0 前言

我国锰矿石储量居世界前列, 其中沉积型及沉积变质型锰矿占83.83%, 在锰矿总量中占统治地位。这些矿床多为缓倾斜软围岩薄矿体, 以地下开采为主。仅湘潭锰矿、桃江锰矿、瓦房子锰矿、遵义锰矿、建水锰矿、花垣锰矿、鹤庆锰矿等重点地下锰矿, 产量就占全国的53.43%, 在锰业中起支柱作用。它们的采矿技术长足进展推动了锰业发展, 而地压活动现状又促使我国锰矿地下开采急待改进。分析这些矿山地压控制技术的演革, 探求深部开采对策, 使锰矿地压控制技术与锰业生产获得更大的发展。

1 锰矿床地层与工程岩体^[1]

锰矿床的地层、岩性、构造、形态构成了地层基本特征, 其原岩应力场、地层环境、工程条件又给工程岩体以受力状态, 两者综合组成了相应的矿床开采技术特征, 使之采用相应采矿方法。这些因素使锰矿床诱发了一定地压活动规律及地压控制技术。

1.1 锰矿体形态

我国几个大型地采锰矿, 如湘潭锰矿、桃江锰矿、遵义锰矿、瓦房子锰矿、建水锰矿、斗南锰矿、鹤庆锰矿、花垣锰矿等, 分属于震旦、泥盆、二迭、三迭纪等不同地质时期的沉积锰矿, 由于不同的构造、古气候环境形成了不同地质体。相对稳定的沉积环境, 使这些薄矿体形态较为稳定, 均以层状、似层状、透镜状产出; 沿走向与倾向延伸较长; 成矿后没有非常剧烈的构造运动, 矿体倾角较为平缓。

1.2 锰矿床矿岩性质

矿床的矿岩性质与构造体系决定了工程岩体属性, 环境因素在上述控制因素制约下起作用。矿体性质主要决定于沉积环境与类型:湘潭锰矿属碳酸锰矿, 稳固程度较低; 桃江锰矿、遵义锰矿、花垣锰矿属菱锰矿, 为中等稳固至稳固; 斗南锰矿为氧化锰矿, 中等稳固; 瓦房子锰矿为水锰矿, 属稳固类。上盘围岩决定于沉积环境与类型:碳酸锰型, 如湘潭锰矿顶板为碳质黑色页岩, 具有自燃性, 不稳固; 氧化锰型斗南锰矿, 上盘为泥质粉砂岩, 中等稳固; 水锰矿型瓦房子锰矿, 顶板为灰岩、砂页岩及粉砂页岩, 顶板较稳固; 菱锰矿型桃江锰矿, 顶板为粘土岩及黑色板岩, 属稳固型, 遵义锰矿为粘土页岩不稳固, 花垣锰矿为碳质页岩、松散破碎, 不稳固。

2 采矿方法^[3]

我国重点地下锰矿, 多为缓倾斜、薄矿层、且顶板稳固性差, 其主要采矿方法为房柱法与壁式充填法。在缓倾矿体不稳条件下, 从顶板管理、采场支护及空区处理出发, 采用房柱法。如遵义锰矿的小仓房式房柱法, 鹤庆锰矿的人工片石矿柱锚杆房柱法, 斗南锰矿的锚杆房柱法, 花垣锰矿的房柱法等。在缓倾矿体顶板不稳到中稳情况下, 一般采用壁式充填法开采。如湘潭锰矿、桃江锰矿、瓦房子锰矿等。这些矿山采矿方法与采场结构参数见表 1。

目前开采主要难题为：房柱法开采矿石损失率居高不下，遵义锰矿高达40%~50%;鹤庆采用人工片石矿柱可提高回收率，但成本高、砌片石劳动强度大。湘潭锰矿采用水砂充填，解决了围岩易燃及回采条件差问题。但采矿强度低、效率低、充填接顶不好、顶板移动难以控制、坑木消耗大、矿石的贫化损失大等难题仍难以解决。

