石膏矿地下开采技术及灾害防治措施研究

    石膏是一种产量大、用途广泛的非金属矿产品。我国的石膏资源极其丰富，探明储量居世界首位。我国石膏矿70%是地下开采，石膏矿山开采深度通常较浅。然而，近年石膏矿山却发生了多次事故。我国石膏矿山还存在诸多问题：1、绝大多数小型石膏山，均未经过正规设计，造成乱 采滥挖；2、矿山数量大、规模小。我国有500多个矿山，每个矿山平均年产量只有5万t。像我国这种布点多、产量小的情况，将威胁地面的生态环境，多占用地，给地面塌陷埋下了隐患；3、石膏矿石采出率不足30%，资源浪费现象严重；4、目前，国内还没有系统地针对石膏矿地下开采进行研究，采矿技术和采矿方法等领域缺乏统一的技术规定。     一、石膏矿开采技术和措施研究现状     许多学者从我国发生石膏矿事故的案例分析入手，开展地压灾害防治措施的研究工作。刘剑平等对火连塞石膏矿的围岩及矿石进行了系统的岩石力学参数试验研究，得到了该矿石膏矿石及周围岩石的力学参数，并分析了试验结果的测试误差。魏军才通过分析邵东县城石膏矿的灾害防治措施，认为石膏矿地下开采导致地表变形和破坏的发生及发展，不仅受开采方式的影响，还直接受矿层赋存的地质条件的控制，尤以顶板保护层厚度、地质构造、地下水动力条件和不规范开采影响最为突出，同时，给出了采空区稳定性的估算方法。郑怀昌等分析了石膏矿山采空区顶板大面积冒落的物理机帛，并指出采空区顶板大面积昌落是石膏矿山最严重的顶板事故，控制方法应该包括封闭处理和放顶处理，石膏矿体多为多层矿，且矿体连续，因此目前技术可行、经济合理的危害控制方法，是放顶处理采空区。     上述研究成果，大多为某一个石膏矿的地下开采技术及灾害防治措施，研究有待深入，以取得成熟的可以推广的石膏矿开采技术和灾害防治手段。     二、石膏矿开采技术研究     （一）采矿方法     对品位高、矿体厚的纤维石膏等珍贵石膏矿体，应专门研究其采矿方法，提高资源回采率。条件允许的条件下，宜采用长壁选别充填采矿法，也可采用房柱法。当采用长壁选别充填采矿法时，应遵守下列规定：采用上向分层充填法采矿，应预行进行充填井及其联络道施工，然后进行底部结构及拉底巷道施工，以便创造良好的通风条件；每一个层回采完毕后，应及时充填，上向充填法最后一个分层回采完毕后，应严密接顶；下向充填法每一层均应接顶密实；充填料应无毒无害；充填料不应与石膏成分产生化学反应。     开采有冲击性地压灾害倾向的石膏矿体，且矿体覆岩无地下水赋存，满足崩落条件时，可以采用崩落采矿法。采用山崩落采矿法，应遵守下列规定：地表陷落不造成危害；悬顶、控顶、放顶距离和放顶方法经实践检验安全可靠；放顶前，应检查采区矿柱受力情况，保证退路畅通，禁止人员在放顶区附近停留；放顶后，应及时封闭浇顶区，禁止人员进入。     当石膏矿山不具备崩落条件或从经济角度考虑无法崩落处理采空区时，大都采用空场法（房柱法和全面法）开采矿石。石膏矿的开采设计应同时提出采空区处理方案，采矿中不应任意改变设计规定的矿柱及矿房尺寸；规定保留的矿柱，在保留期限内，不得回采或破坏。     矿房跨度和矿柱尺寸，应根据地质条件、矿体埋深、矿石及围岩硬度、空区暴露面积等因素综合确定，避免大面积采空区冒落和冲击地压灾害的发生。矿柱形式有连续矿柱（即条带矿柱）和间隔式矿柱（点柱）等形式，点柱尺寸一般为φ＝4～6m或4×4～6×6m。由于石膏矿体周围岩往往为顶岩、泥岩等岩体，抗压和抗剪强度低，故在矿房内开采需要留设足够厚度的石膏护顶层，以避免顶部围岩裸露发生坍塌。     2005年11月6日，邢台县会宁镇尚汪庄康立石膏矿发生坍塌事故，危害巨大。造成重大人员伤亡的主要原因之一，是矿井之间没有留设保安矿柱，甚至已经贯通，使得顶板屈服破坏。因此，石膏矿地下开采时，相邻矿（井）应明确划定界限，矿（井）之间应留有不少于40m的保安矿柱，保安矿柱在规定保留期限内不得开采和破坏。两个采矿权的矿井，井巷工程禁止贯通。此外，盘区内在老空区周围继续开采时，应在老空区周围留设不小于20m宽的隔离矿柱，并对与老空区相通的巷道加强支护。     （二）房柱法开采顶板稳定评价的数学模型     通常认为，莫尔－库仑（Mohr－Coulomb）屈服准则判断岩体的压剪破坏：       (1)     式（1）中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，C，φ分别是粘结力和摩擦角。当fs＞0时，材料将发生剪切破坏。然而，摩尔－库仑屈服准则难以反应岩体在受拉情况下发生破坏的拉伸、拉剪破坏模式，本文将摩尔－库仑屈服准则扩展到受拉段，提出了能反映压剪、拉剪、拉伸等多种破坏模式的强度准则，从而建立石膏矿房柱法开采顶板稳定评价的数学模型。     Griffith在系统研究二维应力状态下椭圆裂纹切向应力分布规律的基础上，提出了能够较好模拟线弹性材料拉伸和拉剪破坏的Griffith强度准则。图1给了了正交直角坐标系下的椭圆裂纹及其二维应力状态。

