頂板不穩定狀態下礦山開采的設計方案研究

續培信

（中鹽勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

在礦山開采前，需根據開采區域的地質情況，制定詳細且合理的開采方案，開采方案合理與否在很大程度上決定了后續開采能否順利進行，也決定了開采的效果和安全。同時，在開采方案制定中，需要針對可能存在的問題，制定有效的工程措施。其中頂板不穩定是最常見問題，對礦山開采有著極大影響，必須引起相關人員的重視，在開采方案設計早期，就確定必須嚴格遵循的各項原則。

1 礦區概況

某礦區的位置處在拗陷內，這條拗陷在北東至南西方向上展布，和區域內的構造線方向保持一致。以基底起伏為依據，可將拗陷分成兩部分，即南凹與北凹，礦床大部分就處在南凹當中，即南礦段；在北凹中也有部分可開采礦物分布。

礦物產狀以似層狀和層狀為主，其中，南礦段的礦層以馬鞍形分布在東西向，總長約2.7km，總寬為1.5km，面積約3.0km2。礦層埋深在481.27m～638.75m范圍內，傾角較為平緩，大多在5°以內，北西部相對較陡，在7°左右。按照從上到下的順序可劃分成以下三個：第一和第二組分布在南礦段，第三組在南、北兩個礦段都有所分布。在第一組中，包含1#和2#兩個礦層；在第二組中，包含3#和4#兩個礦層；在第三組中，包含5#-8#四個礦層。在所有礦層中，以3#礦層的規模達到最大，其次是1#礦層。1#與3#礦層的頂板埋深和總分布面積如表1所示。

表1 1#與3#礦層的頂板埋深和總分布面積

礦區的構造較為簡單，在整個礦床范圍內均無大規模地表水體。地層的含水性相對較弱，按照從上到下的順序可將含水帶分成三部分，如表2所示。

表2 含水帶

由表2可知，第一條含水帶屬于承壓孔隙水，總厚在15m～31m范圍內；第二條含水帶屬于孔隙裂隙水，其埋深在1.7m～233.64m范圍內，跨度較大，總厚在64m～220m范圍內；第三條含水帶與礦物開采層的距離較近，部分直接作為頂板，屬于承壓裂隙水。礦區的水文條件類型為中等，但工程地質條件十分復雜。

2 方案設計原則

從實際開采作業可以看出，該礦區頂板不穩定，這會對開采造成一定影響，不僅提高成本，還會造成資源浪費。因此，針對這種實際情況，在開采方案設計過程中，需要嚴格遵循下列基本原則。

（1）制定有效工藝措施保證井組連通。頂板一旦發生失穩，將增加礦山開采難度，使資源大量浪費，影響經濟效益。通過新工藝的研發與利用，對部分資源進行了再利用，但實際回采率依然比設計值低。在這種情況下，使開采區域保持連通對保證回采率十分重要，尤其是頂板穩定性較差的礦井[1]。在方案設計中，要制定有效工藝措施：第一，通過定向水平井的設置實現連通開采，并為達到理想的連通質量，直井溶腔直徑應控制在60m左右，同時對注油予以加強，避免單井漏失的發生，盡可能減小或避免斜井造成的影響；第二，盡可能減小井距。完成連通以后，即便產生井漏，依然能利用潛鹵泵進行采鹵，這樣能對資源予以充分利用，達到要求的回采率[2]。

（2）因頂板不穩定，開采中與開采后期都容易產生漏失現象，此時不得不使用潛鹵泵，這樣不僅增加了設備投入，包括電纜、泵機和管路等，還會使整個開采系統實際運行費用明顯增加。井漏的產生和直井在進行連通以前的燃料實際注入量較少。對此，在頂板不穩定的情況下進行開采時，需增加注燃料，對上溶速度予以有效控制，實現對頂板的有效保護[3]。礦區中，16#井不到一年的時間就產生了井漏。而17#在連通以后始終保持正常，16#井與17#井不是水平對接連通井。以上實際情況在很大程度上說明了對上溶速度進行有效控制并實現對頂板的有效保護的重要作用與意義。

基于此，對定向水平井而言，即便在連通生產以后，也要對頂板予以充分考慮，采取合理可行且效果顯著的工藝措施。

（3）在條件允許的情況下，優先考慮借助定向水平井進行連通采鹵。為了從根本上防止礦山鉆探與建槽過程中產生井漏，需要對目前使用的生產工藝措施予以調整[4]。對于水平鉆井技術，通過多年的改進和發展，現在已經十分成熟，同時也在我國得到了廣泛的應用。這項技術成功的引入了人工受控定向鉆進這一全新的工藝技術，確保鉆孔的軌跡能夠嚴格按照設計要求進入到指定位置，進而使地表間隔很大距離的兩個井之間在井下做到直接相連，以此為之后的礦山開采創造良好條件。通過對水平鉆井這一技術的不斷研發和實踐，能掌握更為高效、安全和優質的全新開發技術，相較于傳統采礦技術，這項新工藝主要具備下列幾項優勢特點：其一，減少礦山工程建設所需要的資源與成本投入，保證投資效率；其二，保證資源實際回采率，提高開采控制程度；其三，因能減少對土地資源的占用，所以社會效益更加明顯[5]。

3 結語

綜上所述，根據礦區生產實際情況與相應的經驗教訓，在頂板不穩定這一實際情況下進行開采方案設計時，需要嚴格遵循下列基本原則：第一，在選擇具體開采方案時，應保證井組保持連通；第二，開挖方案以借助定向水平井進行連通開采。

如果選擇第二種方法，建槽連通，則需將井距控制在較小的范圍內，以保證建槽連通生產順利完成。根據實踐結果，為了防止溶腔過大，造成頂板不穩定，可以縮短井距。因此，井距的確定需要以開采層厚度、礦物品位和頂板穩定性等為依據來確定。