用了全站仪对矿区南组岩体进行岩移观测，表 4 是从 2016 年 12 月至 2018 年 8 月所记录的观测统计数据。

观测记录统计数据表明：

1）岩体位移在矿区南组+186 m 中段至+500 m中段 100 勘探线~107 勘探线范围内 X、Y、Z 3 个方向都有发生，在累计位移上，巷道顶板下沉量大于水平分量。

2）+136 m 中段崩落法大采场之上紧临+186 m中段，+186 m 中段巷道顶板下沉比上部各中段更快受影响，位移量也最大。

3）+236 m 中段南组地压区中心地带103 线至105 线东付，脉外运输巷沿脉方向顶板下沉量累计达77 mm，存有安全隐患，影响运输，中心位置顶板下沉量整体比东西两侧更大。

4 地压活动致因分析

由于采区地压显现主要集中在结构弱面部位、多条矿脉与岩脉相交复合部位、矿脉与构造交汇部位、两相临采场夹墙较薄且采幅较宽部位或暴露面积较大的三角矿柱等。研究分析认为采区地压活动主要是受相对发育的断层、节理等构造影响，叠加临空面的不利组合，在自重作用或构造应力下，才形成局部地压现象。若局部地压活动未控制好，有可能进一步诱发区域性地压活动的发生。总之，导致地压活动的主因有：地质构造与岩移、采掘顺序、采矿方法与结构参数、采空场、采掘深度、爆破方法等[16-17]。

地质构造与岩移：工程地质所涉及的地质构造如断层、破碎带、节理裂隙、层间弱面等是引发地压活动的一个主因，原岩应力因地质构造的存在而发生转移变化。在地质构造周围附近的岩石中不但易出现应力集中，而且由于结构面对岩体进行了切割，使岩体完整性得到破坏，承载能力也遭到下降。同时还使岩体沿弱面进行滑移分块，也即出现岩移现象，容易导致坑内工程破坏。如工程地质调查中发现的矿区南组+236 m 中段103 线至105 线东付之间近东西走向的沿脉V202 脉断层，由于在其南侧+186 m 中段15～20 m 水平距离有一个V204 采场，未充填，形成采空区，断层与空区斜切，造成局部块体错位，致岩移观测中的点位巷道顶板下沉77 mm，形成局部地压现象。

表4 矿区南组岩移（全站仪）观测记录统计Table 4 Statistical table of observation record on rock movement（total station） in the south group of mining area

采掘顺序：不同的采掘顺序所引起的地压现象是不同的，地压呈现程度也不一。如先采上中段再采下中段与先采下中段再采上中段，地压表现是有所差异。先采中央再往两侧后退式回采顺序与前进式回采所表现的地压也是有所不同。这就要根据采区实际情况来决定采掘顺序。

采矿方法与结构参数：相同工程地质条件下，对于急倾斜多脉带钨矿床，采矿方法不同，其地压显现也不同。同一采矿方法其结构参数选取不当，也会影响地压的产生。如南组原来采用浅孔留矿法，采后不充填，留下大量空区，易诱发夹墙垮塌等地压现象。而在136 m 中段103 线两侧采用崩落法开采，由于崩落法采场消除了采空区，地压表现仅在底部结构上。

采空区：空区是地压发生的必要条件，空区的形成过程导致了岩体的应力重新分布，为岩移提供了自由空间。空区充填与否决定了地压程度大小。

采掘深度：随着采掘深度的增大，区域的自重应力随之增大，采场围岩中所产生的应力与位移、在构造面上的应力状态都会随采深的增大而加剧，不稳定岩体的运动形式也会随之变化[18]。

5 采区地压控制

通过本矿区工程地质调查、岩移观测以及地压活动致因分析，紧密联系矿山实际，从矿山开采地压控制和危害预防等两大方面，对地压控制的有效方法与技术控制措施进行分析研究，提出了以下较为具体的控制方法与技术措施，供矿山在生产实践中应用，以利矿山安全生产与可持续发展。

1）根据地压活动规律，对井下安全生产进行科学合理安排。地压活动规律及其特征可分为4 个阶段，即初始来压阶段，破坏阶段，岩层移动阶段和相对稳定阶段[19]。根据工程地质调查情况，对于节理裂隙、断层等构造发育、矿岩的整体性及稳定性相对较差、有应力集中现象等矿段，如矿区南组101 线至107 线位置，1°∠75°这组近东西走向沿脉断层发育，及 96°～98°∠70～80°近南北向发育的构造切割，岩体整体性较差，矿岩破碎，易在此矿段频繁发生地压，则可以根据地压活动规律，井下采掘工作可以考虑在第1 阶段和第4 阶段进行作业，以防发生地压灾害。