3 锰矿地压现状及主要问题

锰矿采场地压控制技术主要包括采场空区处理、顶板管理、采场支护。多年来, 全国锰矿技术委员会组织重点锰矿开展地压控制技术研究，满足了生产急需。各矿采场地压管理状况如表 2。

从上述重点锰矿山的采场管理可知目前锰矿地压活动规律与地压控制技术现状，从而也揭示了我国目前锰矿地压基本问题。

(1) 开采缓倾薄层浅部矿体，地压控制技术能满足地下锰矿浅部生产的需要。

(2) 采用充填法处理空区的湘潭锰矿、瓦房子锰矿、桃江锰矿等矿山，采场顶板控制较好，确保了开采安全。同时，也看出了水砂、废石及削壁充填效果有显著区别。前者效果为佳。从开采深度看，浅部时采出空间本身要小些，不同充填法效果差别还不特别明显；随开采深度、采出空间加大，其差别渐趋显著。应特别注意随着采深加大、采出空间加大而用削壁充填法处理空区所出现大范围突发性地压活动。桃江锰矿这些年来有害地压活动就属此列。

(3) 用房柱法开采缓斜或倾斜薄层的矿山，在浅部开采时均以矿柱或人工矿柱支承顶板，或以加固措施对顶板补强，能有效控制地压活动。但随采深增加，空顶面积增加，残柱支承荷载渐增，有害地压活动逐渐大范围扩展，再加上深部开采时残余构造应力的逐渐增大，地压破坏活动急剧发展，局部地压活动正在或已经诱发了大规模区域破坏性灾难地压。如花垣锰矿南段+700m中段以上在1994年7月、12月先后两次发生大规模灾难性地压活动^[2]; 遵义锰矿小矿房式的房柱法开采，保留矿柱约占40%~50%, 采空面积已超过30万m², 1985年以来已多次发生小范围突发性地压活动，东区及西区均发生片邦、冒顶、混凝土衬砌被压垮等破坏性地压，随时都存在诱发更大地压破坏的可能。云南省鹤庆锰矿、斗南锰矿地压破坏活动也十分类似^[3]。目前，房柱法开采地下锰矿的地压活动与破坏，十分类似于70年代初期江西钨矿地压破坏活动的态势。可见，缓倾薄层房柱法开采锰矿随开采下延所诱发大规模破坏性地压，是目前锰矿地压研究亟待解决的重大难题。

4 浅部开采地压活动基本规律

缓倾薄层房柱法浅部开采锰矿地压活动基本规律为：

(1) 缓斜薄层锰矿床，其上部地压活动主体是自重应力型。只是某些陡倾或倾斜矿体，受近水平残余构造应力及主构造形迹影响，转变为构造应力——构造控制型。这决定于工程岩体的原岩应力场。

应力型地压着重于应力分析与岩体强度测试；构造型地压着重于节裂测绘、趋势面分析与工程岩体稳定性判别。

(2) 岩石力学性质试验与群论分析表明，缓斜薄层锰矿地层为横向各向同性的各向异性体^[1]。工程实践与力学解又表明，对缓斜在工程上可作各向同性体对待；对于倾斜与急斜才显示其各向异性的强度、变形、破坏性质。地层的如此岩性及构造、环境、地下水、地温等构成地层总特征。这是锰矿地压的介质材料特性^{[6, 8]}。

(3) 在浅部矿体采出以后，开采空间构成了地压活动显现的自由空间，或形成相对稳定的空场，或导致岩体内部及地表移动。当长壁式或房柱式开采，对于自重应力型地压，当其顶板因底下采空而所致应力不大，并顶板没有构造切穿而具有一定强度时，足以形成一定暴露面积空场，使空区稳定；当顶板为低序次构造弱面破坏而强度很低时，采空顶板可以随开采有序冒落，导致有控制的地表岩层移动^[4~5]。

(4)对于浅部开采的自重应力型地压活动，有效控制顶板还是有效控制采空区上方的地表岩层移动，这是地压控制可供选择的两个方向。对于壁式充填法，鉴于矿层薄、顶板有较大碎胀性，水砂充填、矸石充填、削壁充填对于控制顶板移动及控制岩层地表移动均能起显著作用。并以前者较后者为好，并随矿体倾角加大而充填效果为佳。对于房柱法，则以矿柱、人工矿柱、加固顶板来控制顶板移动。

