0 前言

大宝山矿区是一个多矿种、多类型的大型多金属矿区。分为大宝山多金属矿床（东部多金属矿带、西部多金属矿带）、大宝山斑岩型钼矿床和船坞钼矿床。其东部多金属矿带作为大宝山矿主采矿区，其上部分布有层状菱铁矿床和风化淋滤型褐铁矿床。大宝山铜矿体位于东部多金属矿带，主要赋存在中泥盆统东岭组(D₂d)和中下泥盆统桂头群(D1-2gt)。矿石类型主要是磁黄铁矿型(CuFeS)铜矿和黄铁矿型(CuFeS₂)铜矿，并伴生有硫矿和铅锌矿。矿体和矿体顶底板稳定，只在D₂d^b层、含水硫矿带和个别破碎带要加以支护。大宝山采用双斜井开拓箕斗运输方案，采矿方法是空场采矿法。通风采用自然通风因与民采贯通的机会多）、局部通风和南北对角式通风系统。地下水由民采矿窿流出，只在局部必要时设置排水系统，米场内使用7655型Φ41mm钻机钻孔，装矿以人工装矿为主、电耙为辅。

大宝山矿地下多金属矿床经民采多年的无序开采和自身开采，留下了数百万立方米的空区，有些民采空区大得惊人，这是发生地压灾害的根源。由于民米米富弃贫，大量富矿被米去，剩下的边缘零星残矿、矿柱的回收，对回收的安全性提出了很高的要求。要完全充填或彻底崩落无论从经费上还是从技术上都不可行，只有对安全状况进行深入分析，以预防为主，加强管理，采用先进科技手段进行预测预报。

1 采场地压显现的力学分析

采场老顶岩层断裂后的岩块滑落或转动性下沉，给工作面安全造成一定影响的矿山压力现象称为采场来压^[1]。特别对坚硬顶板来说，来压步距大，将给工作面构成很大的危险。为了安全地回收残矿，就必须有效地控制地压活动，才能够保证残矿回收系统稳定和生产安全。为了保证安全，采用Minkle弹性地基梁原理对采场老顶进行力学分析，将采场老顶结构简化为弹性地基梁力学模型，通过将广义的下沉速度作为观测参数，根据它的跳跃特征预报老顶已经超前断裂和采场即将来压。

当采场老顶较为坚硬时，采场老顶结构可简化为弹性地基梁力学模型。初次来压前的老顶结构如图 1所示。图中q为老顶及上方负载层自重引起的载荷，k为矿层和直接顶的平均刚度，2l为初次来压前采场工作面的推距。根据对称性原理，图中(a)可转化为(b)。Mo为对称面上的弯矩，y为挠度。当M₀= 0时，(b)就成为采场周期来压的力学模型。由Minkle弹性地基梁原理，可得挠曲线微分方程为：

(1)

(2)

式中:El—为老顶岩梁的刚度。

考虑了老顶岩梁的边界和连续条件后，(1)和(2)的联立解为:

(3)

(4)

其中:

需要说明的是，此解中略去了梁的整体刚性位移

当M₀=0即周期来压模型的挠曲线微分方程解为:

(5)

(6)

采场来压预测预报工作中，观测参数的选择是研究工作的关镀。从上面采场来压弹性地基梁模型解可知，老顶的断裂线位置发生在矿层里面，不易观察。随采场工作面推进，采空区位置也在不断运动，所以也很难设定观测顶板绝对下沉量的固定点。因此，如果能找到可以随采场工作面推进而运动的相对观测点和参数，这将非常有意义。这里，可以从弹性地基梁挠曲线(3)或(5)引出顶板广义下沉速度的概念。式中老顶梁的挠度与悬臂梁长l和位置x有关，如果没定一个随工作面推进而相对矿壁固定的动态观测点则（5）式成为：

(7)

这样挠度就成为l的函数由(7)式求导得:

(8)

在井下，这种广义下沉速度可以很方便地观测到，并且观测点可随工作面推进而向前移动。从(8)式可知，广义下沉速度在老顶岩梁没有断裂前随l呈线性连续增加。但是，一旦老顶发生断裂，下沉速度必将急剧增加(或称跳跃)。并且，随着工作面越接近超前的老顶断裂线这种增加会更加强烈。因此，老顶岩粱的广义下沉速度(或真下沉速度)不仅是一个在井下可观测的参数，而且可根据它的跳跃特征预报老顶已经超前断裂和采场即将来压。

2 空区稳定性影响因素分析 2.1 围岩性质与岩体结构

力学强度指岩体的抗压、抗拉、抗剪、抗弯性能；摩擦系数指结构面的发育程度、产状、组合形态及与空区的关系。地压灾害分为弯折内鼓、胀裂塌落、劈裂、剥落、剪切滑移、碎裂松动、岩爆等; 塑性围岩地压灾害分为塑流挤出、膨胀内鼓、塑流涌出、重力坍塌等。

2.2 原岩应力场

覆岩总重假说^[2]为，开采空间认为承受的载荷P, 是开采空间上部直达地表全部覆备重量的总和，即：

(9)

式中:γ—覆岩容重；

S-一个矿柱支撑的覆岩面积, S=bL;

b—为覆岩的宽；

L—为覆岩的长；

P-作用在一个矿柱上的载荷。

而拱形假说以松散体力学为理论基础，认为在上部覆岩的压力作用下，松散的岩石从开采的顶板向下冒落，形成自然平衡拱。作用在矿柱上或支架上的载荷仅是冒落拱内岩块的重量，与开采空间埋藏深度无关。M.M.普洛托基雅柯诺夫证明，自然平衡拱具有抛物线形状，其方程式为：

