1 概况

狮子山铜矿是铜陵有色金属(集团)公司的主体矿山之一, 位于安徽省铜陵市东9km的长江南岸, 与市区仅一山相隔, 矿区包括东狮子山、西狮子山、老鸦岭、大团山、胡村、桦树沟及冬瓜山等矿段。东、西狮子山矿段位于浅部; 老鸦岭及大团山矿段赋存于-400m~-800m之间; 冬瓜山矿段埋藏较深, 一般在-800m~-1500m之间, 目前正在开拓建设, 预计在2003年底建成试生产。

近矿围岩主要是矽卡岩、闪长岩、大理岩和角岩。矿体和围岩没有明显的界线, 经探矿和采掘揭露, 矿区内断层均为三级以下的一系列小型构造, 未见大型断裂, 特别是无明显位移的大断层出现, 但以裂隙或破碎带形式出现的断裂构造较发育, 破碎带中充填物为方解石和石英, 充填密实, 不含水, 局部有小空洞存在。

采矿方法经历一个演变过程, 西狮子山矿段Ⅱ ~Ⅴ号矿体在-40m以上使用房柱式采矿法, 1975年以后使用特大空区下的阶段崩落采矿法, 1980年后经过专家充分论证又逐渐改为暂留矿石垫层的阶段崩落法。

狮子山铜矿经过30多年的开采, 浅部的东狮子山矿段已经闭坑, 由于矿体围岩稳固, 且采用了空场条件下进行开采, 到2000年底止, 东狮子山矿段形成了约103万m³的大空区, 西狮子山形成约234万m³的特大空区, 如此大的空区在国内乃至世界也极为罕见。

狮子山铜矿开采初期, 采用阶段崩落法开采形成了23万m³的大空区。为此, 1979年由安徽省冶金厅主持召开了全国相关院校参加的学术研讨会, 专门研讨狮子山铜矿的采矿问题, 作为参加会议之一的马鞍山矿山研究院, 在会上提出了“不处理空区, 在大空区下采矿”的技术思路, 得到铜陵有色金属(集团)公司的支持。1980年6月狮子山铜矿和马鞍山矿山研究院开始合作, 依循“不处理空区, 在大空区下采矿”的技术思路开展科研工作。

本文结合20多年来对特大空区的系统研究, 对狮子山铜矿特大空区的形成过程及各阶段特大空区围岩的稳定状况进行了系统的总结。

2 特大空区基本情况的调查研究

从1980年到1982年, 针对特大空区周围有很多旧巷道、老采区和塌陷区等, 通过宏观观察和研究, 基本查清了特大空区形态及存在的特性。

2.1 古硐

在特大空区上方顶板中有一个古人采挖坑, 多年来积水始终存在, 且长年保持地下水位不干, 这表明在古硐的周围没有大构造存在, 与下部特大空区也没有相通的节理裂隙, 说明特大空区顶板岩性是稳定的。

2.2 塌陷区

特大空区的东北方有一塌陷区。塌陷区周围岩石全部裸露, 塌落角估计在80°以上, 有些部分呈垂直状, 非常壮观。在塌陷区的西南仍有一部分空区未塌落, 呈拱形, 跨度约30m, 上覆岩层厚度不足10m。

2.3 旧巷道

特大空区的上部标高约+40m, 在标高+50m水平有一平硐掘进在顶板中, 平硐里端到拱顶中央, 并有一垂直竖井与特大空区相通, 特大空区形成后, +50m老巷道废弃。初期观察认为, +50m老巷道未冒落。

2.4 工程地质调查

特大空区围岩和矿石均属条带状矽卡岩、块状矽卡岩, 条带状矽卡岩与大理岩互层、条带状矽卡岩与角岩互层, 未见有大的断层或大破碎带, 仅有几条小型挤压破碎带, 宽度不足0.5m, 不含水, 节理裂隙有2级, 以原生为主, 多闭合, 层面结构良好, 特大空区周围无软弱结构面组成的不稳定体, 整体性好。-40m水平上盘沿脉裂隙密度为0.321条/ m, -80m水平上盘沿脉裂隙密度为0.135条/ m, 17^#川裂隙密度为0.193条/ m。

