李海英 任鳳玉 陳憲龍 明 旭

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819；3.馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司姑山礦業(yè)公司，安徽馬鞍山243184）

無(wú)底柱崩落法是我國(guó)地下鐵礦山常用的一種高效采礦方法，目前應(yīng)用該方法采出的礦量約占地下采出礦石總量的65%。崩落法礦山普遍存在的問(wèn)題是隨著采深的增大，采場(chǎng)地壓逐漸增大，到達(dá)某地深度后，地壓活動(dòng)嚴(yán)重，控制工作量越來(lái)越大。尤其是破碎難采礦體，采準(zhǔn)過(guò)程中巷道圍巖變形、支護(hù)破壞、片幫冒頂?shù)痊F(xiàn)象，不僅造成支護(hù)成本增加，降低開(kāi)采進(jìn)度，甚至破壞采準(zhǔn)巷道，影響巷道正常使用，不僅導(dǎo)致礦石損失貧化增大，而且嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)。目前采場(chǎng)地壓破壞已成為許多礦山企業(yè)日漸凸顯的重大生產(chǎn)問(wèn)題［1-3］，在未來(lái)精益開(kāi)采中，地壓控制更為重要，認(rèn)清地壓活動(dòng)規(guī)律，采取相應(yīng)的防控措施，經(jīng)濟(jì)有效地控制地壓活動(dòng)，將是崩落法礦山的共性需求。為此，不僅需要研究地壓顯現(xiàn)規(guī)律，而且需要研究導(dǎo)致地壓顯現(xiàn)的動(dòng)因，以便精確控制與有效預(yù)防地壓破壞活動(dòng)，保障礦床安全高效開(kāi)采。

在以往研究中，主要按地壓的表現(xiàn)形式，將其分為變形地壓、松脫地壓、沖擊地壓和膨脹地壓四大類［4］，在采場(chǎng)地壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［5-7］和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)值模擬研究地壓分布轉(zhuǎn)移規(guī)律［8-10］等基礎(chǔ)上，針對(duì)每類地壓顯現(xiàn)特征制定了如放礦切頂卸壓開(kāi)采［11-15］、高應(yīng)力圍巖快速鉆探［16］、高分段大間距工藝參數(shù)改進(jìn)［17-18］、錨網(wǎng)噴強(qiáng)支護(hù)［19-20］等地壓防控方法，在地壓預(yù)測(cè)與控制方面起到了一定的作用。但這些方法大多未考慮地質(zhì)構(gòu)造面因素或?yàn)閭?cè)重于采場(chǎng)局部的單一方法，在礦山生產(chǎn)實(shí)際中，地壓顯現(xiàn)形式極為多變，同一礦山往往因不同地點(diǎn)及開(kāi)采進(jìn)程出現(xiàn)很大差異，為增強(qiáng)礦山不同部位地壓防護(hù)措施的針對(duì)性，需要面對(duì)開(kāi)采礦床的整個(gè)地質(zhì)體，研究地壓的來(lái)源，據(jù)此預(yù)測(cè)高應(yīng)力部位，并根據(jù)巷道變形與破壞的可能性，制定相應(yīng)的控制措施，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司姑山礦業(yè)公司和睦山鐵礦后和睦山礦區(qū)為破碎難采礦體，在-250 m中段開(kāi)采中，發(fā)生了大規(guī)模地壓活動(dòng)，進(jìn)路聯(lián)巷與回采進(jìn)路相繼遭到嚴(yán)重破壞，致使生產(chǎn)不能繼續(xù)進(jìn)行。通過(guò)分析可知，地壓是由頂板圍巖發(fā)生斷裂而又滯后冒落所形成的楔形體壓力所致，地壓破壞活動(dòng)同時(shí)受到下盤地質(zhì)構(gòu)造面的影響。對(duì)于這種復(fù)雜的楔形體地壓，單一類型的地壓防控方法難以湊效，本研究建立了楔形體附加應(yīng)力計(jì)算模型，根據(jù)楔形體壓力空間分布與時(shí)空演化特點(diǎn)，提出采用控制下盤地質(zhì)構(gòu)造面滑移破壞、局部卸壓開(kāi)采、增大進(jìn)路間距與改進(jìn)巷道支護(hù)形式相結(jié)合的綜合技術(shù)措施來(lái)解決該礦地壓控制難題。

1 地壓活動(dòng)特點(diǎn)

