地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規(guī)律及其控制

范 磊

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 六安 237400）

地下金屬礦山開采是資源開發(fā)的主要形式，地下環(huán)境的壓力成為制約礦山開采規(guī)模的重要原因。為經(jīng)濟(jì)合理的解決支承壓力問題，需要分析總結(jié)支承壓力的形成原因、制約因素以及應(yīng)對措施。研究支承壓力的分布規(guī)律對礦山建設(shè)意義重大，有助于形成系統(tǒng)理論，制定科學(xué)、合理、性價比高的預(yù)防控制措施，實(shí)現(xiàn)安全、高效、利益最大化的礦山開發(fā)。

1 地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規(guī)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(xiàn)象有直接影響。以某礦山為例，通過理論計(jì)算及采用UDEC2D4.0數(shù)值模擬，對該工作面超前支承壓力的分布規(guī)律進(jìn)行研究，同時對現(xiàn)場實(shí)測超前支承壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。得出了超前支承壓力的分布規(guī)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(yīng)力集中系數(shù)約為1.9[1]。通過對比分析出支承壓力顯現(xiàn)的主要條件是如下幾種，參見圖1所示：

圖1 支承壓力顯現(xiàn)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(shù)過大，在開采過程中容易因?yàn)橹С袎毫Φ念A(yù)判不足或突然變動引發(fā)巷道塌陷等一系列安全性問題。

（2）礦巖軟弱破碎，巖體強(qiáng)度低，穩(wěn)固性差，此時其支承壓力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，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(wěn)定性[2]。

（3）原巖應(yīng)力大指的是原巖應(yīng)力場是天然存在于原巖內(nèi)與人為因素?zé)o關(guān)的應(yīng)力場。自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場是原巖應(yīng)力場的主要組成部分。由地心引力引起的應(yīng)力場成為自重應(yīng)力場。由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動而引起的應(yīng)力場成為構(gòu)造應(yīng)力場[3]。原巖應(yīng)力是支承壓力的構(gòu)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(qū)域，是需要重點(diǎn)關(guān)注的支承壓力形成條件。

區(qū)域構(gòu)造分為蓋層構(gòu)造和基底構(gòu)造，地下金屬礦山開采一定會形成采空區(qū)。采空區(qū)為誘發(fā)重特大事故的重要因素，易引發(fā)透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災(zāi)害，往往造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。采空區(qū)事故隱患治理不及時，部分礦山企業(yè)忽視采空區(qū)治理，特別是歷史遺留采空區(qū)得不到及時處理。

中小型礦山采空區(qū)管理不到位，專業(yè)技術(shù)力量薄弱，不按設(shè)計(jì)施工或無設(shè)計(jì)施工，礦柱留設(shè)不規(guī)范，造成采空區(qū)重疊、交錯現(xiàn)象比較普遍，嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)[5]。采空區(qū)安全問題已經(jīng)成為影響一些地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會和諧的重要因素如表1所示。

表1 采空區(qū)周圍支承壓力區(qū)中巷道破壞率分布

由此可見，開采時要盡量避免采空區(qū)周圍支承壓力區(qū)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(fā)生在工作面中部前方，峰值可達(dá)原巖應(yīng)力的1~2倍，即應(yīng)力集中系數(shù)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(nèi)5m~15m，其影響范圍可達(dá)采金屬礦工作面前方100m~300m[4]。在待采的實(shí)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(shù)值位于回采工作面內(nèi)(如圖2所示):

圖2 回采移動支承壓力示意圖

本次設(shè)計(jì)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(hù)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(yīng)力分布及變化規(guī)律，以此分析不同階段開采順序的巖體應(yīng)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(jīng)驗(yàn)證，-350m水平以上達(dá)到500萬t/a生產(chǎn)能力是可能的，-350m水平以下很難達(dá)到500萬t/a生產(chǎn)能力的要求。設(shè)計(jì)采用分期開采，一期開采-450m水平以上礦體，生產(chǎn)規(guī)模為500萬t/a礦石，二期開采-450m水平以下礦體，開采標(biāo)高暫定為-450m，二期生產(chǎn)規(guī)模按照400萬t/a考慮。

由此可見，具體的開采方案應(yīng)該按照地下金屬礦體埋藏深度專門定制。根據(jù)礦床開采條件，采礦方法選擇充填法。礦體和頂板巖石穩(wěn)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(fā)生危險，增加可控因素。

3 結(jié)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(guī)律成為研究重點(diǎn)。必須在開采前明確支承壓力顯現(xiàn)的條件，通過多項(xiàng)數(shù)據(jù)整合了解開采過程中支承壓力分布具體規(guī)律，達(dá)到高效、安全的開采目標(biāo)。因此，準(zhǔn)確分析地下金屬礦山開采過程中的支承壓力分布規(guī)律及其控制是解決此問題的唯一途徑。