深部采场顶板冒落机理及支护研究

[摘 要]本文主要从应力集中、岩体地质构造、地下水、关键块体、开采顺序等几方面对深部采场顶板冒落原因进行分析，找出顶板冒落的主要因素。本文列出木材支护、金属支架支护、锚杆支护、矿柱支护、长锚索预加固、喷射混凝土支护等几种目前常用的控顶技术，结合矿山的矿床开采技术条件及生产条件等因素，加以具体分析和研究，最终确定出适合自己矿山的、合理的、有效的采场顶板支护方法。

[关键词]锚杆 冒落 控制机理

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0334-01

1 深部采场顶板冒落机理及影响因素

金属矿山实现高效、正常回采的前提是采场的顶板稳定，深部采场开采过程中，采场顶板冒落事故时有发生，而影响采场顶板稳定的因素较多，故其冒落机理极其复杂。加大对深部采场顶板的冒落机理研究，能为矿山采场顶板支护及管理工作提供理论依据。深部采场顶板冒落机理的研究目前还不是很成熟，目前主要从以下几个方面对深部采场顶板冒落原因进行分析与研究，从而找出顶板冒落的主因。

1）应力集中

地下采场的开挖破坏了原岩的自然平衡状态，并使应力发生重新分布，其结果是在各回采采场的顶板会发生应力集中现象。按照“自然平衡拱学说”的相关理论，由于应力集中，回采空间形成后，采场顶板冒落拱区域内的岩体原有力系平衡将会发生改变，在采场中央部位处会出现拉应力，采场顶板岩层出现弯曲及下沉现象，随着拉应力的逐渐增大，当其大于矿岩的抗拉强度时，采场顶板矿岩会出现拉裂缝，随着时间的推移，最终拉裂缝会延伸扩大，从而出现采场顶板冒落事故。

2）岩体地质构造

因受地质构造等因素的影响，伴随着各种地质变化，矿体及上下盘岩体会形成各种弱面，这些弱面的出现会对采场顶板的稳定性带来严重威胁。比如弱面会降低顶板强度、对顶板完整性造成破坏、使顶板岩性发生变化等，当弱面较发育时，较小规模的顶板冒落事故会较为频发，同时采场顶板大面积冒落的可能性也大大增加。

3）地下水

地下水对矿岩的稳定性影响较大，尤其当大部分矿岩是可溶性岩体时，这种影响会更大，它会使矿岩的物理力学性能发生明显减弱，从而将会降低采场顶板矿岩体间的相互作用，进而引发采场顶板发生冒落。

4）关键块体

关键块体是是采场顶板保持整体稳定性地关键部分，而它也是采场顶板最薄弱的部分。由于结构面的大量存在，在较坚硬或坚硬地层，结构面把矿岩体切割成空间镶嵌块体。未开采时，块体之间相互搭接，整体处于静力平衡状态。但是，随着矿体的不断采出，部分临空面上的块体由于失去支承，会沿着结构面发生滑移或失稳。首先发生失稳或滑移的块体就是关键块体。

5）开采顺序

从目前我国金属矿山生产的实际中可以发现，矿山的开采顺序对采场顶板的稳定性也有着极其复杂且重要的影响。尤其在采用一二步间隔采矿时，一二步采的开采顺序将会对二步采场顶板的稳定性产生直接的影响。

2 深部采场支护方法选择原则

目前有关采场支护的方法有数十种，针对某一矿山具体要采取哪种支护方法，这要结合矿山的矿床开采技术条件及生产条件等因素，加以具体分析和研究，最终确定出适合自己矿山的、合理的、有效的采场顶板支护方法。通常，在采场支护方法的选择上，主要有以下原则加以把握。

1）为保证其他作业的正常进行，不受采场支护作业的影响，采场支护应加快速度，减少辅助作业时间，争取在较短时间内完成。

2）在选择支护方法时，要考虑到目前支护设备的发展情况，尽量选用与矿山生产相适应的国产设备，为了减轻工人的劳动强度，应选择机械化水平较高、操作快捷、工艺简单的支护方法。

3）支护选材上，尽量选择价格低廉、易采购、来源广泛等材料，最好能够使用矿山上的废旧材料，在实施过程中，可以结合矿山经营状况灵活处理。

4）选取的支护方法与矿岩稳固性要实现较好结合，支护后对破碎顶板应立即能发挥支护作用。

5）为了节省支护费用，使矿岩本身的强度得到充分利用，在选择支护方法时，可以依据采场顶板暴露后的显现特征或规律做出选择。

3 深部采场顶板支护方法

在回采稳固性稍差的矿体或围岩时，为保证回采作业的安全高效，防止采场顶板发生冒落，需要支柱或支架等对采空区顶板进行必要的预控顶支护。以前木材支护应用较多，目前锚杆、长锚索、锚杆桁架等新型支护在金属矿山得到推广应用。然而，目前各国矿山开采并没有比较成熟的统一控顶方法，现在多数矿山只是依据自身矿山的实际情况，采取一些尝试性的控顶技术措施。目前最常采用的控顶技术主要有以下几种。

1）金属支架支护

金属支架具有耐火性好、安装容易、可反复使用、使用期限长、强度大等特点，因此，它在地下矿山开采中应用逐年增加。但金属支架也有搬运修理困难、成本高、重量大等缺点。

2）锚杆支护

较大离层发生前对采场顶板进行锚固处理，可以减少或阻止顶板离层的发展，使顶板保持较大刚度的整体性，最终实现减少或避免采场顶板冒落的发生。锚杆支护效果好，经济简便。锚杆支护是一支护整体效果较好的控顶措施，在大量生产实践和科学试验的基础上，认识到锚杆具有挤压加固作用、组合作用和悬吊作用等三个方面的作用。上述三种作用，对于不同地质条件的岩体，主导作用存在较大差异，应具体情况具体分析。

3）矿柱支护

矿柱是房柱法常用的控顶措施，矿柱控顶就是在采场中适当留下矿柱。作用于矿柱上的载荷，仅是冒落拱内部区域的岩块重量。在覆岩压力作用下，部分松散矿岩将从顶板向下冒落，并形成自然平衡拱，拱形假说的理论基础是松散体力学。

4）长锚索预加固

采用长锚索加固岩体是一项新兴的技术，它对岩块位移进行限制，使采场顶板稳固性得到有效的提高。对采场顶板实施长锚索预锚固，即在矿块回采前，对矿体顶板预先实施长锚索支护，预防在开挖时出现冒落或坍塌，从而在已支护的顶板下实施回采矿石作业。

4 结论

深部采场的顶板破坏机理较浅部采场更加复杂，影响因素更多，基于这种原因，本章对深部采场顶板的破坏机理及影响因素进行了论述，在分析过破坏机理和影响因素这个问题之后，对其支护原则及方法等问题进行了初步探讨。各矿应结合矿山的矿床开采技术条件及生产条件等因素，加以具体分析和研究，最终确定出适合自己矿山的、合理的、有效的采场顶板支护方法。