深部厚矿体开采过渡段地压控制技术研究

贾 珍，张贵银

（栖霞市金兴矿业有限公司，山东 烟台 265300）

1 引言

矿产资源是在国民经济发展中占据举足轻重的地位。随着浅层地表资源的枯竭，目前国内大部分矿山已逐步转向地下深部开拓延深。有些矿山开采深度已超千米，矿山压力及岩层控制问题随之而来，矿山安全生产备受此类问题困扰［1］。此外，矿体赋存环境千差万别，总有许多不可预见性的节理、裂隙等结构弱面，从而更加难以摸清本就各向异性的岩体结构，矿山压力与岩层控制工作的难度进一步增加，稍有不慎，极易引发矿山动力灾害［2］。

某矿7#矿体埋藏深度大，围岩稳固性差，以往采用上向干式充填采矿法，采空区顶板围岩冒落严重，危及设备和人员安全，存在较大的安全隐患，并且地压问题随着开采深度的增加愈发突显，巷道及采场岩爆等动力灾害时有发生，给该矿的安全生产带来严重挑战［3］。鉴于以上问题，该矿-350m以下水平采用低贫损分段崩落法，来替代-350m以上水平采用的上向干式充填采矿法，以改善上向干式充填采矿法在该矿深部开采中存在的缺陷，因此加强过度期间地压控制技术研究具有重要意义［3］。

2 工程概况

该矿的7#矿脉属中温热液破碎带蚀变岩型金矿床，矿体位于招平断裂带中段，主要产于断裂带的黄铁绢英岩化碎裂岩，平均水平厚度13.3m，倾角50°，平均品位6.70g/t，矿体总体产状稳定，水文地质条件简单。矿石类型为含金黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩，物质成份和矿石类型简单，属于低硫低品位矿石，可选性能良好，7#矿体顶底板围岩均为黄铁绢英岩化碎裂岩、蚀变闪长玢岩，矿体与顶底板围岩无明显地质界线。

7#矿体及围岩均有次级构造裂隙分布，且上盘含有5.0～10.2m的断层泥，松软易冒，矿体的强度低容易冒落，不适合采用大跨度空场下作业的采矿方法［4］。-350m中段及以上水平采用干式充填法开采，但常伴随着的矿石损失大、安全条件差与生产能力低等技术风险；-350m水平以下采用低贫损分段崩落法，分段高度7.0～8.0m，即基于巷道内作业、中深孔落矿的采矿方法［5-6］。

3 采空区岩体冒落规律研究

3.1 采空区冒落监测

该矿7#矿体开采以-350m水平为界，从上向干式充填采矿法向低贫损分段崩落法过渡，过渡期间为了保证选厂持续运转，-350m水平上、下的采场同时开采。这时下中段的低贫损分段崩落法的采空区冒落对-350m以上水平的采场构成严重威胁，为了确保-350m以上水平的上向干式充填采矿法采场的生产安全，在7#矿体-350m水平的穿脉巷道（536#、537#、538#与539#穿脉巷）对采空区的冒落过程进行监测、分析，以掌握采空区冒落规律、裂纹扩展时空变化，实际观测冒落边界与贫损分段崩落法首采分段的回采上限相比较，以确保上中段回采安全。

图1 -350m水平沿脉巷监测点布置示意图

-350m水平下设-363m（过度首采分段）、-371m、-378m和-385m分段，观测发现-371m分段回采后采空区顶板围岩发生了明显大块冒落，导致-350m水平4条穿脉监测巷（536#、537#、538#与539#穿脉巷）的端部与采空区接连冒透，如图1。-371m分段与-350m水平保安矿柱线与采空区冒落线观测值如表1所示。

表1 采空区冒落线与设计保安矿柱界线对比

根据表1监测结果可知，-371m分段开采后形成采空区的冒落线与所保留的矿柱上限无比接近，但4条监测巷内采空区上线均没有超过保安矿柱线，说明-350m以下水平采用低贫损分段崩落法形成的采空区不影响-350m水平充填采场作业，但需要随时监测采空区顶板围岩冒落延展，最大限度的保证-350m以上水平充填采矿作业安全。

