急倾斜脉钨矿山的围岩, 多属坚硬密的变质岩类。六十年代以来, 许多钨矿相继发生30余次大规模地压活动, 给矿山安全和生产带来不同程度的损失和危害。实践证明, 矿山地压控制问题, 已成为钨矿持续安全生产中带有普遍性的关键问题。二十余年来, 矿山、科研单位、高等院校相结合, 围绕矿山工程实际问题, 在现场和实验室做了大量工作, 把不同矿山岩体, 按结构类型和力学性能分类, 视不同类型, 用不同的力学模型和方法进行研究, 得出了适应各矿实际情况的地压控制内容。所谓控制, 是使围岩在开采过程的地压活动, 不影响回采作业安全, 并使其相对稳定或有序的逐渐破坏。因此, 我们研究矿山地压控制的主要内容是:合理的开采顺序, 正确的采矿方法, 有效的采空区处理。

一 钨矿概况 (一) 矿床

石英脉钨矿床, 是我国钨矿当前生产的最重要矿床, 占总采出矿量的90%。矿床受区域构造控制, 多组断裂交接, 其复合部位是矿床赋存的有利地段, 加以受岩性的影响, 使裂隙带沿其走向和倾向发展, 宽度受到限制, 造成矿岩裂隙成组成带分布, 矿床成组成群密集。

由于成矿期发生的, 多期强烈构造活动的剪切破坏, 和成矿后的构造破坏, 其应力强度在时间上由早至晚呈“弱—强—弱”的发展, 矿体在空间上的特点是“顶部细小分散, 上部密, 中部密而宽, 深部逐渐收敛集中”。

矿体围岩以变质砂板岩为主, 构造发育。矿脉为石英脉, 形态十分复杂, 脉长300~2000米, 脉幅自0.1米~数米, 埋深300 ~1000余米, 脉间距几厘米至几十米不等。

(二) 工程地质

钨矿地层较简单, 多属前泥盆纪、寒武纪浅变质岩类的单斜地层。由于变质作用, 岩层层理不发育, 岩层倾角较缓, 矿脉穿插其中。岩层褶皱、断层发育, 断层面光滑或夹断层泥、砾石, 是构成各矿区块状结构岩体的主要格架。岩层中的构造节理, 由于延展性差, 只影响岩体强度。

岩体原始应力, 根据大吉山、铁山垅、画眉坳、盘古山等矿区实测结果, 及现场表征现象证明, 钨矿上部中段以重力应力为主, 下部中段逐步过渡到以残余构造应力为主, 其绝对值属中等偏大。在较大的地质结构面附近, 已开挖中段的底部存在较大的集中应力。

单一岩石的强度指标较高, 为800~1500公斤/厘米²左右, 静弹性模量6~9×10⁵公斤/厘米², 动弹模量为2~3×10⁵公斤/厘米², 弹性波速4~5千米/秒。岩体的完整性系数和强度指标, 视矿山具体倩况有较大差异。

(三) 开采简况

钨矿开拓特点是, 主平窿以上多用平窿、竖井和溜矿井联合开拓, 主平窿以下用平窿、竖井开拓。中段高度多为50~60米, 年下降速度10~12米, 同时作业中段一般为5个。

采矿方法以留矿法为主, 占总采出矿量85%, 脉群台采用深孔阶段矿房法、中深孔分段崩落法, 其比重约占10%, 其它如缓倾斜矿脉用的全面法、充填法等, 比重只占5%。采后空场在七十年代以前大部未处理, 以后才有计划的进行处理。

由于以往的采空区未及时处理, 六十年代以来, 全国有12个统配钨矿山先后出现30余次大面积地压活动, 给安全生产带来严重影响。仅盘古山钨矿1967年9月一次大规模地压活动, 就迫使矿山停产一年, 减产三年, 七大生产工艺系统遭到严重破坏, 钨资源损失严重。

二 岩石力学研究

矿山岩体是一种特殊的材料介质, 矿山工程的直接对象是岩石, 采矿作业范围又是在复杂的岩体中进行。因此, 矿山岩石力学研究的主要任务是:研究矿床开采过程中的岩体的应力状态和变形、位移、破坏规律(即矿山地压活动规律), 分析工程岩体的稳定性及其有效控制方法。我们在长期的科研实践中, 不断摸索, 逐步深入地开展了这方面的工作, 其研究成果对指导矿山安全生产, 具有实际和理论意义。

岩体结构是矿山地压形成和发展的重要自然因素, 尤其是断裂构造的控制作用。把不同矿山岩体, 按结构类型或力学性能进行分类, 视不同类型的岩体结构, 用不同力学模型和方法研究, 是矿山岩石力学研究的特点。

具体作法和程序是, 在矿区工程地质研究的基础上, 掌握矿区岩石物理力学特性, 测量矿区岩体应力相位移, 分析岩体结构特征, 研究地压活动和岩体结构的关系, 对工程岩体中的断裂构造进行不同组合, 通过有限元或边界元分析, 辅以简化的岩体结构模型试验, 并将其结果与现场地压观测资料进行对比, 提出较为合理的工程地质模型和开采力学模型, 最后进行数值计算和综合分析。