和睦山鐵礦后和睦山礦區(qū)為傾斜中厚—厚礦體，礦體與下盤近礦圍巖破碎，不穩(wěn)定到極不穩(wěn)定；上盤圍巖整體性較好，穩(wěn)定到中等穩(wěn)定，在下盤距離礦體3～8 m的位置，出露一條平行礦巖交界面的斷裂構(gòu)造面，對(duì)下盤采準(zhǔn)工程穩(wěn)定性影響較大。礦體應(yīng)用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，階段高度50 m，分段高度10～12.5 m，垂直走向布置回采進(jìn)路，進(jìn)路間距10～12 m，進(jìn)路聯(lián)巷布置在下盤圍巖內(nèi)，采用從上盤向下盤退采的回采順序。礦區(qū)地表標(biāo)高+50～+60 m，-200 m中段以上礦體采用雙工作面誘導(dǎo)冒落法開(kāi)采，即-50 m分段與-150 m分段同時(shí)回采，由-150 m分段回采空區(qū)誘導(dǎo)上部破碎礦體自然冒落，冒落拱沿上盤面向上延伸，由此為下盤側(cè)礦體卸掉上盤圍巖的集中應(yīng)力，保障了-150 m水平以上分段的安全開(kāi)采。在-150 m分段的采空區(qū)冒透地表之后，隨著回采工作面下移，地壓逐漸增大，進(jìn)入-187.5 m分段回采時(shí)，出現(xiàn)回采巷道局部塌冒現(xiàn)象。特別在-200 m分段采準(zhǔn)時(shí)，為適應(yīng)礦石粘滯性大導(dǎo)致的放出體寬度變小特點(diǎn)，將進(jìn)路間距從12 m減小到8 m，導(dǎo)致礦體中部掘進(jìn)的5條回采巷道全部出現(xiàn)了嚴(yán)重的地壓破壞（圖1）。

圖1中地壓破壞范圍明顯分為上、下盤兩區(qū)，其中下盤區(qū)首先開(kāi)始地壓顯現(xiàn)，起初巷道變形緩慢，在上盤區(qū)發(fā)生地壓劇烈活動(dòng)時(shí)，下盤聯(lián)巷變形加劇。下盤區(qū)地壓嚴(yán)重，活動(dòng)范圍從1#溜井到4#溜井，走向長(zhǎng)180 m，橫向?qū)?.3～25.1 m，從聯(lián)巷中心線起算，破壞區(qū)向礦體內(nèi)延展的最大寬度為17.3 m，向下盤圍巖延展的最大寬度為20.5 m。下盤區(qū)的破壞形式主要以聯(lián)巷幫的一側(cè)開(kāi)裂、片落為主，片幫的最大深度達(dá)0.8 m。隨著巷道幫的片落或變形內(nèi)移，出現(xiàn)底鼓，頂板下沉與橫向開(kāi)裂，并伴有滴水現(xiàn)象（圖2（a））。聯(lián)巷的嚴(yán)重破壞帶動(dòng)了進(jìn)路開(kāi)口破壞，有的進(jìn)路開(kāi)口被冒落散體封堵，有的冒頂高達(dá)1～2 m，還有的出露斷層發(fā)生錯(cuò)落。從被破壞的進(jìn)路開(kāi)口段向內(nèi)，出現(xiàn)30～45 m長(zhǎng)的回采進(jìn)路穩(wěn)定區(qū)，穩(wěn)定區(qū)過(guò)后，進(jìn)入上盤破壞區(qū)。上盤破壞區(qū)的范圍從進(jìn)路中部一直到上盤側(cè)進(jìn)路的端部長(zhǎng)45～50 m，沿走向方向包括所掘進(jìn)的5條回采進(jìn)路的全部。觀測(cè)上盤破壞區(qū)巷道的持續(xù)變形與破壞特點(diǎn)，可知破壞形式主要為巷道兩幫內(nèi)擠，折斷或碎裂片落；底板鼓起，人工鋪設(shè)的混凝土被折斷，呈倒“V”字形；頂板下沉，局部碎裂掉落（圖2（b））。

-200 m分段下盤聯(lián)巷與上盤回采進(jìn)路的地壓破壞具有速度快、破壞范圍大、程度重的特點(diǎn)，使巷道無(wú)法修復(fù)和用于回采，造成采場(chǎng)出礦接續(xù)困難，采礦生產(chǎn)受到采場(chǎng)地壓活動(dòng)的嚴(yán)重威脅。

2 地壓活動(dòng)機(jī)理分析

考察開(kāi)采區(qū)段的整個(gè)礦床地質(zhì)體可以看出，造成-200 m分段巷道大規(guī)模破壞的壓力是由上盤巖體傳遞下來(lái)的，是上盤圍巖發(fā)生斷裂滯后塌落形成楔形體施壓的結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，和睦山鐵礦-150 m分段采空區(qū)于2007年4月27日冒透地表，在地表形成塌陷坑，并在塌陷坑周邊產(chǎn)生斷裂線與裂縫，此后隨著采深增大，斷裂與開(kāi)裂范圍不斷擴(kuò)大。地表開(kāi)裂的邊界與采空區(qū)邊界的連線與水平面夾角稱為錯(cuò)動(dòng)角，塌陷坑邊緣與采空區(qū)頂板冒落邊界的連線與水平面的夾角稱為塌落角。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與實(shí)測(cè)，得出后和睦山礦區(qū)的塌落角內(nèi)傾70°左右，錯(cuò)動(dòng)角外傾70°～75°。位于塌落角與錯(cuò)動(dòng)角之間的上盤實(shí)體圍巖構(gòu)成了楔形體（圖3）。

