0 前言

天宝山矿务局立山矿区兴隆4号联合空区是一组规模大, 形态复杂, 且赋存在六中段至十二中段的一群盲矿体开采后形成的空区组, 空区高度150m, 体积19.75万m³, 该联合空区在1982年以前已基本形成.且开采的时间跨度长达20多年, 自1970年起, 该空区不断发生冒落, 1983年以前, 冒落体积18.4万m³, 尤其是1984年6月以来, 该空区由零星冒落转为急剧冒落, 历时39 d, 并从七中段冒通地表, 形成一长160 m, 宽70m, 高349m, 体积106万m³的大空区。总冒落量83万m³, 使21个采空区连为一体。

1 兴隆4号联合空区的工程地质条件

兴隆4号矿带赋存在变质岩系的角页岩中, 其下盘为石英闪长斑岩, 矿体大致呈NW-SE走向, 倾向SW, 倾角80°以上, 矿体基本不连续, 从兴隆4号矿带总共采出矿石107万t。兴隆4号联合空区九中段工程地质情况见图 1, 纵剖面见图 2。

在兴隆矿体的主要围岩角页岩和石英闪长斑岩中, 发育着北西向、北东向的平行节理及三角节理, 其岩石的完整性很差, 岩芯采取率低于70 %, 坚固性系数f < 7, 且岩体构造主要以互层状结构为主, 作为工程岩体, 其稳定性极差:石英闪长斑岩, 其完整性相对较好, 但由于受Ⅱ、Ⅲ级结构面的影响, 作为工程岩体也常出现失稳破坏。

位于兴隆4号联合空区的Ⅱ、Ⅲ级构造主要有4组:立山24号大断裂:北西向的两条煌斑岩脉; 北东向和近南北向的煌斑岩脉, 尤其是穿过兴隆4号空区的两条北西向断层, 其倾角40° ~ 6 0°, 宽度4 ~ 5m, 且被煌斑岩脉充填, 其稳定性极差, 它是引起空区冒落的主要因素。

2 兴隆4号联合空区地压活动前兆

1984年1月21日, 在检查兴隆4-13号空区时, 发现其南侧的大理岩、矽卡岩和煌斑岩脉组成的帮壁出现冒落。

1月26日, 在七中段听到兴隆干线和兴隆4-13号空区中均有石块脱落声, 并发现八中段兴隆4-13号空区上盘出现底板裂缝。

1月27日, 发现立山26~19号空区有新的冒落岩块。

1月28日, 从九中段检查立山26号空区时, 未发现异常, 但2月17日去同一地点, 发现该空区被冒落的岩块充满, 说明过去一直没有明显冒落的兴隆4号空区在过去的20 d内已经开始冒落。

2月27日, 八中段兴隆4-13号空区上盘岩壁的落石由漏斗溜出, 并将巷道堵死。

3月初, 在检查八中段兴隆4-19号空区的上盘巷道时, 发现底板有裂缝, 经灌水试验, 发现该裂缝同下部空区连通。

3月9日, 对八中段和九中段进行裂缝调查, 并且对71~382测点进行水准测量, 发现382^#测点沉降了0.277m。

由此可见, 上述现象是兴隆4号联合空区地压活动趋于激化的前兆。

3 兴隆4号联合空区地压急剧活动的特征

1984年6月3日, 首先在七中段听到空区岩石的脱落声, 接着又连续听到数十次较大的冒落声, 20min后, 发现充填巷道因下部空区片落而失去底板, 只剩有一侧帮壁和巷道的顶板。从此时起, 冒落以每分钟5 ~ 15次的频率持续发生, 同时在检查兴隆4-13号空区时, 发现也出现冒落, 冒落产生的气体与爆风可吹灭电石灯。

6月12日, 冒落使六七两中段各孤立的空区如兴隆4-13号和兴隆4号相互连通, 并开始激剧向上冒落, 很快地破坏了五中段的巷道。

6月19日, 冒落发展到五中段并使五中段以下所有巷道的通路均被冒落岩块堵死, 七中段空区的上盘围岩出现错动, 错距达10cm以上。

6月25日, 发现用于监测SN向的F₁断层的玻璃管出现破裂, 说明F₁断层在此次冒落过程中也出现活动。

7月12日, 兴隆4号联合空区向上冒透地表。

7月16日, 兴隆4号联合空区向上冒穿了立山24号巷道, 以后空区再次往外扩展, 形成了冒落区西北部的边界, 而F₁断层随本次急剧冒落后也趋于稳定。

据圈定空区后推算, 在6月3日急剧性冒落以前的前兆期, 冒落量由11.76万m³, 增到18.34万m³; 6月19日五中段巷道被堵时, 冒落量达42万m³; 7月12日, 冒透地表时, 形成的联合空区长160m、宽70 m、高439m, 空区体积106万m³, 如减去采空区体积19.75万m³, 和矸石充填量3.16万m³, 总冒落量83.07万m³, 其中6月3日以后的急剧冒落期内, 冒落了64.75万m³, 并使21个采空区连为一体。

