葉際寰， 李春， 葉光祥

（1. 江西下壟鎢業(yè)有限公司，江西 大余 341500; 2. 贛州有色冶金研究所, 江西 贛州 341000）

0 引 言

鎢是國家戰(zhàn)略性資源之一，贛南鎢礦山大多經歷了幾十年開采，均已進入中深部開采，目前鎢礦山大多采用的采礦方法是留礦法和階段礦房法[1]，由于大多采場未進行充填處理，加上巖體結構等其他因素的影響，不同規(guī)模的地壓活動時有發(fā)生[2]，其范圍、規(guī)模以及危害程度，與礦山巖體工程地質條件、生產工藝、生產規(guī)模以及采掘強度等有直接的關系[3]。 而處在地壓活動區(qū)的采空區(qū)，由于其應力集中情況嚴重，存在復雜的巖石力學問題，更易引發(fā)災變，需進行相關隱患治理工作[4-7]。 陳蘭蘭等從采空區(qū)探測技術、采空區(qū)穩(wěn)定性以及采空區(qū)控制等方面進行綜合評述，簡要概述了采空區(qū)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，指出當前空區(qū)穩(wěn)定性方面研究中所存在的不足之處[8]。

國內外學者在巖爆預測、軟巖大變形機制、地壓監(jiān)測系統(tǒng)、巖爆防治措施、軟巖防治措施等[9-11]方面進行了深入研究，取得了很大的成績。 尤其國外在深井開采地壓方面[12]，相似材料模擬試驗、地下巖體工程數(shù)值模擬、地壓在線監(jiān)測等方面一直走在地壓控制技術的前端。 國內則在地壓理論、形成機制、顯現(xiàn)規(guī)律等方面進行了大量的觀測與研究，取得了較大的成果。

1 礦區(qū)開采現(xiàn)狀

某礦區(qū)礦體主要有石英細脈帶礦體和大脈礦體，急傾斜大脈礦體一般采用淺孔留礦法開采，礦區(qū)現(xiàn)已進入中深部開采。 礦區(qū)南組已開拓9 個中段， 分別是+500 m、+450 m、+400 m、+337 m、+286 m、+236 m、+186 m、+136 m、+86 m，+500 m 以上屬民隆開采。在9 個中段中，其中+286 m～+500 m 5 個中段已結束開采，+236 m、+186 m 中段大部分礦體已采完，已經進入殘礦回收或邊部礦體回采階段，+136 m、+86 m 中段為目前主要生產中段，+86 m 中段在生產、開拓。由于歷史原因，+500 m 以上為民窿開采，不正規(guī)，早已結束，遺留下大量復雜采空區(qū)，無資料可查，空區(qū)情況不明。 歷經幾十年的采礦，+337～+500 m 中段進行充填的采場所占比例較少，留下的空區(qū)量大，+337 m 中段以下進行了廢石充填的采場數(shù)量比上部中段稍多，據(jù)估計整個南組采空區(qū)總量有幾十萬立方米，采空區(qū)比較連續(xù)且形態(tài)復雜，形成了復雜空區(qū)群[13]。 對于礦脈帶中密集型石英脈鎢礦體，由于相距近，相鄰采場之間夾墻薄，極易垮塌破壞，用留礦法開采此類礦體易對回采工作帶來困難[13]。 由于+186 m 中段以上地壓明顯， 為了安全地充分回收國家戰(zhàn)略性鎢資源，礦山因此在+136 m 中段103 勘探線兩側140 m 長范圍沿礦脈帶走向布置一個試驗采場，進行了通過建造覆蓋巖層由上部淺孔留礦法轉型為階段崩落法試驗。試驗礦塊寬8～15 m，高度為中段高50 m，無頂柱和間柱，電耙道底部結構所在的底柱礦量在下中段回采時統(tǒng)一進行回收。

2 工程地質調查

巖體作為工程地質研究的主要對象， 是由大小不同的巖塊和各種結構面所構成， 因此結構面的存在嚴重影響巖體的強度和整體性。 在自重應力或構造應力作用下， 對巖體破壞起控制性作用的主因當屬節(jié)理、 斷層等結構弱面， 在有采空區(qū)存在的條件下，巖體穩(wěn)定性與采區(qū)地壓緊密相關，而地壓活動又以一定的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)。 為了更好地有針對性進行采區(qū)地壓控制， 有必要對巖體的工程地質和地壓活動進行調查。

