0 引言

天宝山矿区为多源、多期、多类型复合叠加而成的铅锌矿床, 矿床类型属多金属矽卡岩型、热液充填型和角砾岩筒型矿床; 成矿物质来源于花岗闪长岩和石英闪长斑岩中酸性侵入体; 成矿期为海西期、印支期、燕山期。矿体形态为极其复杂的急倾斜似层状、囊状、扁豆状和筒状矿体。矿石金属品位较低, 按中段统计, 铜、铅、锌金属品位分别为0.02%~0.55%、0.15%~1.95%、1.21%~2.7%。上下各中段的金属价值较均衡, 按1990年不变价格计算, 每吨矿石的价值为70元左右。

近矿围岩有花岗闪长岩、石英闪长斑岩、凝灰岩、角页岩和大理岩等, 除沉积变质岩外, 近矿围岩质量一般较好(表 1)。沉积变质岩分布最广, 并为厚大主要矿体的直接围岩。大理岩与角页岩的接触关系为整合的互层关系。它们之间的分布关系, 从南东到北西, 两者的面积由少增多, 而从上到下, 大理岩的面积逐渐减少, 角页岩的面积则逐渐增多。

矿体产状为北西走向, 倾向南西, 倾角75°, 发育于沉积变质岩的大理岩和角页岩中。沉积变质岩中的层理面, 走向北西, 倾向南西, 倾角65°~70°, 与矿体产状一致。节理以北西向节理、水平节理和三角形节理为主，性质以扭张节理为主, 剪节理次之, 并为疏松结构面。节理主要发育于沉积变质岩中, 尤其是角页岩(表 2)。

断裂构造有北西向压扭性断裂构造群、东西向压扭性断裂构造群、北东向压扭性断裂构造群和近南北向压扭性断裂构造群, 与矿体关系密切, 位于沉积变质岩的大理岩和、角页岩中, 并斜交岩层, 控制立山17^#矿体及平行矿体, 使岩体遭受破坏, 该构造倾向南, 倾角70°, 对厚大的中深部和深部矿体开采影响极大。

该矿为侧翼竖井开拓, 采用留矿采矿法开采, 现已位处深部中段开采, 开采深度620m, 最终采深800m。按矿体的开采深度, 大致可以分为三个部位:370m中段以上为上部, 370~0m中段为中深部, 0m中段以下为深部。通过对矿床工程地质调查结果, 370m中段以上岩体稳定性均较好; 370 m中段以下角页岩节理更为发育, 并且角页岩在围岩中所占的比例逐步增多, 至0m中段以下, 围岩几乎是角页岩, 岩体的稳定性随节理的发育和角页岩比例的增大, 而明显下降。另外, 地应力随采深的增加而增大。因此, 地处中深部的采场地压活动就很活跃, 若不加以控制、落盘, 顶板冒落就极为频繁, 影响采场正常作业。

根据凿岩爆破的方式, 留矿采矿法与分层崩落法和分层充填法一样, 都是分层回采方式的采矿方法。这种回采方式的采矿方法, 对形态复杂多变的矿体具有极强的适应性, 它可以通过对每一层矿体的回采, 准确地确定矿体边界, 其回采过程也是探矿过程, 并且可以根据探矿的结果随时确定崩矿的位置, 在回采过程中调整采幅, 以至采场的回采高度。因此, 分层回采的采矿方法具有较高探矿性能和对矿体形态变化的适应性。这与中深孔和深孔的分段崩矿和阶段崩矿方式相比, 在形态复杂的矿体条件下, 对控制和减少贫化损失, 有着不可比拟的针对性。

留矿采矿法是一种回采工艺简单、低成本采矿方法, 与分层崩落和分层充填采矿法相比, 留矿采矿法要经济得多。天宝山矿为低铅锌品位矿山, 矿石的产值为70元/t, 欲要使它的矿石具有开采价值, 保持矿山原有的经济效益, 对这种品位低劣的矿体条件, 除留矿法以外, 其它的采矿方法很难替代。

