地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律及其控制

范 磊

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司，安徽 六安 237400）

地下金屬礦山開采是資源開發的主要形式，地下環境的壓力成為制約礦山開采規模的重要原因。為經濟合理的解決支承壓力問題，需要分析總結支承壓力的形成原因、制約因素以及應對措施。研究支承壓力的分布規律對礦山建設意義重大，有助于形成系統理論，制定科學、合理、性價比高的預防控制措施，實現安全、高效、利益最大化的礦山開發。

1 地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律

基于回采工作面超前支承壓力對沖擊地壓、金屬礦山突出等現象有直接影響。以某礦山為例，通過理論計算及采用UDEC2D4.0數值模擬，對該工作面超前支承壓力的分布規律進行研究，同時對現場實測超前支承壓力數據進行統計分析。得出了超前支承壓力的分布規律。工作面超前支承壓力的影響范圍約為46m，超前支承壓力峰值約為19Pa，并距工作面10~14 m，應力集中系數約為1.9[1]。通過對比分析出支承壓力顯現的主要條件是如下幾種，參見圖1所示：

圖1 支承壓力顯現條件示意圖

（1）礦體埋深指的就是金屬礦山在地下深埋基數過大，在開采過程中容易因為支承壓力的預判不足或突然變動引發巷道塌陷等一系列安全性問題。

（2）礦巖軟弱破碎，巖體強度低，穩固性差，此時其支承壓力處于不穩定狀態，地下甚至地面的外界因素都會影響甚至破壞支承壓力的穩定性[2]。

（3）原巖應力大指的是原巖應力場是天然存在于原巖內與人為因素無關的應力場。自重應力場和構造應力場是原巖應力場的主要組成部分。由地心引力引起的應力場成為自重應力場。由地質構造運動而引起的應力場成為構造應力場[3]。原巖應力是支承壓力的構成主體。

（4）礦體傾角緩造成壓力分布集中，礦體采出后形成壓力支承真空區域，是需要重點關注的支承壓力形成條件。

區域構造分為蓋層構造和基底構造，地下金屬礦山開采一定會形成采空區。采空區為誘發重特大事故的重要因素，易引發透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災害，往往造成大量的人員傷亡和財產損失。采空區事故隱患治理不及時，部分礦山企業忽視采空區治理，特別是歷史遺留采空區得不到及時處理。

中小型礦山采空區管理不到位，專業技術力量薄弱，不按設計施工或無設計施工，礦柱留設不規范，造成采空區重疊、交錯現象比較普遍，嚴重威脅礦山安全生產[5]。采空區安全問題已經成為影響一些地方經濟發展和社會和諧的重要因素如表1所示。

表1 采空區周圍支承壓力區中巷道破壞率分布

由此可見，開采時要盡量避免采空區周圍支承壓力區中巷道破壞率，防止礦體難以回采。

2 地下金屬礦山開采過程中的支承壓力控制

地下金屬礦山開采過程中形成的支承壓力，最大值發生在工作面中部前方，峰值可達原巖應力的1~2倍，即應力集中系數K值的變化范圍為1.0~2.0。前方支承壓力的峰值位置可深入金屬礦體內5m~15m，其影響范圍可達采金屬礦工作面前方100m~300m[4]。在待采的實體地下金屬礦山上將不斷形成的支承壓力。該支承壓力的數值位于回采工作面內(如圖2所示):

圖2 回采移動支承壓力示意圖

本次設計采用分期開采，-200m水平以上氧化礦和部分原生礦作為第四系砂層含水層保護礦柱，暫不開采，一期開采-200m～-450m階段礦體，二期開采-450m階段以下礦體。為研究不同回采順序各步驟的應力分布及變化規律，以此分析不同階段開采順序的巖體應力變化和各階段上盤圍巖和頂板最大位移如表2所示：

表2 兩種開采順序各階段上盤圍巖和頂板最大位移

經驗證，-350m水平以上達到500萬t/a生產能力是可能的，-350m水平以下很難達到500萬t/a生產能力的要求。設計采用分期開采，一期開采-450m水平以上礦體，生產規模為500萬t/a礦石，二期開采-450m水平以下礦體，開采標高暫定為-450m，二期生產規模按照400萬t/a考慮。

由此可見，具體的開采方案應該按照地下金屬礦體埋藏深度專門定制。根據礦床開采條件，采礦方法選擇充填法。礦體和頂板巖石穩定性好，適合采用空場嗣后充填。開采方案以大直徑深孔階段空場嗣后充填法為主，部分礦體傾角緩、采場高度小于350m的采場采用扇形中深孔分段空場嗣后充填法。地下金屬礦體埋藏淺的礦山可以使用下行開采方案，但地下金屬礦體埋藏深的礦山要使用上向式開采方案。這樣可以減輕支承壓力，減少發生危險，增加可控因素。

3 結論

中國地下金屬礦山開采的研究工作雖然起步較晚，但成績十分顯著。隨著我國對金屬資源的需求量日漸增加，探究地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律成為研究重點。必須在開采前明確支承壓力顯現的條件，通過多項數據整合了解開采過程中支承壓力分布具體規律，達到高效、安全的開采目標。因此，準確分析地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規律及其控制是解決此問題的唯一途徑。