嵩县黄金矿山的岩石力学问题研究.pdf

2 0 0 2年 8月 第 3 1卷第 4期 有 色 矿 山 Nonf e r r ou s M i n e s Aug．， 20 02 Vo1 ． 31 No． 4 嵩县黄 金矿 山的岩 石力学 问题研 究 张 奇， 王晓青， 乔红伟 前河 矿 业有 限责 任 公 司。 河南 嵩 县 4 7 1 4 3 3 [ 关键 词 】岩 石力学 ；地 下 开采 ；岩 层控 制 [ 摘要 】随 着嵩 县黄 金 矿 山开 采深 度 的加 深 ， 开 采过 程 中 的岩 石 力 学 问题 越 来 越 突 出 ， 严 重 制 约 了黄 金 矿 山 的发 展 。黄 金 矿 山应重 视 和加 强岩 石 力学 问题 研 究， 本 文就 嵩 县 黄 金 矿 山几 个 突 出 的 岩 石 力学 问题 进 行 分 析 。 并 提 出一 些综 合 治理 的控 制 措施 。 [ 中图分类号 】T D3 1 [ 文献标识码 】A [ 文章编号 】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 4 0 0 1 9 0 3 St u dy o n r o c k m e c ha ni c s i n S o ng xi a n G o l d M i ne Z HANG Qi ，W ANG Xi a o q i n g ，QI AO Ho n g we i Qi a n h e M i n i n g I n d u s t r y C o mp a n y L i rai t e d，S o n g x i a n 4 7 1 4 3 3 ，C h i n a Ke y wor ds r oc k m e c ha ni c s；un de r gr o un d m i ni ng；s t r a t a c o nt r o l Ab s t r a c t W i t h t h e m i ni n g m o r e de e pe r i n S on gxi a n Gol d M i n e，t h e r oc k m e c h a ni c s s t u dy h a s b e c ome m o r e i m p or t a nt du r i ng m i ni ng， whi c h h a s r e s t r i c t e d t h e m i ne’ S a dv a nc e me nt s e r i o us l y．St udy on r oc k me c h a ni c s s hou l d be s t r e n gt he ne d i n g o l d m i n e．I n t hi s p a p e r ，s o m e i s s ue s a b out r o c k me c h a ni c s a r e a n a l y s e d，a n d a s e r i e s of c o n t r o l l i n g me a s ur e s o f s y nt he t i c a d m i ni s t r a t i on a r e p r o p os e d． 1 引 言 地 下采矿过程 中的岩石力学 问题 是影响矿 山发 展 的技 术难题 ， 开采较深 的矿山都遇到 了这 一问题。 以前嵩县黄金 开采 大都 集 中在 浅埋 矿 床， 岩 石力学 问题并不 突出。 由于浅 埋黄 金 资源 的减 少， 黄 金生 产逐渐转入 深埋矿床 的开 采， 随 着开采深度 的增 加， 地压活动加剧 ， 岩 石 力学 问题 也越 来 越 突 出。 某些 地 下黄金矿 山已被 E t 益 加剧 的地 压 活动 所 困扰 ， 安 全事故频繁 ， 采矿效率 降低 、 甚至造成大量黄 金资源 损 失 。 因 此 重 视 和 加 强 岩 石 力 学 问 题 研 究 、 解 决 开 采过 程中发 生的 岩 石力学 问题 ， 是黄 金 矿 山急待 解 决 的关键 技术课题 之一。 [ 收稿 日期】2 0 0 1 0 8 1 6 [ 修订 日期 】2 0 0 2 0 1 1 9 [ 作 者 简介 】张 奇 1 9 7 1一 ， 男 ． 河 南 嵩 县 人． 从 事 矿 山地 质工 作 。 