地下金屬礦山采場頂板冒落危險性研究

胡娟新

（保利新聯爆破工程集團有限公司，貴州 貴陽 550002）

隨著金屬礦山開采深度的增加，往往會遇到采場頂板變形破壞日趨嚴重及穩定性差等問題，從而致使頂板冒頂事故發生頻次及其災害程度越來越嚴重[1]，對深部資源的安全與高效開采帶來了巨大危害。以往的研究表明：在地下開采條件下，采場巷道圍巖體的蠕變變形在增加，圍巖結構及其裂隙較為發育，而且圍巖破壞的前兆信息不明確，從而使得地下金屬采場極易發生大面積冒頂事故。

近年來，眾多學者對礦山采場頂板冒落問題進行了廣泛而深入的研究。雖然我國關于礦山頂板冒落問題的研究起步較晚，但也取得了突出的成績，如提出的礦山圍巖關鍵塊體理論、礦山頂板圍巖松動圈理論。在頂板冒落模式及事故原因分析方面，李清望等基于鐵礦頂板冒頂過程及其形式，將頂板冒落劃分為4個階段分別為初始冒落階段、間接冒落、地表冒落及擴展下移階段。安智海等研究探討了礦山頂板冒落事故與頂部離層參數之間的關系,得出頂部離層是導致頂板冒落的主要因素。頂板冒落事故誘發因素多種多樣，而且對于不同的礦區地質條件頂板冒落誘發因素各有差異，例如礦區內地質構造、礦區頂板管理方式、金屬礦開采設計參數及人為因素等誘發頂板冒落事故。

地下金屬礦山開采過程中誘發的頂板冒落事故往往具有引發二次事故的可能性，且大面積頂板冒落引起的沖擊波將進一步危害生產設施及施工人員的安全。因此，以某地下金屬礦山開采為例，采用頂板多點位移計、鉆孔電視探測技術對頂板離層進行監測，研究分析開采過程中礦山采場頂板巖性結構變化、離層形式及其離層影響因素，獲得礦山采場頂板離層量化指標，并探討分析礦山開采過程中頂板冒落危險性演化規律。

1 礦區工程概況及頂板冒落危險性監測方案

（1）礦區工程概況。該金屬礦山內大部分構造屬于壓扭性斷裂，工程地質條件簡單，礦體以類層狀方式賦存，近似水平，厚度2.6m～6.7m，礦巖界限分明。礦區內圍巖致密，裂隙發育，巖體穩定性中等，巖體抗壓強度為82.4MPa～140.72MPa，但礦床內具有松散層，巖性以泥巖、頁巖和粘土為主。

（2）頂板離層特性監測方案。針對礦區采場地質條件及現場掘進施工情況，共布設2個測區。

2 采場頂板冒落危險性分析

基于礦區采場頂板冒落穩定性監測方案，對頂板上覆巖層內部裂隙發育程度及其頂板冒落危險性進行分析。

（1）頂板鉆孔探測結果分析。根據采場頂板探測結果，將頂板深部圍巖破裂程度分為三個等級分別為破碎、較破碎及裂隙，并提取頂板部分鉆孔視頻截圖，如圖1所示。

圖1 采場頂板鉆孔電視截圖

為了便于分析頂板探測區裂隙分布規律，對頂板上覆巖層破裂分布進行統計與分類，獲得如圖2所示的頂板巖層探測結構。

圖2 頂板巖層探測結構

由圖2分析可知，頂板上覆巖層中離層區和破裂區范圍較大，而且頂板完整區相對較少。在地下金屬礦開采過程中，該測區內頂板承載能力較弱，井下爆破、采空區頂板冒落或遠場荷載均是測區內發生頂板冒落的誘發因素。

（2）頂板離層監測結果分析。基于監測方案，采場頂板中部布置具有四個監測基點（2m基點，4m基點，6m基點及8m基點）的多點位移計，測得開采條件下各監測基點頂板離層量如圖3和圖4所示。

