锡矿山锑矿采场顶板管理技术研究与应用

一、概述为了把矿石从地下深处采掘出来，必须在岩体中开掘井巷、硐室、采场等采矿工程，而采场是地下采矿工作的主要场地，一旦开掘之后，必然破坏岩体原有的相对平衡状态，使采场周围那部分岩体（围岩）的应力重新分布，引起围岩的变形、破坏和坍塌，严重的地压现象又必然会影响采矿工作的正常进行，甚至危及人们的生命安全。锡矿山在开采历史上有过多次惨痛教训。建国前无正规采矿方法，采富弃贫，乱采乱挖，空场规模不一。在矿体富集地带，空场长达数千米，高达三十余米。在开采过程中，采场无任何控顶措施，因而矿产资源损失大，冒顶事故频繁，矿工伤亡惨重。据历史记载，1933年冒落，井下死亡矿工达百余人。建国后，锡矿山采用正规的房柱采矿法，到1965年采空区体积日益增大，许多采区连成一大片，又未及时处理，时间日益增长，以致产生地压急剧活动，曾先后发生三次大面积地压活动，造成巷道和采空区顶板塌落，矿柱破坏，岩层移动，地表开裂下沉，给锡矿山的正常生产和安全带来了严重的危害。因此，加强采场顶板管理这项工作是极其重要的。为了控制采场地压，稳定采场顶板，保证正常进行生产，我们必须掌握采场围岩应力状态、变形、移动和破坏的规律，采取采场支护、空区处理、采场顶板、监测等工程措施，以达到控制采场顶板，保护采场顶板安全的目的。二、采场支护锡矿山护顶方法有多种，以矿石自然支撑为主，顶板留0.8～1.2m厚的矿石保护顶板，同时辅以锚杆支护、喷浆支护、喷锚联合支护。（一）金属楔鏠式锚杆护顶1962年11月开始试验金属楔鏠式锚杆护顶，1964年后大面积推广应用这种方法，这种锚杆由杆体、楔子、托板、螺母四个部件组成，杆长1.8m，直径26mm，楔子厚度23mm，安装网度1x1平方米,,杆柱安装与工作面凿岩同时进行,用上向式钻机垂直顶板钻孔,随后将插上楔子和配上托板螺母的杆柱不偏不倚地一次送入孔底,套上杆臼用钻机冲紧,拧紧螺帽,确保杆柱具有2.5～3吨的预应力。锡矿山采用这种锚杆成功地开采了顶板岩层f＝3～6的薄至中厚缓倾斜矿体,平均回率高了11～20%.它结构简单,加工容易,自已能大批生产,锚固力高,平均为12～14吨,最高达20吨。使用这种锚杆取代矿层护顶。技术上是可行的,问题是耗用钢材较多,同时由于这种锚杆系锚杆固点作用岩石,时间较长时在节理裂隙较发育的地带托板周围的岩层易脱落,从而减少或失去对岩层的作用力。（二）楔管式锚杆护顶鉴于金属楔鏠式锚杆存在的不足，1982年锡矿山和长沙矿山研究院合作，研制金属楔管式锚杆，1983年正式进行了工业性实验，后在采选厂使用。这种锚杆的功能是上段起点锚固作用，下段起摩擦锚固的作用，它由留缝异径管上下楔、定位销、挡环和垫板六个部分组成，全长2m。选用1寸水煤气管制造锚管，顶锚段长1m，其中楔子长0.1m，上楔下端厚1.5cm，下楔下端厚2.5cm。杆柱安装可以与工作面凿岩同时进行，选用比鏠管段直径小2毫米的钻头，用上向式钻机凿2米深孔后，再将套好垫板的锚杆自由插入孔中，再开动钻机用冲击器压紧杆柱，随后换稍长于杆柱的钢钎冲断定位销，迫使下楔上挤而增大两楔子的叠加厚度，达到顶锚管壁胀紧锚固岩层的目的，完成安装任务。这种锚杆功能较楔鏠式锚固有优越之处，它既能用双楔胀开锚固，又能发挥摩擦锚固作用，在阻止围岩错动方面也有较强的能力。实测錨固力平均为10～12吨，能满足护顶要求，最大优点是较楔鏠式錨杆每套少耗钢材5公斤，降低成本35%左右。但它容易锈蚀，不适宜支护服务年限较长的工程，另外，其摩擦段有锚固迟缓效应，不利及时护顶。（三）金属管鏠式锚杆护顶锡矿山南矿还试验使用了管鏠式锚杆支护护顶，这种锚杆长1.8m，直径39mm，管体开鏠宽15mm，以小于锚杆直径1～3mm，的钻头钻孔，用仰钻顶紧即可，锚固力可达到10吨以上，曾在南矿广泛使用。由于这种锚杆是利用鏠管张力与岩层摩擦起到加固顶板的作用。因此，对钻孔要求极严，钻孔大小，锚杆安装困难，钻孔太大，起不到加固作用。（四）水泥药卷锚杆支护1990年南矿引进了水泥药卷锚杆专利技术，先在机械修配厂进行水泥药卷试制，试制成功后在南矿进行了近二个月的现场试验，并取得了成功，目前该锚杆已在南矿普遍推广应用。该锚杆由螺纹钢、水泥速凝药卷、垫板组成，药卷长230mm，直径32mm,每卷重185g，螺纹钢直径16mm,长2m,垫板规格为150mm×150mm×6m.m.。