2 嵩县 地 下黄 金 矿 床 开 采 的地 压 活 动 嵩县地 下黄 金 矿床 多为 脉金 和蚀变 岩 型矿 床， 矿床 开采的岩石力学条 件差 ， 尤其是 蚀变岩型矿 床 、 工程地质 复杂 、 矿岩松软破碎 ， 开采过程 中的岩石 力 学 问题 也 更 加 突 出 。 1 采场 冒顶事故频 繁 地下 矿床 在开采 时， 采 场顶板管理 是关键 ， 但多数采场 顶板管理效果 不好 ， 安 全事故不 断， 致使 生产条件恶 化， 难 以进 行正常 采 矿 、 甚 至造 成采场 垮 冒报 废。前 河 金 矿是 个破 碎 蚀 变岩型金 矿 床 ， 原 采 用上 向 充填 法 开 采 ， 因 矿 岩破 碎 ， 回采 中经 常发 生 冒顶 舅故 ， 几乎 每周 都 有发 生 ， 个别采场 刚刚做 完切 割工 程 ， 采 场 就发 生 大面 积塌 冒， 人员无 法进 入矿房 采矿， 以致造 成大量 矿量无法 回收 。 2 巷道 地 压 显现 剧 烈 嵩县黄 金 矿 山 的许 多 巷道位于 宽而破碎的构造 带 中， 围岩极不 稳固， 掘进 过程 中时 常发 生垮 冒， 有 的一掘 即垮 ， 不采用超前 支 护手段 则难 以通过 。前 河金 矿 在地 下开 采 时， 运输 中段 的许多穿脉 巷道 ， 因掘 进 中无 法通 过 下盘 破碎 维普资讯 2 0 有 色 矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 带。 被迫 修改采 准设 计 。在矿 体埋 藏 深 度较大 的矿 山， 巷道 地压显现 尤 为剧 烈 、 维 护难 度 更大 ， 服 务 年 限稍长 的巷道往往要返 修数次 ， 才能满 足正常使 用。 3 区域地压增大 ， 空 区处理 困难 一 些采 用 留 矿 法开 采的矿 山， 在开采过 程 中， 由于没有 及时处理 采 空区， 遗 留下一定规模 的空场群 ， 随开采 范围不断 扩大 ， 空场之 间矿柱逐渐 失稳 、 空场 暴露面积越 来越 大 ， 使 区域地 压活动加剧 ， 给相 邻矿块和下部矿 体的 开采带 来严重影响 ， 也使大量 的矿柱矿量难 以 回收 。 4 地 表 沉陷 控制 难 度增 大 虽 然 嵩县黄 金 矿 山多处于地 表允许 崩 落的 地 区， 但 也 引 起局 部 山坡 下陷滑坡， 地 表植被被破坏 。 3岩 石 力学 问题 研 究途 径 和 方 法 岩石力学 问题 的突出显现是 矿床工程地质 条件 及 应力环境 同采矿行 为不相 匹配 的具体反映 。在每 一 个矿床的开采过 程中， 都有岩石力学 问题存在 ， 只 是对开 采的影 响程度 不同而异 ， 当采 矿结 构 、 开 采工 艺同开采 区段的岩 石 力学 条件 不 相适 应时 ， 岩 石 力 学 问题 就会剧 烈显现 。为 了正确分 析和 了解 岩石力 学 问题 产生的根源 及发 展 均 势， 需查 清矿 床 的岩 石 力学条件 ， 进 行系统 的岩石力学研 究。 1 岩体 稳 定性 分 类 工 程 岩 体稳 定程度 分 类 是选 择采矿方法 、 确 定采矿 结构参 数的主要依据 ， 也 是分析 岩石力学 问题 的基础 。岩体 稳定性分类方 法 有 多种模 式， 应用较 为广泛 的有掘 进 质量指 标 Q 分 级法 、 地质 力学 法 RMR 、 岩 石 质量 指 标和 矿 山开 采岩体分 级法 。进行 岩体稳 定性评 价和分类一般 采 取工程 岩体 结 构 调查 和 室 内岩性 试 验 相 结 合 的方 式 ， 其 中最主要 的工 作是 现场 岩体 稳 定条 件和 变 化 行 为调查 。首先应 详 细查 清 岩体 内的构 造 分 布 、 节 理裂 隙发 育程度和 赋 存状 态 、 按其 结 构类 型和 完 整 程度将矿 区内岩体 划类 ， 在此 基础 上 再大 量取 样进 行岩块和结 构的物 理 力学性 能测 定， 然后 将 室 内测 定结果与做 出调查 分析 相对 照 ， 对 各类 岩 体 的稳 固 程度做 出评 估， 最 后 结 合各类 岩体 在 开采 环境 中所 显现 的稳 定状态， 对稳 定程度做 进一步调整 和修改， 使岩体稳 定性 分类更准 确地反映原岩 的稳 定特性 。 2 原 岩应 力测 量 采矿 是 在特 定环境 中进 行 的。 矿 岩介质在开 采前 受到 原 岩应 力 作 用而 处 于平 衡状态 ， 开采后 矿岩的平衡状 态被扰动， 应力重新分 布。 使得一部分岩体 应力降低 ， 一部分岩体 的应力提 高 。