对石膏矿山顶板控制机理的探讨

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(太原西山石膏矿，山西 太原 030027)

引言

顶板控制与采空区处理是目前石膏矿山地下开采面临的重大技术课题。近年来，国内石膏矿山地下开采局部顶板冒落、采空区大面积坍塌事故时有发生，究其原因，主要有以下几个方面：

(1)采矿方法不合理；穿越地压活动区域、地质构造区域；矿柱被破坏；采场矿柱设计不合理或保护不够完好；在应该进行支护的井巷未设支护或支护设计不合理，遇到新的地质构造未及时采取措施；采场或巷道施工工艺不合理；采场或巷道施工时违章作业；遇到新的岩石而没有按岩性进行施工；爆破参数设计不合理；爆破工序不合理；爆破施工时违章作业；地下水作用、岩石风化等。

(2)开采同一矿体相邻矿山时开采范围重叠；或相邻两矿山开采边界范围无隔离保护矿柱。

(3)采空区未及时进行处理，局部矿柱承受的地压超过本身支撑地压而发生破坏，使得地压应力发生转移，引发其他矿柱发生破坏，造成大范围冒顶塌陷事件。

客观来讲，石膏矿山地下顶板局部冒落和采空区大规模坍塌问题，实质上是矿山地下开采中如何控制地压应力动态平衡的技术问题。

本文结合笔者多年来从事石膏矿山生产技术及开采的经验，就如何在开采中控制顶板和采空区处理的问题进行探讨。

1 顶板冒落和采空区坍塌的影响因素

1.1 地质条件的影响

地质条件变化不但影响矿井资源回采率，同时对地下矿山的生产安全秩序造成直接威胁。从近年来国家安全生产监督总局对非煤矿山发生事故的统计数据分析看，大部分事故发生在顶板冒落和采空区大面积坍塌上，而顶板冒落和采空区大面积坍塌的原因与矿体地质条件有着极其密切的关系。因为矿山开采矿体及其周围的围岩都是经过漫长的地质年代形成的，其间经历了许多次地壳升降和水平运动，改变了原生沉积矿体的状态，产生倾斜、断裂、皱褶、裂隙等，加之后期风化和地下水运动的影响，使得矿体的连续性、结构特征和物理力学性质发生了变化。

1.2 矿体物理力学性质及赋存条件的变化

矿体物理力学性质决定矿体特征。矿体赋存条件包括：矿体厚度、矿体倾角、矿体埋藏深度、矿体顶底板围岩性质及直接顶板厚度等。矿体赋存条件决定了矿山开采的难易程度和开采的方式方法，对矿山开采中的顶板控制和采空区处理起着至关重要的作用。

1.3 动态地压的影响

随着矿山开采深度的不断延伸、开采范围的不断扩大，矿山地压应力始终处在一个不断发生、不断转移的动态平衡过程中，因此，若开采顺序或方法不合理，均可能造成矿山地压的失衡。地压失衡就可能导致整体矿山顶板失控而发生局部采场顶板冒落和采空区大面积坍塌。

1.4 开采方法的影响

矿山生产过程中由于开采顺序、开采工艺不同，矿山地压也显现不同。这些因素可能直接影响到顶板控制和后期采空区的处理。因此，在开采中应按照开采设计的顺序进行开采，同时要防止开采过程中造成矿柱、顶板护顶层破坏。

2 顶板冒落的形式

石膏矿山顶板破坏形式可归纳为以下3类：

(1)局部冒落。局部冒落往往是受局部地质影响、地层杂乱或地层缺失、顶板厚度不够以及凿岩、放炮过程中穿过护顶层或者爆破参数不当等因素造成的，一般冒落范围不大。

(2)开采矿房过程中顶板整体一次冒落。其原因主要有：设计不合理；开采过程中未按照技术规程操作，破坏了顶板护顶矿层结构或者护顶矿原生未沉积或后期层位缺失；矿柱之间跨步距超过护顶矿承载能力，造成矿房顶板整体冒落。

(3)大规模采空区坍塌。对开采数十年的石膏矿山，由于开采时限长，陆续出现了不同程度的采空区，后期因开采产生的地压对矿柱的作用以及风化、矿岩重新结晶等多方面的相互作用，致使矿柱遭致严重破坏，顶板失去支撑，以致造成顶板大面积坍塌。