工程实例

1.铁山垅(黄沙矿区)。开采范围岩体在六中段以上, 被F₁₇、F₁₉。断层和62^#脉连续采空场切割, 形成总体形状为上大下小的楔形块体(见图 1)。

长期地压观测表明, 上述不稳定块体沿F₁₀。结构面向连续空场滑移、局部崩塌, 因而引起一系列严重的地压问题。通过工程地质, 岩移观测, 岩体应力测量, 岩石力学性试验, 光弹模拟等一系列试验研究之后, 提出该矿区六中段以上的工程地质模型, 进行了有限元弹塑性分析, 其计算结果(见图 2)证明, 采空场除具有滑移、崩塌的自由面作用外, 还能产生“释放等效节点力刀”, 它起到使不稳定块体滑动的外力作用。

研究结果表明, 现场地压观测, 模型试验, 有限元分析结果, 均有相同的岩移机制和位移趋势。因此, 得出铁山垅黄沙矿区六中段以上的地压活动基本特征是, 不稳定楔形块体, 沿主滑动面F₁₀向连续空区滑移、崩落。其范围受南端崩F₁₀、北端62^#脉空场，东西两端为直交矿脉走向的F₃₆、F_ⅡB等结构弱面的控制。与此类似的还有小龙钨矿、下垅钨矿(樟斗)、湘东钨矿(将军石断层块体)。

2.盘古山矿区。本矿区岩体完整性好、强度高，可视为弹性体。在开采工程范围内，存在一个以玄武岩脉、主干构造弱面F₅、F₁、F₃断层为边介的大块体，在其内部被F₁₁、F₀和连续空场等切割，形成一个由多块体组合而成的，下小上大的楔形岩体(见图 3)。

上述组合岩体, 在重力应力作用下产生向连续空场挤压下沉, 造成多块体的差异性移动。

有限元计算分析结果(见图 4), 盘岩岩移指向采空场, 岩体变形随采深加大, 呈现不同的发展形式, 即上部中段先开挖时, 岩移呈现局部相对上升过程, 当下部继续开挖, 上部中段岩体位移下沉, 而开挖中段的岩体呈现局部性相对隆起。位移矢量呈不同的空间组合, 受节理单元的控制而分成若干块段, 显示差异性相对移动状态。上述结论与现场观测成果非常吻合。

三 岩石力学的工程应用研究

由于采矿工程一般属非永久性工程, 一旦矿体采完放出之后, 采后空间即失去效用。因此, 矿山岩石力学研究主要是围岩控制内容, 所谓控制是指矿体围岩, 在开采过程的变形、位移、破坏等, 不影响回采作业安全, 而使其相对稳定, 或有序的逐渐破坏。钨矿生产都为多中段作业, 大部采用留矿法, 其主要问题是, 采场两帮岩体产生闭合位移、片帮, 采场之间的夹墙和阶段矿柱(顶、底柱)失稳等, 威胁生产安全, 影响资源回收。但生产作业不要求围岩长期稳定, 只要求分中段、分矿块控制其失稳的次序和大致时间。因此, 地压控制研究的实质是:掌握地压活动规律, 提出合理的开采顺序, 选择正确的采矿方法, 进行有效的空区处理。

(一) 采空区处理

针对矿体开采后的采空场, 防止其上覆岩层突然崩陷造成危害, 所采取的工程防范技术措施。

由于矿山岩体开挖后, 产生应力重新分布和多种因素影响, 当空区达一定规模时, 往往造成大面积地压活动。而空区处理研究, 是指在规定的时间和空间范围, 确保采空区稳定, 或研究其有序消除的安全技术措施。因此, 它是岩石力学在采矿工程上的实际应用, 以解决矿山安全、资源保护、降低损失贫化等技术问题。钨矿采用的空区处理方法有以下几种:

1.封闭法。适用于采深不大的单一脉, 稀疏脉带, 矿带的端部矿块, 围岩不甚稳固具备自然崩落条件的脉带。采取的主要工程技术措施是, 把处理范围和生产作业区域进行隔离, 必要时给空气冲击波以通路。这种方法, 已在各矿区近地表中段的采空区处理中普遍应用。在围岩不太稳固, 结构面非常发育的白石山矿区, 下垅太平矿区的采空区处理, 是采取回收矿柱, 加速盘岩自然崩落的措施。