本礦區(qū)地層主要為寒武系淺變質砂巖，成礦前形成的大型斷裂大多數(shù)以硅化破碎帶或擠壓破碎帶出現(xiàn)[13]，按其產狀特征，可分為5 組：南北向斷裂破碎帶14 條（F1～F14），東西向斷裂破碎帶 4 條（F16～F19），北東向斷裂破碎帶 7 條（F21～F27），北北東向斷裂破碎帶4 條（F28～F31），北西向斷裂破碎帶 3 條（F32～F34）。 本區(qū)成礦后斷裂較發(fā)育，但規(guī)模都很小，較大的如地表所見 F35、F36和 F37，延長都在 800 m 以內，錯距 2 m 左右（水平視距）。成礦后斷裂，以走向南北，傾向東的為主，走向南北，傾向西的次之[13]。

在結構面地質統(tǒng)計方法研究中， 采用測線法對選定區(qū)域進行詳細結構面調查，再運用Dips 軟件對本次結構面調查所得的測量數(shù)據(jù)進行處理，繪制統(tǒng)計圖并結合現(xiàn)場實際勘察情況得到優(yōu)勢結構面。 結果見表1。

表1 優(yōu)勢結構面調查結果Table 1 Survey results on dominant structure plane

表1 結果表明，3 個中段的優(yōu)勢結構面有 1 組96°～98°∠70°～80°近于相同，186 m 與 136 m 中段也有1 組類似。

巖體質量的好壞直接關系到巖體的工程特性和穩(wěn)定性，與地壓活動密切相關，因此進行巖體質量的評價可對巖體好壞做出判別，從而指導地下工程施工，預防地壓破壞的發(fā)生。 現(xiàn)用Q 系統(tǒng)分類法對巖體質量進行評價，采用的計算方法是對6 因素進行如下的計算：

式中：RQD 為巖石質量指標； Jn為節(jié)理組數(shù)系數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)（最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組）； Ja為節(jié)理蝕變度（變異）系數(shù)（最不利的不連續(xù)面或節(jié)理組）； Jw為節(jié)理滲水折減系數(shù)；SRF為應力折減系數(shù)。

根據(jù)表2 參數(shù)， 經上述計算公式計算出Q 值為7.97，對照表3 中巖體級別分類數(shù)值可知，礦區(qū)變質砂巖巖體級別為Ⅲ級， 巖體質量評價結果為一般巖體。

表2 Q 系統(tǒng)分類結果Table 2 Table of Q system classified results

表3 由Q 值確定的巖體級別Table 3 Rock mass grade table determined by Q value

3 巖移監(jiān)測及規(guī)律分析

通過在采場圍巖及礦柱巖石、 巷道中布置應力計、地音儀、全站儀、木滑尺、或在線微震監(jiān)測系統(tǒng)等地壓、巖移觀測手段[14-15]，對采區(qū)地壓進行監(jiān)測，以指導采場安全回采，并提供預警，有助于采區(qū)地壓控制。在采區(qū)中采用了全站儀對礦區(qū)南組巖體進行巖移觀測，表 4 是從 2016 年 12 月至 2018 年 8 月所記錄的觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

觀測記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：

1） 巖體位移在礦區(qū)南組+186 m 中段至+500 m中段 100 勘探線~107 勘探線范圍內 X、Y、Z 3 個方向都有發(fā)生，在累計位移上，巷道頂板下沉量大于水平分量。

2）+136 m 中段崩落法大采場之上緊臨+186 m中段，+186 m 中段巷道頂板下沉比上部各中段更快受影響，位移量也最大。

3）+236 m 中段南組地壓區(qū)中心地帶103 線至105 線東付，脈外運輸巷沿脈方向頂板下沉量累計達77 mm，存有安全隱患，影響運輸，中心位置頂板下沉量整體比東西兩側更大。

4 地壓活動致因分析

由于采區(qū)地壓顯現(xiàn)主要集中在結構弱面部位、多條礦脈與巖脈相交復合部位、 礦脈與構造交匯部位、兩相臨采場夾墻較薄且采幅較寬部位或暴露面積較大的三角礦柱等。研究分析認為采區(qū)地壓活動主要是受相對發(fā)育的斷層、節(jié)理等構造影響，疊加臨空面的不利組合，在自重作用或構造應力下，才形成局部地壓現(xiàn)象。 若局部地壓活動未控制好，有可能進一步誘發(fā)區(qū)域性地壓活動的發(fā)生。 總之，導致地壓活動的主因有：地質構造與巖移、采掘順序、采礦方法與結構參數(shù)、采空場、采掘深度、爆破方法等[16-17]。