4 兴隆4号联合空区的冒落机制分析

a. 兴隆4号联合空区1984年6 ~ 7月间出现的急剧性冒落是在兴隆4号矿体下部回采已经结束的情况下出现的, 因此它的冒落突破了立山矿区过去存在的冒落随下部采空区的扩大而加剧, 开采结束则冒落逐渐缓和或终止的模式, 这表明兴隆4号联合空区的冒落是在其围岩进入蠕变阶段后出现的, 而激剧性冒落的时间长达39d, 且无整体岩移现象, 又说明冒落是由于其围岩和结构面的c、φ值出现随时间的增加而降低, 并使得空区变形增大, 造成不稳定岩体沿节理和构造面出现坍塌和冒落。

b. 兴隆4号联合空区的冒落和其所处的工程地质条件有直接关系, 见图 3。该空区被四条Ⅱ级结构面切割包围, 而空区的冒落扩展方向主要是沿两条北西向的被煌斑岩脉充填的断层向角页岩区和石英闪长斑岩区扩展, 从平面上看, 冒落后的空区形迹近似椭圆形, 其最大轴向为北西向, 由此可见, 北西向的两条煌斑岩脉和层间断裂是控制空区冒落的主导因素。

c.  从该空区的空间状态看, 兴隆4号空区赋存在八至十二中段, 空区高度H = 120m;兴隆4-13号赋存在七至十二中段, H=150 m; 兴隆4-19号赋存在九至十一中段, H=90 m。由于兴隆4号位于兴隆4-19空区的上盘, 两空区在九中段的夹墙厚度为7 m左右, 且其岩体为节理发育的角页岩, 加上南北向的煌斑岩脉的影响, 使兴隆4号和兴隆4-19号之间的夹墙首先开始冒落, 并很快就相互冒通, 从而使得三个空区在九中段和八中段下部相互连通, 并使联合空区的体积日益增大, 进而造成兴隆4号和兴隆4-13号两个空区向上冒落。由此可见, 兴隆4号和兴隆4-19号两个空区在九中段夹墙的倒塌是联合空区地压活动的诱发点。

d. 兴隆4号和兴隆4-19号两个空区在九中段的夹墙倒塌后, 引起兴隆4号和兴隆4-13号两个空区分别向上冒落和扩展, 从时间上看, 在1984年以前, 上述两空区出现的冒落是各自独立的, 这一点从联合空区在七中段的平面图上可以得到佐证; 在1984年1 ~ 6月间的冒落前兆期, 其主要特征是兴隆4号和兴隆4-13号两空区因兴隆4号与兴隆4-19号两空区在九中段上部的夹墙出现倒塌, 引起两个空区各自独立的向上冒落, 在这段时间里, 兴隆4号空区冒到七中段, 而兴隆4-13号空区冒到六中段, 但两空区在七中段厚度达20余m的夹墙仍保持完好, 此时两空区的次生应力大多集中在此夹墙上; 1984年6月以后, 兴隆4号联合空区急剧冒落的主要特点是两空区在七中段厚度为20 m的夹墙出现倒塌, 使两空区在七中段相互连通, 此时空区的暴露面积达7500m², 随着该夹墙的倒塌, 空区暴露面积增大, 急剧性冒落则开始, 进而导致该联合空区冒透地表。由此可见, 1984年6月3日兴隆4号和兴隆4-13号两个空区在七中段夹墙的倒塌可视为该联合空区冒落的前兆期和急剧性冒落的临界点。

e.  由于联合空区受到4条Ⅱ级结构面的切割影响, 致使空区的顶板不断向上冒落, 空区的下盘主要是以花岗闪长斑岩为界, 空区的上盘主要是沿北西向的煌斑岩脉向角页岩区扩展, 表现为角页岩沿结构面松脱而成片状依次滑落。一方面由于空区上覆岩体的应力作用在空区的围岩上, 使空区围岩二次应力集中, 造成周边围岩的片落加大; 另一方面由于空区的暴露面积过大, 加上各种构造的影响, 使空区的顶板向上冒落, 因此空区的两壁塌落成斜面, 而顶板则冒落成自然平衡拱, 正是这种不断的“两壁塌落, 引起顶板向上扩展”的冒落方式使得兴隆4号联合空区冒透地表。从各中段的冒落形迹看, 越往上空区的冒落口越小, 而地表的陷落口远小于七中段空区的暴露面积。