多年来, 在既要解决随采深增加而出现的采场地压问题, 又不降低企业经济效益的同时, 开展了一系列的试验研究工作, 在不改变采矿方法的前提下, 采用多种措施和方法, 使所出现的地压问题得到了控制, 不仅克服了地压危害, 同时使采矿成本和贫化损失指标也得到了控制, 取得了显著的效果。

1 选择合理的空区处理方案

天宝山矿为解决由于开采而出现的区域性地压问题, 消除大范围灾害性地压隐患, 从1976年开始, 先后建立了两套研石充填系统, 对采空区进行了研石充填或隔离层加研石充填处理。作为空区处理, 直接的意义在于保证矿山持续生产, 防止地压灾害事故, 最大限度地回收矿产资源, 保证和提高企业的经济效益。除此以外, 空区处理方案的台理选择, 对改善下部新开矿块的应力分布和开采条件, 也是极其重要的, 尤其对延深大的矿体更是如此。立山17^#是天宝山矿主体矿脉, 走向长20余m, 矿体厚达60m, 延深600多m。选用了隔离矿柱加研石充填方案, 不仅解除了上部空区的隐患, 同时也大大地改善了下部采场的应力分布, 使新开采场得以顺利开采。

立山17^#矿体隔离矿柱的设置为空区高达150~200m时, 设置一隔离矿柱, 矿柱厚度45m, 第一隔离矿柱位于190m处, 第二隔离矿柱位于0m处(图 1)。在隔离矿柱设置可行性研究时, 曾进行过多方案比较, 建立了留和不留隔离矿柱两种电算力学模型。电算模型以每一个中段为一步开挖, 进行分步开挖模拟分析。模拟分析表明, 在相同采深条件下, 留隔离矿柱方案空区围岩的应力分布明显优于不留隔离矿柱方案(图 2、3), 直至矿体尖灭消失时, 留隔离矿柱方案空区底板应力值仍远低于不留的方案(表 3), 这证明它改善了底部新开矿块的开采条件。

2 合理地调整采场结构参数

合理地选择采场结构参数, 是采场地压控制的重要手段。天宝山矿开采年下降速度为25m/a, 随采深的增加, 不仅岩体应力加大, 而且岩性反而变差, 角页岩所占的比例增大, 采场围岩稳定性明显下降, 采场顶板和上、下盘冒顶落盘现象日趋频繁和严重，爆破后松石增多, 工作面安全威胁增大。在长期的生产技术管理中, 为提高采场岩体稳定性, 进行了采场结构参数的优化。首先, 对岩体稳定性进行了分区分级, 以采场顶板开裂破坏为条件, 调整采场参数, 在不出现冒落的前提下, 尽可能保证矿房的尺寸, 少矿柱比例。采场蠢构参数的优化, 对解决采场日趋频繁的落盘和冒顶现象, 消除采场工作面的安全威胁, 起到了重要作用。

在采场的设计和开采中, 无疑采场结构参数与矿体形态和本身的稳定性密切相关。而通过长期地压管理优化选取的采场最佳结构参数(表 4), 对采场的开采设计、采场的地压管理起到了极其重要的宏观控制作用。

3 改进采场回采工艺

天宝山矿区节理构造较为发育, 这天宝山矿区节理构造较为发育，这对采场顶板的稳定性影响很大，给采场顶板管理带来不小的麻烦，直接威胁着作业人员的安全。开采至中深部时，为提高采场工作面的安全程度，对原留矿采矿法的回采工艺进行了改进，提高了采场工作面的安全性，改善了凿岩作业的劳动条件，减小了采场工作面平场准备工作量。

上部中段开采时，采场工作面均采用上向式凿岩爆破工艺进行回采，它是留矿采矿法的传统回采工艺。上向式凿岩爆破回采工艺，作业人员直接位于被凿顶板下作业，凿岩时的冲击和振动，易使顶板矿岩脱落，伤害操作人员，尤其在三角节理发育的工作面，事故出现频繁。为避免操作人员直接在被冲击和振动的岩体下作业，改上向炮孔为水平炮孔凿岩工艺。采场回采时，由采场一端拉切割槽向另一端推进，推进的步距4m, 工作面高2m。这样，5~10m宽的采场, 可以形成120~240t/台班的凿岩爆破效率, 而满足采场生产能力。