3 顶板控制方法

(1)根据矿山地质、矿体及围岩赋存条件，确定开采矿体结构参数。

(2)结合采场局部地质、矿体变化情况，合理确定和调整开采矿房跨顶距、矿柱宽度。

(3)合理安排开采顺序，减少地压对顶板的影响。

(4)及时处理采空区，防止因采空区面积过大而导致整体矿山地压增大，造成顶板控制失控。

4 西山石膏矿顶板控制特点

4.1 地质情况

西山石膏矿位于中朝地台华北地块，山西台背斜北部吕梁山、五台山之古老窿起之间的汾河地堑之血沿，也即吕梁山古老窿起之东沿。由于矿山在汾河地堑边沿，故受地堑影响而生成断层颇多，对矿体影响较大。

4.2 开采方法

西山石膏矿是一个老矿山，目前有2个独立的生产矿井，开采膏组为奥陶系中统峰峰组，为湖泊相沉积矿床。在含膏岩段中以中间灰岩相隔，划分为上、下两个含膏岩带。上石膏岩带又可分为3个矿组，3个矿组根据不同水平分别进行开采。其中上石膏带1矿组石膏质量好，单矿组厚度平均为11 m左右，矿体呈层状，上下围岩以白云岩、白云质泥灰岩为主，岩性力学强度为中等。在开采中采用房柱式开采，并采用二次分层开采的方法，先拉底再挑顶，一次拉底开采后，护顶矿以白云质石膏作为顶板，厚度为0.3～0.5 m，底板是泥灰岩；挑顶后护顶矿是以第二层石膏作为护顶，厚度为0.5～1.0 m。在开采中若无构造变化，一般是每开采10 m，留存8 m；如果地质发生变化或层位缺失，应根据构造岩性变化情况及时进行调整。主运输巷、盘区运输巷两旁留有10 m保安矿柱，盘区内的房间、矿柱为间隔排列；每间隔5个矿房留设10 m的连续矿柱，以免影响其他采区的开采安全，同时为后续采空区放顶和下部的开采创造有利条件。

5 其他问题

5.1 采场地压管理方式及特点

房柱式开采一般以盘区式单元进行回采。开采的空间是以周围的保安矿柱、盘区内矿柱及预留的石膏护顶层来维持采场平衡；至于矿房间跨顶距、矿柱大小需经过计算留设，计算依据是上部岩层的覆重、矿体及顶板围岩力学性质，采用均压理论确定开采矿房、留设矿柱的规格。

5.2 采空区管理与矿山地压显现的特点

由于石膏矿石价格低廉，在矿山开采中遗留下的大量老采空区未做任何处理。新、老采空区的形成，无形中对整体矿山地压以及顶板控制和下矿组开采造成许多不确定因素，因此，应根据矿山地压的活动特点，积极进行采空区处理，放顶卸压，以减少地压对开采造成的不利影响。

5.3 采空区处理方案

采空区的处理应根据采空区范围、矿柱大小、规格、构造情况，分别划分不同的几个片区，并按片区的具体位置合理安排处理顺序。对石膏矿多年采空区的处理，整体上看采用后退式处理。片压划分原则为：

(1)放顶跨距大于直接顶板的最小跨距。

(2)采空区内有断层、褶皱等地质构造时，充分利用构造弱面作为放顶边界。

(3)选择有足够支撑能力的矿柱作为放顶界的隔离带，其支撑能力应达到放顶前原岩压力的3～4倍(进行原岩压力计算)。

(4)考虑放顶产生的冲击气流及岩层垮落振动对相邻采空区的影响，一次放顶面积不宜确定过大。

(5)放顶采空区的几何形状与顶板垮落有密切关系，方形和矩形有利于崩落，应充分加以利用。

6 结语

合理的矿块技术参数、开采顺序和开采方法，在地下矿山开采中能减小地压的影响，并能起到良好的控制顶板的作用。及时对采空区进行放顶卸压处理，减小采空区规模，同样能降低地压活动对矿山开采造成的影响，同时为下一水平的开采创造有利条件。