3.2 采空区围岩裂纹时空延展监测

为了-350m以上水平作业安全起见，采空区围岩裂纹时空延展监测位置选在4条监测巷坍陷区边缘位置，监测结果如表2。

表2 各监测巷道坍陷区边缘

在对采空区顶板监测冒落过程中发现，离开采空区约15m巷道围岩产生了大小不一的裂隙，且在距采空区6.0m～10.0m范围内，裂隙发育深度大且较密集，一定程度上反映了该段地压活动剧烈。距采空区边缘15m范围内，拉应力集中诱发采空区自然冒落［7］。随着采空顶板（冒落部位）的上移，采空区边壁围岩已经张开的裂纹，有趋于闭合的迹象。同时也充分证明了该矿7#矿体深部崩落法开采形成的采空区，服从典型的拱型冒落，冒落过程为阵发性、渐进式、零星冒落，且采空区边缘内侧有散体堆积情况下，采空区边界范围基本稳定，不在继续延展。通过现场监测发现，该矿生产过程中发生的巷道与采场的破坏，均为顶板围岩的冒落或塌方，显现出明显的自重应力场破坏的性征［8］。采空区散体形态及冒落线反分析推测如图2所示。

图2 采空区散体形态及冒落线反分析推测图

4 地压活动数值模拟研究

4.1 崩落法采空区对-350m水平采场出矿巷的影响分析

模拟崩落法开采的范围为-350m至-385m分段，干式充填法采场的底部出矿巷位于-350m水平，目前已经回采-385m分段。以矿体倾向方向作为模型的长度方向，模型高度范围为：-385m～-332m，建立的模型尺寸为100m×10m×70m，可以充分展现-350m水平上下围岩受力状态，且减少计算量［9］。计算模型的几何形态如图3所示，模拟采用的矿岩的平均力学参数见表3。

表3 矿岩力学参数表

图3 崩落法采空区对出矿巷影响分析模型

在干式充填法采场的出矿巷道的底板处，设置监测点，在下部采空区扩展过程中，模拟计算监测点的竖直位移与水平位移，计算结果见图4。

图4 监测单元位移时程曲线图

由图4可见，在初始阶段，观测点的水平位移与垂直位移的增大速度均较快，但经过一段时间后，逐渐趋于平衡。当开采到-378m水平时，模拟计算的水平位移为2cm，垂直方向位移为3.8cm。这一数据与实际观测的数据（2.5cm，4.2cm）基本相符，表明模拟计算的位移变化规律的可信度是较高的。当-385m分段回采结束时，干式充填法采场按计划将全部回采结束，此时模拟计算的监测点水平位移为2.4cm，垂直位移为4.8cm，即水平位移量将增大20%，垂直位移量将增大25%。从出矿巷道目前稳固性现态分析，这一位移量产生的错动，不会引起巷道塌落，从而不会严重威胁出矿的安全，因此可以按计划全部回采干式充填法的采场矿量；此外，随着-350m下部采空区的进一步扩展，巷道的位移还会进一步增大，从而使出矿安全条件随时间的推移而变差，因此应尽可能加快干式充填法采场的回采进度，以缩短在-350m水平底部出矿巷道内的作业时间。

4.2 崩落法开采后围岩应力模拟分析

在4.1节计算模型下，模拟计算得出的-363m分段、-371m分段、-378m分段以及-385m分段回采后的围岩应力分布状态，如图5所示。

图5 各分段回采后的应力状态变化图

由图5可以看出，随着开采分段不断下延，回采后采空区顶板围岩存在较大的应力集中，且为拉应力，由于7#矿体顶板为5～10m的断层泥，矿体及围岩的强度低，在拉应力集中作用下极易冒落。因此采空区的冒落应主要向上盘方向发展。此外，在采空区的顶部，存在较大范围的应力集中区，由于矿岩节理裂隙发育，该应力集中区也会发生围岩大量冒落，但从应力集中区域的边界位置分析，在下盘侧冒落的界线，受采空区侧向应力的约束，下盘侧向的交界线位置应力趋于平衡，岩体保持相对稳定。

5 结论

（1）该矿深部厚矿体开采后，采空区的顶板冒落服从拱型冒落原理，冒落过程为阵发性、渐进式、零星冒落。

（2）距采空区约15m巷道围岩产生了大小不一的裂隙，且在距采空区6.0m～10.0m范围内，裂隙发育深度大且较密集，且采空区边壁围岩的裂纹，随着冒落部位的上移，有趋于闭合的趋势。采空区边缘内侧有散体堆积情况下，采空区边界范围基本稳定，不在继续向上延展。

（3）-350m水平过渡段地压活动数值模拟表明：随着开采不断向下延伸，采空区顶板出现较大范围的拉应力区集中区，导致上盘围岩的出现大量冒落；在上向干式充填采矿法采场出矿完毕前，-350m水平以下崩落分段产生的采空区地压分布比较均匀，其作用不会引起出矿巷道的大规模垮落，脉外巷内出矿作业比较安全。