楔形體的重力由底部實(shí)體礦巖與兩翼離散巖體承擔(dān)，其中底部實(shí)體礦巖的應(yīng)力集中系數(shù)較大，在塌陷區(qū)一翼的壓力通過(guò)散體傳遞到下盤，另一翼壓力通過(guò)不完全斷裂面?zhèn)鬟f到上盤某一范圍。本研究將楔形體簡(jiǎn)化為斷面三角形柱體，推導(dǎo)出集中作用于底部實(shí)體礦巖單位面積上的附加壓力ΔT：

式中，α為塌落角，（°）；β為錯(cuò)動(dòng)角，（°）；H為開(kāi)采深度，m；γ為上覆巖體容重，kN/m3；λ為應(yīng)力作用系數(shù)。可見(jiàn)，楔形體的附加壓應(yīng)力與采深的平方成正比。

在-200 m分段，開(kāi)采深度約250 m，令H=250 m，α=70°，β=75°，γ=26.5 kN/m3，考慮楔形體作用于底部實(shí)體礦巖應(yīng)力作用較兩翼散體大，取λ=0.15，代入式（1），得：ΔT=130.63 kN。

圖3中，楔形體尖部的主應(yīng)力平均值σy計(jì)算公式為

當(dāng)ΔT的集中作用區(qū)寬度取18 m時(shí)，由此引起的附加應(yīng)力值T為7.26 MPa，則σy=13.88 MPa。

后和睦山礦區(qū)-200 m分段進(jìn)路間距8 m，進(jìn)路斷面寬×高=3.5 m×3.1 m，平均應(yīng)力集中系數(shù)k為1.78，則kσy=24.67 MPa。這一應(yīng)力值已接近后和睦山礦區(qū)混合抗壓強(qiáng)度的平均值（16.29～34.21）MPa，平均25.24 MPa），且大于部分磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度（18.25～57.89 MPa）。由此可以推斷，楔形體壓應(yīng)力是上盤破壞區(qū)采準(zhǔn)工程快速破壞的主要?jiǎng)右颉?/p>

此外，由于礦體下盤存在一條平行礦巖交界面的斷裂構(gòu)造面（圖3），該構(gòu)造面的錯(cuò)動(dòng)與滑移，直接破壞下盤采準(zhǔn)工程的穩(wěn)定性。隨著上盤破壞區(qū)巷道斷面收縮變小、礦巖向巷道內(nèi)變形與移動(dòng)，下盤構(gòu)造面內(nèi)側(cè)礦巖的橫向約束力降低，并獲得斷裂面開(kāi)裂的空間條件，因此，在采動(dòng)壓力作用下，內(nèi)側(cè)礦巖發(fā)生斜下方滑移，造成沿脈巷道墻體開(kāi)裂片落與頂板下沉，引發(fā)了大規(guī)模地壓活動(dòng)。

上述分析表明：-200 m分段地壓活動(dòng)的兩個(gè)區(qū)域的致災(zāi)原因有所不同，上盤礦體內(nèi)小間距進(jìn)路破壞區(qū)屬于楔形體尖部壓力直接作用的結(jié)果；下盤斷層附近破壞區(qū)則屬于楔尖破壞后楔形體下移增大了楔翼壓力，在楔翼壓力與采動(dòng)壓力的共同作用下，斷裂構(gòu)造面引起內(nèi)側(cè)礦巖滑移，最終造成溜井垮塌與下盤聯(lián)巷破壞。

3 楔形體地壓防控方法

根據(jù)-200 m分段地壓活動(dòng)的特點(diǎn)以及致災(zāi)機(jī)理分析可知，楔形體壓力破壞區(qū)為高應(yīng)力區(qū)，需用卸壓方法保障下分段進(jìn)路安全回采；受下盤斷層構(gòu)造面滑移影響的區(qū)域?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害區(qū)，需要合理控制楔形體壓力對(duì)構(gòu)造面滑移的影響，并控制構(gòu)造面的滑移量，保護(hù)巷道穩(wěn)定性。為此，本研究提出控制下盤斷層滑移破壞、高應(yīng)力區(qū)局卸壓開(kāi)采、增大進(jìn)路間距與改進(jìn)巷道支護(hù)形式相結(jié)合的綜合方法，防控楔形體地壓危害。