采前应 力的方 向和大 小直接影响 采动应 力的分 布和集 中程 度， 因此 了解采前 应 力状 态， 对于 掌握采 动应 力的分 布规律具有 极其重要 的作 用。原 岩应力 的 确 定 方 法 一 般 采 用 钻 孔 应 力 解 除 法 和 液 压 致 裂 法 。也可通过对 矿床构造 遗迹 的力学分析对 原岩应 力场做 出定性 的判断 。 3 采场 地 压分 布 规 律研 究 矿 石开 采过 程 是 应力不断转移和 调 整 的过 程， 在特 定应 力环 境 中的 矿体。 采用不 同的采矿结构 布置及开 采步骤 ， 应力 的 分布截 然 不 同， 采 场 地 压 显 现 程 度 也 有 明 显 区 别。 采矿行 为引起的应力重 新分 布规律 就能对开 采 中的 岩石力学 问题进 行预测 ， 主动 地进行采 矿结构 、 回采 顺 序调 整 ， 从而 消除 和 减轻 地 压危 害 。采场 地 压研 究内容包括 不 同开 采步骤 引起的应力转 移规律 ； 承 压力与 水平应力 集 中的 作 用范 围及 影 响程 度 ； 充填 体的作用机理 ； 地 压显现与相 关因 素的联 系等 。 4 地表 岩 层移 动 规律 地 表 沉 降及 岩石 移 动 规律是 岩层控制 的理 论 指 导， 利 用 它可 以预 测地 表 沉降的趋势和 程度， 指导地 下开采过程 ， 为采矿 结构 参数调 整 、 回采顺 序 的 确 定提 供 依据 。在岩 层移 动 规律 研究 中， 理论分 析 、 地 表岩层 移动观测和 数值 模 拟计算是 常 用的 三种 方 法， 三 种研 究 手段 可 以相 互 验证 ， 相互 补充。 其 中最 主要 的是 地 表 岩层 移动 的 实际 观测 ， 也是最直 观的研究方 法。 5 岩层 控制 技 术 研 究 岩 层控 制 技 术是 矿 山 开采必 须具备的 技术 手段 ， 岩 层控 制技 术 研究 的 主 要 内容 ① 应力控制技 术 即通 过应 力调 整和转 移措 施 ， 控制有 害的应 力 集 中或 实现 卸 压开 采。② 岩 体 加固技 术 即通 过注浆 、 预锚 等手段提 高岩体承载 强 度 ， 来 实现 顶板 、 矿柱和 巷道 围岩 的 自我支撑 。③围 岩支 护技术 即通过 有 效 的锚 固手 段 、 人工 矿柱 、 充 填物料 等外部支 撑来 调整 围岩受 力 状态 、 控 制 围 岩 变形 ， 达到工 程 围岩 的稳 定。 矿 床开 采条 件不 同 ， 采取 的 控制 方法 也不 应相 同。 应针对 矿 山出现 的不同形式 的岩层失控 问题 ， 研 究与之相 适应的控制 手段 。 4岩 石力 学 问题 的控 制 系统 的岩石 力学 问题研究 为分析和控制 岩石 力 学问题提 供了理论 指 导， 由此 人们 就能 对开 采 过程 中的岩石力 学问题 做 出预 测 ， 并 能 主动 采取 措施 进 行控制 。岩石力学 问题显现程 度是与采 矿过 程密切 相关的 ， 其控制 也应 从采 矿设 计 和开 采工 艺 的 各个 环节 着手， 进行 综合 治理 ， 才能 取得 良好 的效 果。 维普资讯 第 4期 张 奇 等 嵩县 黄金矿 山的岩石 力学 问题研 究 2 1 1 选 择 合适 的 采 矿方 法 一个 矿 山 的力 学 条 件是 客观存在 的， 如何 按 着岩 石力 学 的观 点选 择 适 应于矿 山开采条 件 的采 矿方 法 ， 是 控 制岩 石 力学 问 题 显现的根本 措施 。前 河金 矿 为蚀 变 岩型 金矿 床 ， 开始采 用上 向干 式 充填法 开 采 ， 开 采过 程 中采 场 冒 顶 事故 不断 ， 矿石 损 失、 贫 化 率高 ， 现改 用 下 向胶结 充填法， 采场 稳定和安 全， 生产条件 明显 改善 ， 损失 、 贫 化率 大幅度 降低。下 向胶 结充填法是 一种卸压开 采方法， 对控 制采场地 压显现极 为有效， 一些矿岩 松 软破碎 、 地 层 压力 大 的矿 山， 应 尽 量 采 用该 采 矿 方 法 。 2 优化 采场 结 构 ； 采 场 结构 的 几 何形 态 和尺 寸 以及空 间布置 方式 必须要 与矿床 的岩 石力学条 件 相适应 ， 并随 着开采 条 件变 化不 断地 进 行 结构 参 数 和采场 布置方 向的优 化， 以最大 限 度地 利 用矿 岩 自 身强度 来保持采场 稳定。