2.5 特大空区的形态与体积

通过+10m水平进入特大空区的北端观察, 特大空区呈拱形, 表面平整, 特大空区顶板曾经有过较大的冒落, 但根据多次进入特大空区观察, 特大空区围岩是相当稳定的。特大空区的形态与体积也在不断地变化。1980年以前空区体积仅为23万m³。1982年调查研究后得出, 空区最大高度105m, 实空高度50m, 最大跨度90m, 空区长度130m, 空区体积约为61万m³。1990年空区体积约159万m³, 其中17^#矿柱以北空区(俗称大空区)长度达215m, 宽度最大为90m, 空区最大高度接近120m, 空区体积为123万m³, 17^#矿柱以南空区(俗称小空区)长度达96m, 宽度最大为77m, 空区最大高度120m, 空区体积为36万m³。2000年空区体积增大到337万m³, 其中大空区体积约为234万m³, 小空区体积约为103万m³。

3 特大空区安全监测体系的建立与分析 3.1 特大空区安全监测体系的建立

针对特大空区基本情况调查研究的结果, 制定了特大空区监测体系和在特大空区下安全开采的技术措施, 主要包括五个方面:

(1) 在特大空区范围内的地表及井下建立位移、压力及水位变化监测系统, 包括顶板深部基点、地表水准测量、钻孔水位观测、特大空区顶板冒落观测、+50m平巷顶板下沉观测、裂隙扩展观测、地音仪、光弹应力片大应变计、压力传感器和片帮仪等;

(2) 特大空区顶板开设“天窗”, 防止一旦顶板垮冒形成冲击波, 破坏井下巷道及采掘设备;

(3) 特大空区下部留40m厚的矿石垫层, 防止冲击波对井下巷道及采掘设备的破坏;

(4) 特大空区地表圈定移动带范围, 并设置安全警戒标志, 以防人、畜进入移动带内造成不必要的伤亡;

(5) 在特大空区内的17^#穿脉处留有一条宽为25~28m(上宽下窄)的连续保安矿柱, 将特大空区分为大小两个空区, 减少空区顶板的暴露面积, 确保特大空区的稳定。

除采取上述安全监控措施外, 配合矿山制定了一系列有关在特大空区下采矿的相应安全规程及制度, 确保了20多年来矿山的安全生产。

3.2 特大空区安全监测数据分析

通过20多年来对特大空区的安全监测, 获得了大量的特大空区监测数据, 经统计分析主要表现为以下特征:

(1) 深部基点位移观测:在特大空区顶板上方布置4套钻孔深部基点位移监测站, 每站各安装了3个基点, 自1980年以来, 各基点位移量均为零。

(2) 钻孔水位监测:特大空区顶板内布置了4个水位观测钻孔, 各钻孔水位受季节性影响略有变化, 未发生突然漏水现象。

(3) 顶板冒落监测:特大空区顶板仅在20世纪80年代初期有小范围冒落, 使特大空区顶板逐渐形成拱形, 近10年来特大空区顶板厚度均无大的变化。

(4)+50m老巷道底板下沉监测:从建立测点至今没有产生下沉变形。

(5) 17^#矿柱应力变化监测:矿柱应力随采矿活动略有增减, 但应力变化值不超过21.1MPa, 目前17^#矿柱应力趋于平衡。

4 特大空区围岩的稳定性研究

狮子山铜矿特大空区围岩的稳定性研究, 经历了实践—认识—再实践—再认识的几个阶段。在每个阶段对特大空区围岩稳定性的研究中, 充分分析了特大空区的稳定性特征, 为矿山在特大空区下实现安全开采提供了技术保证。

4.1 1980年初期空区围岩稳定性研究

1975年西狮子山矿段Ⅱ ~Ⅴ矿体三条矿柱百吨炸药大爆破后形成空区23万m³。1980年开始对空区进行监测, 监测的主要方法选用钻孔深部基点法。要实施这个监测方法, 就必须在空区上方地表打地质钻孔。在空区上部打地质钻是否安全?空区是否稳定?为回答这个问题, 就必须对空区进行全面的调查、分析和判断。通过调查分析之后我们认为空区是稳定的, 可以在空区地表进行钻孔施工, 建立安全监测系统。其根据有以下几点:

(1) 根据空区全面的调查资料和矿山已有的相关资料, 空区围岩主要由未风化的矽卡岩、闪长岩、大理岩和角岩构成, 普氏系数f =14~18, 坚硬稳固, 没有大断层、大破碎带。换言之, 空区没有被弱面分割的不稳定岩体, 含水性弱, 说明空区是处于稳定状态。

(2) 空区埋藏浅, 仅存在于+40m~-40m之间, 上覆岩层厚70 ~160m不等, 由岩体自重形成的压力不大, 不足以形成大面积地压活动。

(3) 自1975年百吨炸药大爆破后, 在-40m水平形成23万m³的空区, 到1980年, 在这段时间基本没有落矿, 只是出矿, 空区没有进一步扩大。从+10m进入空区观察, 空区断面已呈拱形, +50m老巷道马头门处由大爆破造成的裂隙没有进一步扩大。