（1）控制下盤構(gòu)造面滑移破壞。為控制下盤構(gòu)造面破壞，可采用兩種方法：①采用從下盤向上盤方向退采的回采順序，在下盤布置切割巷道，將分段聯(lián)巷從比較破碎的下盤圍巖移入穩(wěn)定性較好的上盤圍巖內(nèi)，從而避開(kāi)下盤構(gòu)造斷裂面破壞；②對(duì)高應(yīng)力破壞區(qū)，采用局部卸壓方法，防止楔形體壓力向下盤過(guò)度轉(zhuǎn)移，控制下盤構(gòu)造面滑移，保護(hù)下盤切割工程的穩(wěn)定性。

（2）局部卸壓開(kāi)采。一般來(lái)說(shuō)，控制楔形體地壓的有效方法是卸壓開(kāi)采，將楔尖部位的集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移到楔形體兩翼，以避免應(yīng)力集中造成的大規(guī)模破壞。但由于下盤斷裂構(gòu)造面存在，如果楔形體兩翼增壓過(guò)大，將使下盤礦巖的采動(dòng)壓力增大，進(jìn)而增大下盤巖體沿構(gòu)造面滑移的可能性。為此采取局部卸壓方法，即在-212.5 m分段，將-200 m分段礦體破壞區(qū)的投影范圍視為高應(yīng)力區(qū)，將該區(qū)內(nèi)9#～12#進(jìn)路的切割巷道設(shè)計(jì)在礦體中部偏下盤的位置，從切割巷開(kāi)始向上、下盤聯(lián)巷依次退采，先采上盤側(cè)礦體，為下盤側(cè)礦體卸壓（圖4）。-212.5 m分段為過(guò)渡分段，除了中部高應(yīng)力區(qū)的9#～12#進(jìn)路采用局部卸壓開(kāi)采之外，其他進(jìn)路均采用從下盤向上盤的回采順序。從-225 m分段開(kāi)始，全部回采進(jìn)路均采用從下盤向上盤的回采順序。

（3）增大進(jìn)路間距與改進(jìn)巷道支護(hù)形式。針對(duì)圖2所示的高應(yīng)力軟巖回采進(jìn)路破壞特征，基于上部礦體安全開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，將進(jìn)路間距從8 m增大到12 m，由此增大進(jìn)路間距礦柱的有效承載寬度，減小巷道幫的應(yīng)力集中程度。同時(shí)，采用錨網(wǎng)噴和二次預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿壓鋼筋條的支護(hù)體系，并將樹(shù)脂錨桿長(zhǎng)度由1.8 m增大到2.4 m，以此增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性。

采取上述防控技術(shù)后，從-212.5 m分段開(kāi)始，-250 m中段各分段均未再出現(xiàn)地壓嚴(yán)重破壞現(xiàn)象，采準(zhǔn)工程利用率達(dá)到100%，使楔形體地壓得到了有效控制，-250 m中段實(shí)現(xiàn)了安全開(kāi)采。

4 結(jié) 論

（1）和睦山鐵礦隨著回采工作面的下降與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，采場(chǎng)地壓活動(dòng)強(qiáng)烈，致使-200 m分段采準(zhǔn)工程遭到嚴(yán)重的地壓破壞，造成采場(chǎng)出礦接續(xù)困難。分析了該礦地壓活動(dòng)特點(diǎn)與巷道破壞原因，揭示了復(fù)雜地壓的機(jī)理，認(rèn)為巷道破壞力主要來(lái)源于頂板圍巖發(fā)生斷裂而又滯后冒落所形成的楔形體壓力。

（2）構(gòu)建了楔形體附加應(yīng)力計(jì)算模型，計(jì)算的-200 m分段楔形體產(chǎn)生的應(yīng)力值（24.67 MPa）已接近混合礦抗壓強(qiáng)度平均值（25.24 MPa），且大于部分磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度。在此高壓力作用下，較小的進(jìn)路間距致使破碎礦體的采準(zhǔn)工程遭受大規(guī)模的地壓破壞。楔尖應(yīng)力集中、楔翼向塌陷區(qū)散體施壓的楔形體壓力作用分析及生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用控制下盤斷層滑移破壞、高應(yīng)力區(qū)局部卸壓開(kāi)采、增大進(jìn)路間距與改進(jìn)巷道支護(hù)形式相結(jié)合的綜合技術(shù)措施，可有效防控楔形體地壓危害。

（3）針對(duì)和睦山鐵礦地壓破壞建立的楔形體附加應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，因斷裂線數(shù)據(jù)跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)有限，其變化規(guī)律有待進(jìn)一步分析，以獲得楔形體地壓更為精確的計(jì)算結(jié)果。