在确 定采场结 构参数和布 置方 向时， 应遵 守下列 原则 矿 房尺寸 小于矿岩所允 许 的暴露 面积 ， 其形状也应符 合应力轴 比关 系 ； 一些 主要巷道尽 量避 开支承 压 力带 或 垂直 通过 此 区， 在 水平应力集 中区， 巷道 轴 向应 与 最大 主 应力 方 向平 行 ； 整个矿床开 采范 围内， 采场 的结构参数 不应 当为 定值 ， 而应根据 矿岩稳 固程 度和应 力状 态而变 动， 不 同区段 可采用不 同的采场规 格 ； 确 定采场结构前 ， 应 结合矿床 的岩石 力学 条件 ， 进 行 数值 模 拟 和稳 定性 计算 ， 使其参数 得到优 化。 3 优 化 回采顺 序 回 采顺 序 是 开 始 回采 的空 间位置 、 推进方 向以及各分层 或各分段 的回采配 合， 它对采场应 力分布起着控 制作 用。一些矿 山开采条 件虽然很好 ， 但 因采用 了不合理 的 回采顺 序， 使得 应 力叠 加活动 加剧， 造 成 一些 采场 垮 冒无 法 回采。 实 现合理 回采顺序 的一 般 原则 是 无 论是 同中段 或 一 分段 水平 内， 还是 上下 分段 之 间相 邻 采场 回采 都 要 保持 一定距离 的超前 关 系， 尽 量 使各 采场 结构 的 应 力均 匀分布或使 回采 引起 的应 力集 中 最 小， 在一 个 采区 内， 要从高应 力区向低应 力区方 向推进 ， 避 免形 成弧 岛式或半 岛式 采场 。从 矿 岩稳 固方 面 考虑 ， 应 先采矿体 不稳 固部位 ， 由不 稳 固地 段 向稳 固地 段 回 采 。 4 强化岩 层 支 护 支 护是 岩 层 控 制最 重要 的 技术措 旎。当矿岩 的稳固程度 不满足 采矿 工作所必 需的 稳定要求 时， 必 须采取 支护 手段 来 增 加采 矿结 构的稳 定性 。嵩县黄 金矿 山采场 支护技 术近年虽 有 很大发展 ， 但 传统的支护 观念仍束缚 着人们 的头脑， 往往是巷道 或采场发 生垮 冒破坏 时， 才考虑 支护 、 这 时原 岩 自承能 力 已完全 丧 失， 全 靠 外加 支 护 已无法 控制 岩层的 移动， 以致 出现 支了垮 ， 垮 了再 支的恶性 循环 。采场支护 工作 应 根据 岩 石力 学 理论 ， 预 先对 采场结构 做 出稳 定 判断 ， 对不 稳 固 的岩 层预 先加 固 或及 时支护 ， 以保护 和提 高岩 层的 自身强 度， 使 支护 与岩体变 为共 同的承 载 结构 、 把岩 层 的 变形 和位 移 控制 在采矿所要求 的稳 定范 围内。根据嵩县 实际情 况应积极 推广 喷锚 支护 技 术 、 长 锚索 预 加 固技术 和 其 他有效的 支护手 段。 5 及时 处理 采 空 区 空 区处理 是 矿 山开采 主 要工艺 之一 ， 忽视这 一环节， 就会造 成严重 的地 压危 害， 避免大规模地 压显 现的 关 键措 施 就是 对采 空 区 及时处理 。在开采 过 程 中， 矿房 回采和 采 空 区应尽 量同步进 行 ， 随采随处理 ， 防止 出现空场 群。对空场 群 已形成 的矿 山， 要积极 采取措旋 对空场进行 崩落 、 充填或隔 离处理 ， 以 消除 空场的威 胁。 6 监 测岩 层 移 动 地 下 开采 活 动 必然 引 起地 表岩层的 变化 ， 随时 掌 握岩 层 的变 化规 律 是控 制 地 表沉 陷的最重要 的环节。 嵩县 黄金矿 山应尽快设 立 地表岩 层移动观测 点， 对 岩层的变 化过程进行 监测， 以累积 资料 、 分 析总结 出岩 层移动规律 ， 用以指导地 下矿床 的正确开采 。 5 结 语 嵩县黄 金矿 山出现的岩石力 学问题 已严重影响 了矿 山的发展 ， 必须 引 起 人们 的高 度重 视。 解决 这 一 问题途 径就是 进 行 系统 的矿 山岩 石 力学 研 究， 用 岩石 力学理论 来指导采矿 设计和 开采的各 处工艺环 节， 综 合控 制岩石 力学问题 的显现 ， 使 嵩县 黄金地 下 矿床得 以安 全顺利 回采 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ] z T．比尼斯 基 ． 矿 山工 程 岩 层控 制 [ M] ． 北 京 中 国矿 业 大学 出 版社 ． 1 9 9 0 ． [ 2 ] 采 矿手 册 [ M] ． 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 3 ] 明士详 ． 地下矿山的岩石力学问题 [ C] ． 中国黄金学会。 1 994． 维普资讯