2）因势利导控制岩移，整体上合理设计采掘顺序。根据采区地压活动特征，只要开挖了地下工程，必然会产生空区，根据数值模拟结果，在工程岩体周围不可避免地产生高应力集中现象，当超过岩体强度时必然使之破坏。如未对空区进行充填，加上断裂结构存在，被切割的不稳定三角岩块在自重作用下或构造应力影响下易向空区滑移。掌握不稳定岩体的移动趋势，对空区进行有重点有目的的废石充填、削壁充填，可以在一定程度上控制地压。如根据岩移观测中的数据可知，对+186 m 中段 105 线的 V204 采空区就应该进行重点充填，消除空区。根据上述变质砂岩岩体质量评价结果为一般岩体，在地下工程施工时局部不稳定地段就需进行支护。如南组+236 m 中段105 线附近脉外运输巷道由于顶板下沉77 mm，就进行了超过20 m 的U 形钢架支护。总之有计划地、有步骤地因势利导控制岩移。另外根据免压拱原理，在水平走向上科学安排好采掘顺序，避免因顺序不合理造成地压活动，危及安全生产。

在南组101 线以西，109 线以东，矿脉仍用留矿法开采，同水平相临平行主矿脉，隔墙厚3 m 以上的采场，则可以采用先采上盘再采下盘脉的顺序，即V204、V205、V206、V208 脉的顺序，同时要求下盘采场在回采时在水平走向上错开上盘采场至少50 m 以上的距离，以免相临采场爆破或岩移的相互影响，确保安全。

100 线至109 线地压集中区域，矿岩性能相对较差，构造相对较为发育。由此认为，回采工作首先从矿岩性能相对较差，构造较为发育，最容易产生应力集中矿脉带地段进行，然后逐步向东西两端推进。总体上以中部—西部—东部的开采顺序。纵向方向的回采顺序，则采取由上往下，并要求上中段的回采应超前下一中段的水平距离不小于100 m[1]，总体上能使开采地压平缓、逐步地向周边围岩转移。

3）优化采场结构及参数。根据工程地质调查结果可知，矿区南组101 线至107 线之外构造不发育，矿岩较稳固，钨矿脉可采用留矿法开采。对于连续性较差的矿脉，可以根据矿脉的赋存特点进行合理的划分，但原则上采场长度不大于60 m。如果有条件能及时对采空区进行废石充填，并且充填系数能达到0.6以上，采场长度则可大于90 m。

在采用崩落法的采场区域，尤其是在采场底部结构和下盘将形成高压应力区。其采场的结构参数优化主要是在底部结构的工程尺寸方面，遇结构构造相对发育地段，底部结构的维护可能更困难。如遇此情况，斗距可适当加大，取6～8 m，或选择平底出矿系统。

4）井下工程等局部地压控制方法。井下工程等局部的地压，主要是指由构造发育带所引发的地压活动。在处理时，除了要做到方法妥当外，还应该做到适时，如果处理不当，将可能引发更大范围的地压活动。局部地压主要呈现形式是片帮、垮塌、顶板下沉，主要采取刚性支护的手段进行控制，即小范围可选用木支护，中等范围可采用砌墙，浇灌混凝土，范围大的，并且较发育的地段可采用钢筋混凝土墙。如+236 m 中段105 线附近运输巷采用了刚性支护。

5）采空区及时处理。空场法回采矿体必然产生新的空区，空区的存在又为地压活动的必要条件。无疑对采空区进行处理作用巨大，如186 m 中段105线附近的V204 采空场必须充填，以减缓上部236 m中段对应位置的运输巷的顶板进一步下沉。因此，及时处理空区将能控制地压的产生和进一步发展。

南组101 线以西、107 线以东已采空区在条件许可的情况下，尽量充填空区，充填了的总比未充填的效果好，充填系数大的比小的好，对东西两头边角的采空区，也可采取封闭、堵塞出口等方式。

为了更好地从根本上解决采后空区存在问题，在开采技术条件满足的情况下，尽量采用崩落法回采矿脉带，通过在大采场上部中段崩落老采场夹墙和上下盘围岩，造设20 m 厚以上的覆盖岩层[20]，把上部复杂的空区群隔离开来，下部采场则采用挤压爆破方式回采矿石，用电耙道底部结构或平底堑沟出矿，能更好地控制地压往好的方向发展。