采场工作面由上向式凿岩改为水平式凿岩, 这样做不仅是凿岩方向的改变, 而且使整个回采工艺都发生了变化。凿岩方向改变后, 除应满足和形成一定的采场生产能力, 操作人员不在受冲击振动的工作面下作业外, 更主要的是使操作人员在新开辟的工作面下工作。对节理发育和压力较大的中深部采场, 爆破后工作面的裂缝随暴露时间变化明显, 暴露数天后, 即可注意到裂缝有新的变化, 裂缝增多变宽。假设一个10m宽的采场, 按台攀效率计算, 每一层的回采时间约需10d, 上向式凿岩的作业恰恰就在10d前开辟的工作面下操作; 而水平凿岩爆破工艺却在上一班形成的工作面下作业, 工作面刚刚进行松石处理, 被开辟的时间最短, 顶板裂缝变化小, 从而提高了作业的安全性。另外, 水平眼爆破的爆堆较平整, 而凿岩时对平场的要求又比上向凿岩时低, 这就大大简化了采场工作面的平场工序, 减轻了工人的劳动强度。因此, 由于炮孔方向的改变, 使整个回采工艺都有了很大的改进, 既利于地压管理, 又利于生产。

4 合理划分和布置采矿场

天宝山矿现有开采水平已降至0m中段, 对于中等厚度以下的矿体, 运用合理调整采场结构参数和水平凿岩爆破技术, 得到了顺利开采。而中厚以上的矿体开采, 除上述以外, 对采场的布置和划分应十分讲究。尤其是一些节理较为发育, 并受大断裂构造破坏的矿体, 如立山17^#矿体, 深部围岩角页岩比例大, 节理甚发育, 并有与矿体走向一致的近东西向断裂构造切割, 局部断层破碎带宽达4m, 上盘附近矿岩稳定性较差, 矿房回采时极易发生冒落。对此, 地压管理必须顺应采场冒落特征, 合理划分矿块和布置采场, 使矿房得以安全顺利回采。

经多年对地压活动监测研究表明, 天宝山矿区地压活动主要以空区围岩冒落的形式为主。在空区围岩冒落过程中, 呈烟囱式冒落趋势发展, 即使出现连续几个中段的大冒落, 冒落的位置基本是一直向上发展, 各中段所见冒口位置上下偏斜很小, 冒口逐渐变小。而正在回采的采场, 围岩暴露的时间较短, 大规模的冒落只有在不稳定岩体的暴露面积超过某一极限时才会发生。

在采场的顶板管理中, 欲使顶板的稳定性最好, 一是要使矿房中稳定性较差的顶板面积最小, 二是断裂构造在矿房中的长度最短。因此, 在进行采矿设计矿块划分时, 矿房的长度方向应与断裂构造走向直交, 矿房也基本垂直于矿体走向方向。此时, 矿房走向并近似垂直岩层走向, 矿房的稳定性最好, 采场布置同时兼顾了层面构造特征。

这样布置后, 采幅不随矿体形态而变化, 采场上、下盘边界平整, 稳定性好。并利用采场两翼, 同样可以起到探矿作用, 随矿体形态变化进行回采。

5 结语

天宝山矿的矿柱采用中深孔阶段崩矿采矿法回采, 隔离矿柱设置后, 不存在覆盖岩石下放矿的条件, 避免了矿柱回采的贫化问题。因此, 矿柱回采的技术经济指标并不低于矿房。即在进行开采设计时, 不必苛求矿房矿柱之间的比例, 以顺应地压管理需要。随着开采深度的加大, 势必矿柱将越来越大, 它的开采地位也将有所上升。在进行矿柱回采时, 应该进一步结合中深孔分段凿岩的工艺特点, 在矿块设计时, 改进采准布置, 提高崩矿效果, 加快回采速度, 缩短矿柱的持续存在时间, 提高矿柱的稳定性。