  图1  直角坐标系下的椭圆裂纹     通过推导切向应力σt沿着椭圆面的变化规律，可以得到Griffith强度准则为： (σ₁－σ₃)²－8T₀（σ₁＋σ₃）＝0，ifσ₁＋3σ₃＞0 σ₃＝－T₀，ifσ₁＋3σ₃＜0                （2）       其中，T₀为单轴抗拉强度。     定义Mohr－Coulomb强度准则和Griffith强度准则的交汇点为σ_B，则σ_B表示如下： σ_B ＝2c/[tg(45°－φ/2)]      （3）     则石膏矿房柱法开采顶板稳定评价的数学模型可以表述如下： σ₃＝σ₁tg²（45°－φ/2）－2ctg（45°－φ/2）， ifσ₃＞0(σ₁－σ₃)²－σ_B（σ₁＋σ₃）＝0 ifσ₁＋3σ₃＞0且σ₃＜0σ₃＝－σt， ifσ₁＋3σ₃＜0且σ₃＜0              (4)     其中，σt＝T。强度准则在直角坐标系中表示如图2。

图2  房柱法开采顶板稳定评价的数学模型     该模型将莫尔－库仑屈服准则同Griffith强度准则结合在一起，用于研究石膏矿地下开采过程中顶板的稳定性。     三、石膏矿地压灾害防治措施研究     （一）加强顶板安全管理及灾害预报     应设置专门机构或专职人员负责地压管理，观测人员应定期观测巷道底板是否底臌、顶板是否下沉或开裂、矿柱是否有裂纹或撕裂、空区内是否发出声响等现象，并做好详细的观测记录。冲击地压发生前的预兆表现为：受采动影响，岩层向采空区方向移动加剧，顶板岩层断裂声增大，支撑矿柱有裂纹或撕裂、压缩破坏等现象。专职人员在发现上述征兆时，应立即撤出所有井下人员。     （二）加强巷道和硐室支护     主要巷道和硐室应布置在顶板稳定的岩层中，如需穿过软弱岩体，应加强支护，松软岩体中掘进，永久性支护至掘进工作面之间，应架设临时支护或特殊支护。在石膏矿坚硬稳固的岩层中掘进井巷，如不需临时支护即可保证巷道顶板和两帮稳定，应制定相应的安全措施和定期检查制度，认真检查工作地点的顶板和两帮，发现问题及处理。     （三）加强采空区处理措施     应根据地表及地层具体情况，制定相应的地压活动防范措施。地层无水害且地表允许塌陷时，可采用自然冒落或强制崩落的措施；地层有水害或地表不允许塌陷时，可采用垒砖垛、砌砖墙、留设较大保安矿柱等措施，加强永久支护；地表塌陷可能造成巨大灾害的，应采取充填方式处理采空区。     四、结语     本文在总结我国石膏矿地下开采领域已有研究成果的基础上，研究了石膏矿的地下开采方法，分析了长壁选别充填法、崩落采矿法以及空场法的开采技术和安全管理手段。针对我国石膏矿大多采用的开采方法－房柱法，提出了房柱法开采时，顶板稳定性评价的数学模型。本文还分析了石膏矿山地压灾害防治的对策措施。