深部厚礦體開采過渡段地壓控制技術研究

賈 珍，張貴銀

（棲霞市金興礦業有限公司，山東 煙臺 265300）

1 引言

礦產資源是在國民經濟發展中占據舉足輕重的地位。隨著淺層地表資源的枯竭，目前國內大部分礦山已逐步轉向地下深部開拓延深。有些礦山開采深度已超千米，礦山壓力及巖層控制問題隨之而來，礦山安全生產備受此類問題困擾［1］。此外，礦體賦存環境千差萬別，總有許多不可預見性的節理、裂隙等結構弱面，從而更加難以摸清本就各向異性的巖體結構，礦山壓力與巖層控制工作的難度進一步增加，稍有不慎，極易引發礦山動力災害［2］。

某礦7#礦體埋藏深度大，圍巖穩固性差，以往采用上向干式充填采礦法，采空區頂板圍巖冒落嚴重，危及設備和人員安全，存在較大的安全隱患，并且地壓問題隨著開采深度的增加愈發突顯，巷道及采場巖爆等動力災害時有發生，給該礦的安全生產帶來嚴重挑戰［3］。鑒于以上問題，該礦-350m以下水平采用低貧損分段崩落法，來替代-350m以上水平采用的上向干式充填采礦法，以改善上向干式充填采礦法在該礦深部開采中存在的缺陷，因此加強過度期間地壓控制技術研究具有重要意義［3］。

2 工程概況

該礦的7#礦脈屬中溫熱液破碎帶蝕變巖型金礦床，礦體位于招平斷裂帶中段，主要產于斷裂帶的黃鐵絹英巖化碎裂巖，平均水平厚度13.3m，傾角50°，平均品位6.70g/t，礦體總體產狀穩定，水文地質條件簡單。礦石類型為含金黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖，物質成份和礦石類型簡單，屬于低硫低品位礦石，可選性能良好，7#礦體頂底板圍巖均為黃鐵絹英巖化碎裂巖、蝕變閃長玢巖，礦體與頂底板圍巖無明顯地質界線。

7#礦體及圍巖均有次級構造裂隙分布，且上盤含有5.0～10.2m的斷層泥，松軟易冒，礦體的強度低容易冒落，不適合采用大跨度空場下作業的采礦方法［4］。-350m中段及以上水平采用干式充填法開采，但常伴隨著的礦石損失大、安全條件差與生產能力低等技術風險；-350m水平以下采用低貧損分段崩落法，分段高度7.0～8.0m，即基于巷道內作業、中深孔落礦的采礦方法［5-6］。

3 采空區巖體冒落規律研究

3.1 采空區冒落監測

該礦7#礦體開采以-350m水平為界，從上向干式充填采礦法向低貧損分段崩落法過渡，過渡期間為了保證選廠持續運轉，-350m水平上、下的采場同時開采。這時下中段的低貧損分段崩落法的采空區冒落對-350m以上水平的采場構成嚴重威脅，為了確保-350m以上水平的上向干式充填采礦法采場的生產安全，在7#礦體-350m水平的穿脈巷道（536#、537#、538#與539#穿脈巷）對采空區的冒落過程進行監測、分析，以掌握采空區冒落規律、裂紋擴展時空變化，實際觀測冒落邊界與貧損分段崩落法首采分段的回采上限相比較，以確保上中段回采安全。

圖1 -350m水平沿脈巷監測點布置示意圖

-350m水平下設-363m（過度首采分段）、-371m、-378m和-385m分段，觀測發現-371m分段回采后采空區頂板圍巖發生了明顯大塊冒落，導致-350m水平4條穿脈監測巷（536#、537#、538#與539#穿脈巷）的端部與采空區接連冒透，如圖1。-371m分段與-350m水平保安礦柱線與采空區冒落線觀測值如表1所示。

表1 采空區冒落線與設計保安礦柱界線對比

根據表1監測結果可知，-371m分段開采后形成采空區的冒落線與所保留的礦柱上限無比接近，但4條監測巷內采空區上線均沒有超過保安礦柱線，說明-350m以下水平采用低貧損分段崩落法形成的采空區不影響-350m水平充填采場作業，但需要隨時監測采空區頂板圍巖冒落延展，最大限度的保證-350m以上水平充填采礦作業安全。