地質構造與巖移：工程地質所涉及的地質構造如斷層、破碎帶、節(jié)理裂隙、層間弱面等是引發(fā)地壓活動的一個主因，原巖應力因地質構造的存在而發(fā)生轉移變化。在地質構造周圍附近的巖石中不但易出現(xiàn)應力集中，而且由于結構面對巖體進行了切割，使巖體完整性得到破壞，承載能力也遭到下降。同時還使巖體沿弱面進行滑移分塊，也即出現(xiàn)巖移現(xiàn)象，容易導致坑內工程破壞。 如工程地質調查中發(fā)現(xiàn)的礦區(qū)南組+236 m 中段103 線至105 線東付之間近東西走向的沿脈V202 脈斷層，由于在其南側+186 m 中段15～20 m 水平距離有一個V204 采場，未充填，形成采空區(qū)，斷層與空區(qū)斜切，造成局部塊體錯位，致巖移觀測中的點位巷道頂板下沉77 mm，形成局部地壓現(xiàn)象。

表4 礦區(qū)南組巖移（全站儀）觀測記錄統(tǒng)計Table 4 Statistical table of observation record on rock movement（total station） in the south group of mining area

采掘順序：不同的采掘順序所引起的地壓現(xiàn)象是不同的，地壓呈現(xiàn)程度也不一。 如先采上中段再采下中段與先采下中段再采上中段， 地壓表現(xiàn)是有所差異。先采中央再往兩側后退式回采順序與前進式回采所表現(xiàn)的地壓也是有所不同。這就要根據(jù)采區(qū)實際情況來決定采掘順序。

采礦方法與結構參數(shù)： 相同工程地質條件下，對于急傾斜多脈帶鎢礦床，采礦方法不同，其地壓顯現(xiàn)也不同。 同一采礦方法其結構參數(shù)選取不當，也會影響地壓的產生。 如南組原來采用淺孔留礦法，采后不充填，留下大量空區(qū)，易誘發(fā)夾墻垮塌等地壓現(xiàn)象。而在136 m 中段103 線兩側采用崩落法開采， 由于崩落法采場消除了采空區(qū)，地壓表現(xiàn)僅在底部結構上。

采空區(qū)：空區(qū)是地壓發(fā)生的必要條件，空區(qū)的形成過程導致了巖體的應力重新分布，為巖移提供了自由空間。 空區(qū)充填與否決定了地壓程度大小。

采掘深度：隨著采掘深度的增大，區(qū)域的自重應力隨之增大，采場圍巖中所產生的應力與位移、在構造面上的應力狀態(tài)都會隨采深的增大而加劇，不穩(wěn)定巖體的運動形式也會隨之變化[18]。

5 采區(qū)地壓控制

通過本礦區(qū)工程地質調查、巖移觀測以及地壓活動致因分析，緊密聯(lián)系礦山實際，從礦山開采地壓控制和危害預防等兩大方面，對地壓控制的有效方法與技術控制措施進行分析研究，提出了以下較為具體的控制方法與技術措施， 供礦山在生產實踐中應用，以利礦山安全生產與可持續(xù)發(fā)展。

1） 根據(jù)地壓活動規(guī)律， 對井下安全生產進行科學合理安排。 地壓活動規(guī)律及其特征可分為4 個階段，即初始來壓階段，破壞階段，巖層移動階段和相對穩(wěn)定階段[19]。根據(jù)工程地質調查情況，對于節(jié)理裂隙、斷層等構造發(fā)育、礦巖的整體性及穩(wěn)定性相對較差、有應力集中現(xiàn)象等礦段，如礦區(qū)南組101 線至107 線位置，1°∠75°這組近東西走向沿脈斷層發(fā)育，及 96°～98°∠70～80°近南北向發(fā)育的構造切割，巖體整體性較差，礦巖破碎，易在此礦段頻繁發(fā)生地壓，則可以根據(jù)地壓活動規(guī)律，井下采掘工作可以考慮在第1 階段和第4 階段進行作業(yè)，以防發(fā)生地壓災害。

2） 因勢利導控制巖移， 整體上合理設計采掘順序。根據(jù)采區(qū)地壓活動特征，只要開挖了地下工程，必然會產生空區(qū)，根據(jù)數(shù)值模擬結果，在工程巖體周圍不可避免地產生高應力集中現(xiàn)象，當超過巖體強度時必然使之破壞。 如未對空區(qū)進行充填，加上斷裂結構存在，被切割的不穩(wěn)定三角巖塊在自重作用下或構造應力影響下易向空區(qū)滑移。掌握不穩(wěn)定巖體的移動趨勢，對空區(qū)進行有重點有目的的廢石充填、削壁充填，可以在一定程度上控制地壓。如根據(jù)巖移觀測中的數(shù)據(jù)可知， 對+186 m 中段 105 線的 V204 采空區(qū)就應該進行重點充填，消除空區(qū)。 根據(jù)上述變質砂巖巖體質量評價結果為一般巖體，在地下工程施工時局部不穩(wěn)定地段就需進行支護。 如南組+236 m 中段105 線附近脈外運輸巷道由于頂板下沉77 mm， 就進行了超過20 m 的U 形鋼架支護。 總之有計劃地、有步驟地因勢利導控制巖移。 另外根據(jù)免壓拱原理，在水平走向上科學安排好采掘順序，避免因順序不合理造成地壓活動，危及安全生產。