5 空区的矸石充填处理

对于一个地表不允许大规模塌陷, 而矿石的铅锌品位低于3 %的百年老矿, 空区处理的最佳选择就是矸石充填。

矸石充填的作用机理主要表现在三个方面: a.  矸石充填在限制围岩位移时, 对围岩施加反向侧压, 从而改善了围岩的受力状态, 提高了围岩的强度; b.  由于矸石充填体的刚度远小于围岩的刚度, 具有柔性支撑的可让性, 从而隔绝了部分高应力的传递; c.  限制了空区的冒落空间。由于上述原因, 在矸石充填处理时, 充填体的松散度不宜过高, 并使其不为流动散体, 在空区大规模来压前处理完毕, 就能有效的扼制空区的冒落, 使其不出现大规模的冒落型地压活动。

从空区矸石充填处理的数值模拟研究中可以看到, 回采后的空区, 由于其周边应力的释放, 空区围岩应力发生急剧变化, 角隅处二次应力高度集中; 空区周边和其附近的局部范围出现塑性区和拉应力破坏区, 随时间的推移及岩体所表现出的蠕变特性, 空区会产生失稳破坏和大面积冒落。在空区进行矸石充填处理的初期阶段, 矸石基本处于自重状态, 由于矸石充填体孔隙率很大, 刚度很小, 初期对围岩的支承作用很弱, 随着开采的进行, 空区应力处于不断的扰动状态, 空区盘岩位移增大, 并使矸石充填体处于一种不断的压实过程, 随之充填体泊松比不断减小, 承载强度不断增大, 并使其处于三向受压状态; 另一方面, 受挤压的矸石充填体对空区围岩施加一种大小相等、方向相反的侧向约束压力, 正是这种侧向约束压力使空区围岩由充填前的二向受力状态变成三向受压状态, 从而改善了围岩的受力状态, 提高了围岩的承载强度。

在选择充填空区时, 必须区分主次, 对那些由于自身的冒落可能引起较大范围破坏性地压活动的空区, 必须保质保量及时优先充填, 如联合空区中的兴隆4号和兴隆4-19号在九中段的空区就是这类优先充填的空区, 通过充填处理, 使九中段的夹墙不出现破坏, 从而避免了空区发生“链式”破坏效应。对于一些相关性较差, 而又互不相连的孤立空区可以滞后充填或不充填。

从兴隆4号联合空区冒落后的情况看, 由于冒落物对空区的充填, 使冒落后的空区稳定性大大提高, 虽然该联合空区的上盘围岩和断层在这次地压活动中有活动的形迹, 但最终还是被充填物限制在原来的位置, 岩移活动趋于稳定, 尤其是联合空区冒透地表和地表废石将冒落空区充满, 对维护联合空区的稳定, 使其不再发生大规模地压活动起到积极作用。

6 结论

a. 1984年, 兴隆4号联合空区出现的地压活动是一次以冒落为主体的区域性地压活动。空区出现的冒落以及冒透地表, 使空区的区域应力得到释放, 尤其是冒落物和地表废石充满空区, 对维护联合空区的稳定起到了积极作用。

b. 空区出现的冒落存在两种模式:一种是冒落随采空区的增加而加剧, 开采结束则冒落缓和或终止; 另一种是由于水和风化的影响, 使岩体的强度不断降低, 造成岩体的变形随时间的增加而加大, 当岩体的变形发展到一定阶段时, 不稳定岩体沿节理和构造面出现片帮和冒顶。

c. 空区的冒落横向(平面)扩展较快, 其一般规律是先片帮后冒顶, 空区顶板冒落成自然平衡拱, 此后空区可以相对稳定一段时间, 然后再次打破这种暂时的平衡, 重新出现冒落, 而顶板总是以拱形向上发展, 平面上则使不规则的空区形迹逐渐冒落成近似椭圆形, 空区冒落形迹的最大轴向受煌斑岩脉控制。

d. 空区出现地压活动时, 其岩体流变的三阶段性不明显, 空区附近的岩体滑移现象不显著, 冒落主要发生在角页岩区, 煌斑岩脉和断层的交叉部位。

e. 空区最薄弱的夹墙和间柱的倒塌是联合空区地压活动的诱发点, 由于相邻空区的稳定是彼此相连的, 当一个空区出现破坏时, 则会影响相邻空区的稳定性, 表现出“链式”破坏效应, 联合空区地压活动的诱发区是九中段兴隆4号和兴隆4-19号两空区间的夹墙。

f. 矸石充填是低品位矿山优先考虑的空区处理方法, 在实施过程中, 必须严格区分主次空区, 对地压活动的诱发区应保质、保量、及时、优先充填。