(4) 空区上部古硐有积水存在, 说明空区顶板较完整, 没有漏水现象。

经对空区围岩进行全面调查后没有发现地压活动的迹象, 空区处于稳定状态, 在加强安全监测的条件下可以在空区顶板施工。

4.2 1982年空区围岩稳定性研究

自1980年开始对空区顶板的位移和压力进行系统监测后, 取得了大量的监测数据, 经过对两年监测数据的分析和研究, 认为空区是稳定的, -80m水平采完后空区也是稳定的, 其根据如下:

(1) 在空区顶板施工监测钻孔过程中, 对钻孔岩芯进行了地质素描和岩块力学性能指标的测定, 进一步证实了空区围岩的岩石力学性能指标很好, 且风化层很浅, 没有断层、裂隙、大破碎带等地质构造, 施工过程中没有出现漏水现象, 也就是说在空区顶板中没有裂隙发育带存在, 空区顶板是稳定的。

(2) 经钻孔证实空区围岩有部分冒落, 空区形状呈拱形, 空区高度80m, 跨度与高度相当。-80m开采后, 其高度增加40m, 跨度增加约10m, 空区跨度增加不大。因此, 空区围岩的垮落应在上盘顶板处, 而不是拱顶。

(3) 空区监测资料表明, 空区顶板中的各深部基点均未下沉, 钻孔水位无明显变化。

(4) 经有限元法解算-40m和-80m开采后围岩应力场, 两个时期的围岩应力场分布极相似, 应力值略有增加, 但相差甚小。因此可以认为-80m开采后, 空区围岩是稳定的。有少量冒落可能发生在上盘表面。

开采后, 证实了上述分析

4.3 1986年特大空区围岩稳定性研究

到1986年特大空区监测工作结束。当时-80m水平以上矿石已采完。以17^#矿柱为界已将特大空区分为南北两个空区。其中17^#矿柱以北为大空区, 体积110万m³, 17^#矿柱以南为小空区, 体积为15万m³。小空区已采至-120m水平, 大空区正准备回采-120m水平。对-120m水平开采后的特大空区围岩经全面分析后认为也不会垮落, 其根据如下:

(1) 围岩岩性没有变化, 在-120m水平周围没有出现不稳定岩块体。

(2)-120m水平采完后, 特大空区的形状仍然呈拱形, 北、南两个空区近似两个上半椭球体, 切面向下, 特大空区形状没有太大变化, 这种拱形稳定性好。

(3) 连续6年的监测数据表明, 各钻孔深部基点均未下沉; 钻孔水位没有大的变化, 且各孔均有水; 17^#矿柱内个别点光弹应力计显示三级条纹, 应力增长不大。总之监测数据表明, 没有发生大面积地压活动迹象。

(4) 有限元法计算分析表明, -120m水平开采后特大空区仍属稳定, 但特大空区上盘顶板中有小量冒落的可能。

上述判断经开采后得到了证实。

4.4 1990年特大空区围岩稳定性研究

1990年-120m水平已采完, -160m已开始回采, 特大空区体积已达159万m³(包括冒落围岩30万m³), 其中大空区体积为123万m³, 小空区体积36万m³。特大空区顶板中各钻孔深部基点无下沉, 1^#、2^#钻孔水位无异常变化, 17^#矿柱应力监测最大值不超过21.1MPa, 宏观观察井下无明显地压显现, 特大空区围岩是稳定的。其理由如下:

(1) 岩性和地质构造无突出变化。

(2) 特大空区形状仍为半椭球体。

(3)Ⅱ~Ⅴ号矿体最大厚度部位在-80m水平, -80m水平以下矿体呈收缩状, -190m水平是矿体的尖灭部位或接近尖灭部位。

(4) 有限元法计算分析表明, 最大应力集中在下部转角, 9^#剖面局部的应力集中最大值31.5MPa, 21^#剖面最大压应力28.3MPa, 小于岩石的抗压强度, 虽然在上盘岩体中存在有拉应力区, 但其数值不大于0.63MPa。

(5) 17^#矿柱恰好在-160m水平回采区的中央, 该矿柱不但受到了上部的压力, 也对上盘起到重要的支承作用。

上述判断开采后得到证实。

4.5 2000年特大空区围岩稳定性研究

2000年-190m水平已经采完, 西狮子山矿段进入了收尾闭坑阶段, 特大空区体积已经达到了337万m³, 原先作为安全技术措施之一的保安矿柱(俗称17^#矿柱)也已大部分回采(已采出近50万t矿量), 作为狮子山铜矿特大空区稳定性研究的最后阶段, 对开采17^#矿柱前后的特大空区稳定性, 采用了三维有限元分析、相似材料模拟试验及现场监控等方法和手段进行了系统的研究。