房柱法控顶方式受矿柱类别是顶柱、底柱还是间柱，矿柱布置方向、形状、空间点阵，矿层倾角、地质构造切割、水平构造残余应力作用，粘土矿物含量，地下水，开采扰动，突发性冲击荷载作用等制约。且控顶一旦失效，又会雪崩式影响全矿。对于矿层面积较大，延深较深矿体，这类控顶方式不及控制采空区上覆岩层与地表移动来得优越。事实上，目前许多重点锰矿山已形成了局部地压活动可能导致全矿性破坏地压活动的险情，像花垣锰矿、遵义锰矿就发生过这样的情况。

(5) 局部倾斜矿体存在着残余构造应力——构造破坏型地压。

(6) 井巷地压，当岩层以塑性为主，则次生应力会造成顺层剪切破坏，在巷道峒室中造成顺层不对称破坏楔体；当岩层以脆弹性为主，则以正交层面方向的张拉破坏为主，造成近于正交层面的非对称破坏楔体。两者均应用光爆成巷及锚喷网等强支护体系去解决^{[4, 6]}。

(7) 山区地形使矿山原岩应力场复杂化，多构造体系交汇又使矿体形态多变，导致了某些地压活动异常区，应个别具体变动对策。

5 深部开采地压控制对策

重点锰矿山地压活动现状及可能诱发的大规模灾难性地压，预示了深部开采地压活动规模与控制技术研究方向：

(1) 进一步深化地压活动规律与地压控制技术研究，掌握宏观地压活动规律，探求有害地压活动的控制技术。

对缓倾薄层锰矿尚待开采的地下矿山，当矿层展布范围广、延伸深度大时，从浅部开采对深部开采影响角度来看，只要顶板条件适宜就应优先考虑采用壁式开采方法。只有在地表有保护对象、存在自燃可能性等不允许顶板冒落条件下才使用充填法。充填效果应充分顾及采出矿体厚度与倾角作用。只有在不需考虑深部开采时，房柱法、空场法等所有在浅部残留采出空间的开采方法才能使用。否则由此造成的次生应力集中会诱发深部开采的大规模破坏性地压活动。所有应力型与构造型地压活动都如此。江西钨矿多属急倾斜脉层群型，浅部开采大都为浅孔留矿法，采出空间不作任何处理。随开采中段增加、采空区增大，在60~70年代，盘古山钨矿、小龙钨矿出现多中段全矿性倒塌，铁山垅、画眉坳、大吉山等钨矿破坏性地压活动不断。这都在于浅部开采时空场不作处理，引起应力集中，导致在深部开采时沿大型构造弱面破坏的灾难性地压，矿山停产多年才得以局部恢复。对薄层缓斜房柱法开采锰矿，在适当应力与构造条件下同样隐伏这类灾难^[3]。

房柱法开采应考虑回收房间矿柱，以最大限度地减小浅部开采时采空区体积。有条件时，一次回采时可适当增加矿柱量，便于第二次全面回收残柱，以实现干净回采。

(2) 对目前具有发生大范围破坏性地压的矿山，从速作应急研究与处理。主要包括三个方面：浅部已采区处理，要研究预期标准、处理范围、方法、要求、衡量尺寸；浅部开采与深部开采衔接；深部开拓、开采及空区处理方案与方法。花垣锰矿、遵义锰矿、斗南锰矿、鹤庆锰矿首当其中。

(3) 对壁式或充填法开采矿山，地压控制仍存在一些尚需完善的特殊问题，如桃江锰矿空区处理及削壁充填法的顶板控制等。

(4) 加强工程科研与地压控制技术研究，加强监测，避免把资金投向从整体看只具负面效应工程，避免盲目处理空区，确保安全生产。

缓斜薄层锰矿地下开采已取得长足进展，浅部地压控制为矿山生产起了有效作用。只要从整体出发，掌握浅部开采与深部开采的相互联系与区别，强化地压控制技术，急速处理潜在地压难题，锰业生产将会得到新发展。