在南組101 線以西，109 線以東，礦脈仍用留礦法開采， 同水平相臨平行主礦脈， 隔墻厚3 m 以上的采場，則可以采用先采上盤再采下盤脈的順序，即V204、V205、V206、V208 脈的順序， 同時要求下盤采場在回采時在水平走向上錯開上盤采場至少50 m 以上的距離，以免相臨采場爆破或巖移的相互影響，確保安全。

100 線至109 線地壓集中區(qū)域，礦巖性能相對較差，構造相對較為發(fā)育。由此認為，回采工作首先從礦巖性能相對較差，構造較為發(fā)育，最容易產生應力集中礦脈帶地段進行，然后逐步向東西兩端推進。 總體上以中部—西部—東部的開采順序?？v向方向的回采順序，則采取由上往下，并要求上中段的回采應超前下一中段的水平距離不小于100 m[1]，總體上能使開采地壓平緩、逐步地向周邊圍巖轉移。

3） 優(yōu)化采場結構及參數(shù)。 根據(jù)工程地質調查結果可知，礦區(qū)南組101 線至107 線之外構造不發(fā)育，礦巖較穩(wěn)固，鎢礦脈可采用留礦法開采。 對于連續(xù)性較差的礦脈，可以根據(jù)礦脈的賦存特點進行合理的劃分，但原則上采場長度不大于60 m。如果有條件能及時對采空區(qū)進行廢石充填， 并且充填系數(shù)能達到0.6以上，采場長度則可大于90 m。

在采用崩落法的采場區(qū)域，尤其是在采場底部結構和下盤將形成高壓應力區(qū)。其采場的結構參數(shù)優(yōu)化主要是在底部結構的工程尺寸方面，遇結構構造相對發(fā)育地段，底部結構的維護可能更困難。如遇此情況，斗距可適當加大，取6～8 m，或選擇平底出礦系統(tǒng)。

4） 井下工程等局部地壓控制方法。 井下工程等局部的地壓，主要是指由構造發(fā)育帶所引發(fā)的地壓活動。在處理時，除了要做到方法妥當外，還應該做到適時，如果處理不當，將可能引發(fā)更大范圍的地壓活動。局部地壓主要呈現(xiàn)形式是片幫、垮塌、頂板下沉，主要采取剛性支護的手段進行控制，即小范圍可選用木支護，中等范圍可采用砌墻，澆灌混凝土，范圍大的，并且較發(fā)育的地段可采用鋼筋混凝土墻。 如+236 m 中段105 線附近運輸巷采用了剛性支護。

5） 采空區(qū)及時處理。 空場法回采礦體必然產生新的空區(qū)，空區(qū)的存在又為地壓活動的必要條件。 無疑對采空區(qū)進行處理作用巨大， 如186 m 中段105線附近的V204 采空場必須充填，以減緩上部236 m中段對應位置的運輸巷的頂板進一步下沉。 因此，及時處理空區(qū)將能控制地壓的產生和進一步發(fā)展。

南組101 線以西、107 線以東已采空區(qū)在條件許可的情況下，盡量充填空區(qū)，充填了的總比未充填的效果好，充填系數(shù)大的比小的好，對東西兩頭邊角的采空區(qū)，也可采取封閉、堵塞出口等方式。

為了更好地從根本上解決采后空區(qū)存在問題，在開采技術條件滿足的情況下，盡量采用崩落法回采礦脈帶，通過在大采場上部中段崩落老采場夾墻和上下盤圍巖，造設20 m 厚以上的覆蓋巖層[20]，把上部復雜的空區(qū)群隔離開來，下部采場則采用擠壓爆破方式回采礦石，用電耙道底部結構或平底塹溝出礦，能更好地控制地壓往好的方向發(fā)展。

6 結束語

通過工程地質調查、 巖移觀測數(shù)據(jù)及其規(guī)律、地壓活動致因分析，從地壓活動規(guī)律、采掘順序、采場結構參數(shù)、空區(qū)處理等方面，有針對性地提出了與安全生產息息相關的地壓控制技術與措施， 操作性強，以指導鎢礦山井下安全生產。 同時其地壓控制技術與措施對全國類似礦山的安全開采也具有借鑒意義。