4.5.1 三维有限元分析

17^#矿柱回采前后, 针对软弱结构面对特大空区稳定性影响, 以及不留矿柱时特大空区的稳定性, 进行了三维有限元分析计算, 结果为:

(1) 17^#矿柱在回采前, 虽然特大空区周边岩体的各种应力较为复杂, 特别是锐角处岩体, 但整体上应力值变化不大, 而且17^#矿柱中最大压应力为23.4MPa, 而矿柱内岩体极限抗压强度为73.53MPa, 说明西狮子山特大空区依然处于相对稳定状态, 17^#矿柱处于安全承压状态。

(2) 17^#矿柱在回采过程中, 就大小空区剖面来讲无论是最大主应力、最小主应力还是剪应力分布规律与回采前基本相同, 仅是数值有微小变化, 但17^#矿柱内岩体应力变化较大, 局部剪应力值较大, 有可能产生剪切变形破坏。

(3) 软弱结构面对于永久矿柱的稳定性影响很大, 在软弱结构面附近存在较高的拉应力, 最大拉应力值为6.27MPa, 处于破坏状态, 今后应采取加固技术措施, 以提高永久矿柱的承载能力。

(4) 如果将17^#矿柱全部回采掉或不留永久矿柱, 预计特大空区上盘顶板将产生冒落, 并最终呈拱形状后稳定, 但不会发展到地表。

4.5.2 相似材料模拟试验

根据所选择的开采范围、开采顺序, 以及17^#矿柱周边条件等, 采用了物理模拟手段对矿柱回采过程进行了相似材料模拟试验, 结果表明所采用的开采顺序以及留点柱和水平矿柱等措施及其参数是比较合理的, 在17^#矿柱的压力随部分开挖回采逐渐向点柱和两侧转移; 在整个回采过程中采后的17^#矿柱(即永久矿柱)没有产生大的变形和破坏, 现场回采试验也表明了除局部片帮冒落外, 整体上没有发生大的破坏, 此点也说明了上述研究结果是比较切合实际的, 同样说明相似材料模拟试验方法的可靠性。

4.5.3 宏观地压监控

利用西狮子山特大空区周围巷道工程进行了宏观地压调查与分析工作, 基本掌握了西狮子山特大空区周边岩体稳定性、矿柱回采过程中井下的地压活动规律, 认为软弱结构面以及它与空间临空面组合特征, 是造成17^#矿柱局部岩块向特大空区滑动、冒落的原因, 而爆破震动是岩块冒落的诱因。

5 结论

20多年来狮子山铜矿特大空区围岩稳定性的系统研究, 对该矿特大空区的形成过程, 以及矿山各阶段回采时期特大空区围岩的稳定状况有了全面的了解, 分析总结后取得以下主要成果。

(1) 特大空区的形状随着开采的不断延深和特大空区围岩应力的重新分布, 逐渐冒落形成为拱形状, 有利于特大空区的稳定。

(2) 特大空区的体积由最初的23万m³, 经过20多年的开采逐渐扩大到2000年的337万m³。

(3) 特大空区初期的安全技术措施主要有地表和井下围岩位移、压力、水位监测, 开设“天窗”, 留矿石垫层, 圈定地表移动带, 留17^#连续保安矿柱等, 为在特大空区下安全回采起到了极好的作用。但在矿体开采的后期, 通过全面调查研究后决定部分回采17^#连续保安矿柱, 实践证明, 也确保了特大空区的稳定。

(4) 五个阶段(1980年、1982年、1986年、1990年和2000年)特大空区围岩稳定性研究表明, 采用的研究方法和手段正确, 各阶段所得出的结论符合实际, 充分揭示了特大空区围岩的稳定性状况, 为矿山安全开采起到了极好的指导作用。

(5) 特大空区围岩稳定性的决定因素有: —特大空区围岩由未风化的矽卡岩、闪长岩、大理岩和角岩构成, 没有大型地质构造, 从而没有不稳定岩块体, 岩性整体性好。

—所开采的矿体群由4条透镜体的矿体组成, 开采后形成的特大空区形态近似半椭球体, 有利于特大空区稳定。

—矿柱在-200m标高以上, 地表标高为130m, 埋藏不深, 由岩体自重产生的压力不大。

—矿体水平开采厚度不超过100m, 特大空区长度和跨度不大。