锚杆安装可以与工作面凿岩同时进行，用直径为36mm～38mm的钻头钻孔，孔深2m,每个钻孔使用药卷9～10个，打完孔后紧接着进行锚杆安装，将药卷每隔20s依次放于水桶中浸泡，浸水30s～100s（按药卷出厂说明书当批所标浸水时间）后将药卷拿出立即用炮棍送入孔内，装药时要稍用力，以防药卷滑落，药卷装好后用手将螺纹钢插入孔底，若未到位时，可套上冲杆和导筒用钻机顶紧。如需要安装垫板，应采用下端焊有挡环的螺纹钢，并事先把垫板套在螺纹钢上。水泥药卷锚杆从锚固功能来看：属全长度粘结岩体，具有和砂浆锚杆一样的作用。但作用时间比砂浆锚杆要快。60min后锚固力可达到6～9吨，对岩石的适应性很强，对于阻止围岩位移方面的效果要比点锚固锚杆好，除了极为破碎的岩石不太适用外，一般都能适应。（五）喷浆与喷锚护顶用普通房柱法和胶结充填法开采的采场，顶板留以0.8～1.2m厚的矿石保护。若开采高度超过10m，顶板比较稳定时，采场实行纯喷浆加固，当顶板暴露页岩时，采用喷锚联合支护，喷浆厚度50mm，锚杆网度1×1m时，杆长1.8～2m。喷浆采用2Hp—2型转盘式喷浆机。400#硅酸盐水泥，中或粗粒河沙并添加一定比例的速凝剂，灰砂比为1：3～1：4，设备一般置于采场上端的通风或充填平巷内，混凝土经塑料管用风力送到采场。三、空区处理在通常情况下，开采深度不太大时，尽管地压随着深度增加而增加，但表现不明显，随着开采深度较大，空区范围超过一定界限时，常常引起大规模的地压活动，致使巷道和空区发生自然崩落出现，矿柱突然破坏、岩层移动、地表下沉，塌落等地压现象。对此，矿山一般采用“崩”或“充”等手段来消除空场，达到在全矿山控制和管理地压的目的。锡矿山南矿曾采用正规的房柱采矿法开采，空区体积日益增大，许多采空区连成一大片未及时处理，以致先后三次发生大面积地压活动。为了及时消除地压带来的危害，对于地表分布有大量工业厂房、民用建筑物及河流而需要保护的中西部空区，选用矸石及尾砂充填处理，对于地表不需要保护的东部大冒落区边缘的一些采空区，采用深孔强制崩落。为了从根本上控制采场地压活动的发生，我公司与长沙矿山研究院等单位开展了新的采矿方法研究，逐步采用胶结充填采矿法开采，大大地降低了矿石损失贫化，维护了采场顶板的安全。四、采场顶板监测采用房柱采矿法或胶结充填采矿法，都是嗣后一次充填采空区处理，空区顶板暴露周期较长，开展采场顶板监测工作对于采场开采和空区安全具有极其重要的意义。采场顶板监测方法可分为人工宏观调查分析和仪器微观测试预报两大类，以工作地点而论，有现场监控和远距离遥控。（一）人工监控。人工监控的主要工作是去井下现场做宏观调查，统计类比分析，主要是通过人工看岩变、量裂缝、涂黄泥、打木、听岩声等而实现预测预报。（二）仪器测试应用光、电、声、机四类数十种测试仪器和研究设备进行测试，直接用于顶板监控测试的仪器有弹簧沉降器、挂顶压力计、橡胶垫、裂缝计、对顶观测器、脱层仪、顶板测力计、顶板压力仪、地音仪、杆柱量测器、水准仪、经纬仪等。测试内容包括顶板的沉降、平移、压力、磁电势、高频等；柱的承压状况、应力变化、周围巷道特别是巷道顶板岩变。观测网布置，一般是沿矿层走向布设主轴线，每隔50m-150m垂直于主轴线布设短轴线。巷道测点应布在顶板轴线部位和两壁的中部，矿柱测点应布设在侧向中部和距采场顶板0.5m～0.8m部位，采场顶板点一般固定或布在杆柱尾端处；基点一定要布设在基岩很稳定且能通视的地方。（三）安全预报采后的空区顶板在覆盖岩层的压力作用下，将产生弯曲变形，其下沉量的大小与岩石性质、采场的几何形状、边界情况及空区空顶时间长短因素有关。开采初期下沉量小，随后逐渐增大。当顶板下沉量W＝150-170mm，下沉速度V≥1.5-5mm/天，下沉曲率K≥2×10ˉ时，空区顶板处于冒落前的临界状态。在直接顶板弯曲变形和破坏的过程中，顶板上覆岩层也出现较少的变形（下沉和错动），其量随时间的增加而加大，离直接顶板越远，下沉量越小，在顶板离层的同时，常伴有水平错动，离层带的高度一般等于采高的2～3倍。五、结束语采场顶板管理工作是矿山生产的重要环节，我公司已普遍引起重视，并花费了较大的气力进行探索。现已基本形成了一整套采场顶板管理办法，改变了过去单纯利用岩石稳固性自然支撑顶板的被动状态，主动地利用人工支护，积极地开展顶板预测预报工作，回采后及时充填空区，有效地控制了顶板围岩的变形，防止其坍塌，大大地改善了回采安全生产条件，降低了矿石损失贫化，提高了回采强度，为矿山正规开采，提高经济效益做出了贡献。富矿网与您同在