3.2 采空區圍巖裂紋時空延展監測

為了-350m以上水平作業安全起見，采空區圍巖裂紋時空延展監測位置選在4條監測巷坍陷區邊緣位置，監測結果如表2。

表2 各監測巷道坍陷區邊緣

在對采空區頂板監測冒落過程中發現，離開采空區約15m巷道圍巖產生了大小不一的裂隙，且在距采空區6.0m～10.0m范圍內，裂隙發育深度大且較密集，一定程度上反映了該段地壓活動劇烈。距采空區邊緣15m范圍內，拉應力集中誘發采空區自然冒落［7］。隨著采空頂板（冒落部位）的上移，采空區邊壁圍巖已經張開的裂紋，有趨于閉合的跡象。同時也充分證明了該礦7#礦體深部崩落法開采形成的采空區，服從典型的拱型冒落，冒落過程為陣發性、漸進式、零星冒落，且采空區邊緣內側有散體堆積情況下，采空區邊界范圍基本穩定，不在繼續延展。通過現場監測發現，該礦生產過程中發生的巷道與采場的破壞，均為頂板圍巖的冒落或塌方，顯現出明顯的自重應力場破壞的性征［8］。采空區散體形態及冒落線反分析推測如圖2所示。

圖2 采空區散體形態及冒落線反分析推測圖

4 地壓活動數值模擬研究

4.1 崩落法采空區對-350m水平采場出礦巷的影響分析

模擬崩落法開采的范圍為-350m至-385m分段，干式充填法采場的底部出礦巷位于-350m水平，目前已經回采-385m分段。以礦體傾向方向作為模型的長度方向，模型高度范圍為：-385m～-332m，建立的模型尺寸為100m×10m×70m，可以充分展現-350m水平上下圍巖受力狀態，且減少計算量［9］。計算模型的幾何形態如圖3所示，模擬采用的礦巖的平均力學參數見表3。

表3 礦巖力學參數表

圖3 崩落法采空區對出礦巷影響分析模型

在干式充填法采場的出礦巷道的底板處，設置監測點，在下部采空區擴展過程中，模擬計算監測點的豎直位移與水平位移，計算結果見圖4。

圖4 監測單元位移時程曲線圖

由圖4可見，在初始階段，觀測點的水平位移與垂直位移的增大速度均較快，但經過一段時間后，逐漸趨于平衡。當開采到-378m水平時，模擬計算的水平位移為2cm，垂直方向位移為3.8cm。這一數據與實際觀測的數據（2.5cm，4.2cm）基本相符，表明模擬計算的位移變化規律的可信度是較高的。當-385m分段回采結束時，干式充填法采場按計劃將全部回采結束，此時模擬計算的監測點水平位移為2.4cm，垂直位移為4.8cm，即水平位移量將增大20%，垂直位移量將增大25%。從出礦巷道目前穩固性現態分析，這一位移量產生的錯動，不會引起巷道塌落，從而不會嚴重威脅出礦的安全，因此可以按計劃全部回采干式充填法的采場礦量；此外，隨著-350m下部采空區的進一步擴展，巷道的位移還會進一步增大，從而使出礦安全條件隨時間的推移而變差，因此應盡可能加快干式充填法采場的回采進度，以縮短在-350m水平底部出礦巷道內的作業時間。

4.2 崩落法開采后圍巖應力模擬分析

在4.1節計算模型下，模擬計算得出的-363m分段、-371m分段、-378m分段以及-385m分段回采后的圍巖應力分布狀態，如圖5所示。

圖5 各分段回采后的應力狀態變化圖

由圖5可以看出，隨著開采分段不斷下延，回采后采空區頂板圍巖存在較大的應力集中，且為拉應力，由于7#礦體頂板為5～10m的斷層泥，礦體及圍巖的強度低，在拉應力集中作用下極易冒落。因此采空區的冒落應主要向上盤方向發展。此外，在采空區的頂部，存在較大范圍的應力集中區，由于礦巖節理裂隙發育，該應力集中區也會發生圍巖大量冒落，但從應力集中區域的邊界位置分析，在下盤側冒落的界線，受采空區側向應力的約束，下盤側向的交界線位置應力趨于平衡，巖體保持相對穩定。

5 結論

（1）該礦深部厚礦體開采后，采空區的頂板冒落服從拱型冒落原理，冒落過程為陣發性、漸進式、零星冒落。

（2）距采空區約15m巷道圍巖產生了大小不一的裂隙，且在距采空區6.0m～10.0m范圍內，裂隙發育深度大且較密集，且采空區邊壁圍巖的裂紋，隨著冒落部位的上移，有趨于閉合的趨勢。采空區邊緣內側有散體堆積情況下，采空區邊界范圍基本穩定，不在繼續向上延展。

（3）-350m水平過渡段地壓活動數值模擬表明：隨著開采不斷向下延伸，采空區頂板出現較大范圍的拉應力區集中區，導致上盤圍巖的出現大量冒落；在上向干式充填采礦法采場出礦完畢前，-350m水平以下崩落分段產生的采空區地壓分布比較均勻，其作用不會引起出礦巷道的大規模垮落，脈外巷內出礦作業比較安全。