圖3 測區1內頂板離層量分布曲線

圖4 測區2內頂板離層量分布曲線

由圖3和圖4分析可知，礦區巷道掘進及礦體開采對頂板離層破壞影響較大，其中測區1離層總量達到89.59mm，各巖層間離層2m～4m區間最大，達到46.22mm；測區2離層總量達到272.20mm，各巖層間4m～6m區間最大，達到了116.05mm。在礦區掘進10天內，采場頂板上覆巖層出現不等距的離層現象，且該測點處頂底板移近量較大。經頂板上覆巖性與鉆孔電視探測結果分析，頂板離層與沉降變形較大的主要原因是由于頂板上覆巖層含有一定厚度的泥巖所致，其變形特性決定了頂板離層量。

3 采場頂板冒落危險性影響因素分析

地下金屬礦開采過程中，由于地質條件及開采技術條件的限制，且深埋礦體往往記錄復雜的地質歷史進程，使得礦體賦存巖體積聚大量的彈性能或者巖體較為破碎承載能力較弱，從而為礦體開采過程中采場頂板冒落提供了支持。

礦區采場頂板冒落是一個復雜的動力學過程，其發生具有突然性、隨機性和不確定性。經工程地質概況、現場監測分析，該礦體采動過程中發生頂板冒落的因素主要有：

（1）區域地質構造因素：該礦體賦存區域內的地質構造是在成礦后經地質作用而形成。區域內的地質構造的變形程度及擠壓扭轉程度決定了礦區內頂板冒落模式及其冒落性質，且在一定程度上影響了頂板冒落危險性程度。與此同時，礦體開挖后，圍巖由原來的三向受力狀態向兩向受力狀態轉變，使得水平應力向頂底板轉移，致使頂板和底板發生變形破壞，從而增加了頂板發生冒落的危險性。

（2）頂板巖層物理力學性質：頂板上覆巖層是冒落事故的主體，其賦存條件是頂板發生冒落事故的基礎，則頂板結構的完整程度和巖層堅硬程度是控制頂板穩定性的影響因素。頂板結構類型由上覆巖層結構所決定，結構類型分別為：完整型結構頂板、板裂型結構頂板、塊裂型結構頂板、斷續型結構頂板、斷續型結構頂板、散體型結構頂板，其發生頂板冒落事故的可能性依次增加。此外，頂板上覆巖層力學性質也是影響頂板冒落的重要因素。頂板力學性質較好則頂板巖層發生下沉、彎曲變形的程度則降低，反之，頂板力學性質較差則頂板發生冒落的危險性將增加。

（3）采場巷道斷面形狀：地下金屬礦體開采下，采場巷道布置跨度和高度都比較大，且斷面為直墻拱形，頂板上覆巖層物理力學性質相對較差，尤其受到采動的影響時，頂板易發生彎曲變形，使得頂板上覆巖層間離層量增加，從而增加頂板發生冒落的可能性。

（4）支護和采動的影響：合理的采場支護設計能夠有效的抑制采場頂板彎曲變形，控制頂板巖層間離層量，減弱頂板發生冒落事故的可能性。然而，礦體開采速度也是影響頂板冒落的重要因素之一，開采速度較快，則不可避免的導致采場巷道成形不規則，容易造成局部應力集中導致采場圍巖穩定性變差，進而誘發頂板冒頂事故的發生。

4 結論

（1）基于鉆孔電視探測技術對地下金屬礦采場頂板進行探測，獲得了頂板上覆巖層間裂隙展布規律，并進行了頂板巖體裂隙發育等級劃分，為礦體開采過程中對頂板冒落進行有效的防控提供了參考依據。

（2）采用多點位移計，監測獲得了采場頂板深部巖層間不同的離層量，分析得出與頂板2m～4m范圍內巖層離層量較大，該范圍內巖層也是頂板發生冒落事故的主體，是進行有效防控頂板冒落事故的重點巖層區。

（3）依據現場監測及工程地質概況，探討了在地下金屬礦體開采過程中影響采場頂板冒落的影響因素，采場頂板冒落是區域地質構造、頂板巖層物理力學性質、采場巷道斷面形狀及支護和采動等綜合影響決定的。