实践证明, 封闭法工艺简单、安全可靠、费用低廉、效果较好。

2.强制崩落法。适用于地表允许陷落, 围岩较稳固, 空区规模较大的矿带密集空区。其工程作法是用深孔爆破密集空区中的部分夹墙, 回收阶段矿房的顶、底、间柱, 陷落地表围岩处理空区。这一方法首先在大吉山钨矿试验成功, 先后在岿美山、铁山垅(黄沙)、下垅(樟斗)等矿区推广应用, 并获得较大的经济效益。例如, 大吉山钨矿在567米中段以上, 抽采夹墙, 爆破矿柱, 使地表陷落处理空区时, 既达到了控制地压的目的, 又有效地回收了很多民窿残柱、地表保安矿柱、以前采丢的矿脉、夹墙中表外细脉、老采场中的高品位民窿废石及未放完的矿石等, 据统计, 至1984年, 共获得这种残余矿石370万吨, 企业直接经济效益4607.8万元。其它类似矿山, 也获得了较好的效益。使用这一方法的主要问题是, 地表陷落后造成大气降水大量涌入坑内。

3.采后块石充填。适用于围岩较稳固, 采深较大的脉群分采采空区, 需要维护部分通道的有关采空区。充填料来源主要是坑内掘进废石和手选废石, 充填系数一般在0.4~ 0.5左右。这种方法在盘古山矿区应用较多, 在画眉坳矿区东部和大吉山深部单脉开采的空区也准备应用。

钨矿多年空区处理实践证明, 上述三种空区处理方法, 在一个矿区内往往需要两种或两种以上方法联合采甲才能凑效。

(二) 地压预报

钨矿现有开采范围的地压活动规律是, 受结构弱面控制的不稳定岩体, 沿一定的结构面向空区滑移崩塌。而不同岩性, 不同岩体结构, 不同结构弱面的空间组合关系, 可形成三种不同的破坏形式:

(1) 整体滑移。在黄沙(见图 1)、小龙、樟斗^〔5〕等矿区, 在脉带上盘的不稳定块体, 沿结构弱面向连续空区滑移。

(2) 多块体挤压。盘古山矿区以变质砂岩、石英岩为主, 受主干结构弱面控制的组合式多块体, 呈现块体之间相互挤压产生差异移动特征(见图 3)。

(3) 片落崩塌。在画眉坳矿区主干破碎带附近的采场, 盘岩为云母片岩、板岩、变质砂岩。节理裂隙发育, 具有随采而动、随放而垮的规律。

空区周围岩体, 从稳定到发生大规模的移动与崩塌, 都历经起始、渐变、加速、突变等四个阶段, 每个阶段都有各自的特征现象。在突变阶段之前必然伴随岩石声发射、变形, 位移等变量异常, 工程构筑体的破坏现象也频繁发生。这些变量中有些变量还可以在不同的矿山通过长期观测而定量。

小龙钨矿成功地预报了1972年4月11日的大规模地压活动, 就是观测不稳定块体在主滑动面上的移动速率和突变前的前兆特征等变量异常。其它如铁山垅、石人嶂等矿山也有成功的预报实例。

(三) 开采顺序

岩石力学观点认为, 矿山开采顺序属应力控制内容。它不受“从远到近、从上到下、上部超前”等传统规定的限制, 而是依据不同矿区原岩应力分布状态, 工程地质条件和二次应力场特征, 选择对围岩应力改善最佳的开采顺序。如印度科拉(KOLAR)金矿的石英脉开采, 采深3260米, 为避免多中段作业的矿块产生过高的应力集中, 发生大面积冲击地压灾变, 将采掘顺序改为下水平开采超前上水平一个巾段高度, 步巴采空区从原来的“V”字形排列转变为“倒V字”形, 已经采出了大量矿石, 使岩爆发生的频度和烈度都大为降低, 盘古山钨矿从矿区全局出发, 为改善下部中段开采时岩体应力的分布状态, 改变原有后退式采矿顺序, 最后开采矿区中部主干构造带附近的矿脉密集区, 从而导致该部位应力集中的不合理局面。现将后退式采矿顺序改为由矿脉密集区到稀疏区, 背向主干构造带的前进式采矿顺序。

(四) 采矿方法研究

在岩石力学研究中, 重点是现场测试, 而室内模拟试验也是一种较多采用的研究手段。在计算技术高速发展的今天, 电子计算机的广泛应用, 使数值分析方法为岩石力学研究提供了新手段。在以往钨矿地压研究中, 根据不同矿山工程的具体条件, 建立不同的开采力学模型, 采用光弹性模拟方法和有限元、边界元等数值方法, 较为系统地探讨了急倾斜脉状矿床留矿法开采时, 围岩和矿柱的应力与位移分布规律:

单一中段开采条件下, 盘岩的应力集中部位, 在采空场群的最上盘采场底角与最下盘采场顶角部位, 应力扰动范围一般为50米左右, 应力集中系数为1~3；

多中段开采条件下, 阶段矿柱(顶、底柱)是应力集中部位, 应力集中系数一般大于4, 应力集中状况随采深增加而增加；

采场之间的夹墙中应力分布, 依夹墙的倾角、厚度、高度递增而演变, 夹墙中存在程度不同的拉应力区；

在采场与构造弱面交切部位的岩体中, 出现极大的应力跳跃和位移变量。

上述结论, 用不同方法试验研究的结果基本相同, 与现场观测成果非常吻合, 从而为采矿方法参数选择, 采场压力控制提供了依据。