(10)

式中:a—平衡拱跨度之半；

f—岩石坚固性系数,

-岩石内摩擦角。

令b为冒落拱高, 则得:

(11)

实践表明，压在空区上方的载荷，既不是覆岩总重假说所认为的空区顶板到地表岩层的总重，也不是拱形理论所认为的只是加在自然平衡拱上的重量，而是介于两者之间。

2.3 空间分布尺寸与形状

该矿后期坑区域民采空区最为密集也最复杂，又接近地表，整个后期坑空架山体的整体稳定性无法用人工观测和经验判断。深部由于较强的残余构造应力，开采跨度过大时造成岩体失稳。经实践证明，开采暴露面的稳固性，不仅取决于面积大小，而且还决定于暴露面积的形状。当暴露面长l、宽a尺寸接近时，即其长度小于2倍宽度时，稳固性就决定于面积大小；当暴露面长度远远大于其宽度大于2倍宽度）时，其稳固性就决定于宽度，而长度威面积）已经不是决定因素。例如，宽3m长10m的巷道是稳固的; 在宽度不变长度增加很多时，巷道仍呈稳固状态。因此，开采空间暴露面的稳固性条件^[3]是：

当l < 2a时, la < S_u;

当l>2a时, a < a_u

式中a_u-暴露的极限跨度;

S_u-极限暴露面积, 又可用等效跨度表示。

由S=la=2a_ea_e得到：

因此, 当l < 2a时:

a_e < a_u。

为了保持开采空间暴露面的稳定性，开采空间的跨度不得超过极限跨度或其面积不得超过极限暴露面积。

2.4 地下水

由于民采采矿时不设排水系统，所有地下水都没有外排，而是任其往深部流，导致整个民采空区的地下水的分布情况不清楚，使得在残矿回收过程中可能会出现“突水”事故^[4]。另外，民窿水可软化结构面，降低摩擦系数，尤其与结构面配合更易促成不稳定条件的形成，使岩石膨胀，增加围岩压力。

3 采场地压控制措施

采用控制和预报并举的安全对策，在消除或减少地压危害方面取得了良好效果。

(1) 锚杆支护。凡是构造发育的采空区局部顶板在落矿完毕以后，都必须用锚杆加固并彻底处理顶板^[5]，以防止空区暴露以后爆破震动产生顶板松石危及出矿安全及底板矿的开采。

(2) 调整回采顺序^[6~7]。鉴于回采工艺是控制采场地压的重要因素，为避免回采应力高度集中，使二次应力在沿矿体走向方向上得到合理分布，对回采顺序进行调整：①在垂直走向上由上盘向下盘后退回采。②走向上先采承压带后采卸压带矿体，即由两翼向中央后退式回来。③回采承压带矿体，原则上先采邻近卸压带矿体，即前进式回采。

(3) 充填采空区。从实际出发，有针对性地实施了两种措施^[8]:①在上部中段，采用“诱发岩体自然冒落充填”，掌握顶板自然塌落规律是顺利地应用诱发岩体自然塌落处理空区的前提。因此必须弄清顶板各岩层的力学性质、地质构造所形成的弱面的分布、顶板允许暴露面积与时间、崩落^[9]发展过程和高度等，采取相应的诱导崩落措施。另外，一定要有足够厚度的岩石垫层和严格的封闭措施。②在下部，采用“开拓废石系统充填空区”。结果使十几万立方米的开采空区得到基本处理，较好地控制了灾变。

(4) 声发射：(AE)预报。利用岩体声发射原理^[10]，根据不同地点地压分布规律进行试验，以期建立地压灾害预测预报准则。采用布设地表与井下联合监测预报网来达到目的。沿矿体走向和垂直走向上共布设观测线多条，在地表对岩石沉降、位移变化信息进行监测。在坑内通过观测构造弱面部位、上下盘或穿脉联络道两帮围岩的相对位移等情况，及时掌握岩体受开采影响的数据。在残矿回采区域周围埋没R-50型光应力计，监测应力变化情况，并用KWY-2型矿用微电脑岩体裂隙监测仪监听岩体的声发射，对残矿回收点的地压变化规律情况及时预报。

(5) 使用位移计。观测位移，了解顶底板以及两帮的位移量和位移速度，是判断采场和巷道稳定性最有效的方法之一。另外，也可通过位移反分析的方法求出应力值。利用岩体的位移变化来判断空区的稳定程度，可作为预测预报的依据之一。

4 结论

大宝山矿区民采空区残矿的回收是一项十分重要而又艰巨的工作。由于民采空区的残矿赋存条件十分复杂，采用的回收方法不可能一致性和标准化。而且民采空区残矿回收的作业现场条件差, 安全系数低，环境恶劣。故地压控制对矿山的安全生产和资源回收有着重大的意义，不同地点存在着不同的地压变化规律。地压控制是一个非常复杂的过程，应根据大量积累的经验和科技信息，采用数据控制技术建立起一个综合优化控制模型，以使地压控制的效果提升在一个比较高的水平上。

由于各种复杂原因，大宝山矿区有几个大的民采空区，大量残矿铜原矿品位在1.2%以上。通过对500中段、470中段、452中段的残矿的成功的回收，取得了很大的经济效益，又为企业提供了就业机会。大宝山矿区的民采空区残矿的回收走向正规化，很好的回收了国家的矿产资源，延长了矿山企业的服务年限，对国家和企业都有重大意义。