韋立堅(jiān)，張建華，劉 濤，魏 鵬

(1.中國黃金集團(tuán)，北京 100011；2.內(nèi)蒙古金陶股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024327)

石英脈型金礦多產(chǎn)自太古宇變質(zhì)巖系及顯生宇花崗質(zhì)雜巖中，也有產(chǎn)自元古宇及顯生宇淺變質(zhì)巖系[1]。該類金礦脈具有圍巖總體較堅(jiān)硬穩(wěn)固且圍巖整體性好、礦脈較薄等特點(diǎn)，脈賦存復(fù)雜。針對(duì)急傾斜的金礦脈通常采用廢石充填法[2-4]，比如削壁充填法和硐室削壁充填法等[5-7]，所用的廢石充填對(duì)頂板的支撐作用在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了充分證實(shí)。但對(duì)于傾角比較明顯小于巖石自然安息角的水平型石英脈金礦(以下簡稱水平型脈金礦)，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中還沒有見到真正意義上的廢石充填法，理論研究也少見。人們對(duì)于水平型脈金礦的廢石充填能否足夠支撐巖石頂板存有疑慮。為論證水平型石英脈金礦采用廢石充填的可行性，本文將對(duì)常見的水平型脈金礦的圍巖穩(wěn)固性、采空區(qū)垮塌、頂板力學(xué)模型以及廢石充填對(duì)頂板的支撐作用等問題進(jìn)行初步探究。

1 水平型脈金礦頂板圍巖穩(wěn)固性

水平型脈金礦的頂板圍巖堅(jiān)硬穩(wěn)固、整體性好，常見的脈金礦頂板巖石如花崗類片麻巖等，抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa以上。但水平型脈金礦也存在局部區(qū)域頂板不穩(wěn)固，主要是因風(fēng)化嚴(yán)重造成的礦脈直接頂板圍巖有幾米至二十幾米的巖石不穩(wěn)固的問題?，F(xiàn)場(chǎng)可采用鐵錘敲擊頂板的方式來判斷頂板巖石的穩(wěn)固性：當(dāng)發(fā)出“”的聲響時(shí)，可認(rèn)為堅(jiān)硬穩(wěn)固；當(dāng)發(fā)出“噗噗”的聲響時(shí)，可認(rèn)為不堅(jiān)硬穩(wěn)固；當(dāng)頂板暴露面寬度僅有1.5 m或2 m時(shí)頂板仍垮塌，認(rèn)為極不穩(wěn)固。針對(duì)“”聲響且看起來沒有裂紋的頂板，采礦允許暴露面寬度可達(dá)6 m以上，其余允許暴露面設(shè)定為3 m；當(dāng)極不穩(wěn)固時(shí)，允許暴露面寬度設(shè)定為1.5～2 m。

除了以上特點(diǎn)外，水平型脈金礦的礦體具有窩狀分布的特點(diǎn)，即礦體的走向長度或傾向高度兩者總有一項(xiàng)一般不超過200 m，或者即使礦脈規(guī)模巨大但脈體內(nèi)也常常能分割出許多無礦地段。加之水平型脈金礦的礦脈一般厚度較薄，這些因素使水平型脈金礦的頂板巖石在穩(wěn)固性方面與煤礦、鐵礦、普通有色金屬礦等相比具有鮮明特點(diǎn)。

2 水平型脈金礦采空區(qū)垮塌特征

1) 一個(gè)小規(guī)模的獨(dú)立礦體，采空后形成了約40 m×50 m，最高處約高3 m的透鏡狀采空區(qū)，僅在中間位置留有約3 m×3 m的礦柱，該采空區(qū)歷經(jīng)5年未現(xiàn)崩塌跡象。

2) 一個(gè)超過20年的老采空區(qū)，原先留的規(guī)則礦柱已經(jīng)風(fēng)化且塌落，但頂板依然完好而沒有明顯下沉，也沒有發(fā)生斷裂，形成了寬約40 m，長超過50 m的巨大采空區(qū)。

3) 一個(gè)原先頂板極不穩(wěn)固的礦段，采完厚度約2 m的礦體并運(yùn)走垮塌的頂板巖石后，形成了約30 m×30 m，高度達(dá)15 m的采空區(qū)，該采空區(qū)歷經(jīng)4年沒有新的垮塌，也沒有下沉。

4) 一個(gè)礦體最大厚度約2.5 m的礦段，采完后形成了約40 m×50 m的采空區(qū)，歷經(jīng)4年，原先留下的不規(guī)則礦柱及部分頂板巖石陸續(xù)垮塌，有1～2 m厚的頂板圍巖垮塌，垮塌下來的圍巖的形狀主要是扁平的棱塊狀，最大的棱塊長約 8 m，寬約3 m，該采空區(qū)的垮塌過程較緩慢。

5) 一些1.5 m×2 m的礦柱在1.5 m高的采空區(qū)中被擠壓形成了垂直型的裂紋，如圖1所示。這些礦柱看似十分危險(xiǎn)，但頂板并沒有垮塌下來，礦柱也暫時(shí)沒有倒下，此類礦柱主體多為脆性石英巖，礦脈是石英脈型。

上述采空區(qū)的垮塌或不垮塌，不會(huì)波及地表，這些采空區(qū)也沒有發(fā)生明顯的頂板彎曲變形，更沒有引起地表塌陷。這些特征與沉積巖類為頂板的煤礦[8]有所不同，主要是水平型脈金礦賦存較深、圍巖整體性好且堅(jiān)硬穩(wěn)固以及礦脈窩狀分布等造成的。

同時(shí)圖1表明，采空區(qū)頂板已經(jīng)產(chǎn)生了極小的下沉，主要是頂板因開采卸載后發(fā)生的地壓轉(zhuǎn)移，增加了礦柱受壓力，進(jìn)而促使礦柱產(chǎn)生了垂直型的裂紋。但礦柱沒有受到進(jìn)一步破壞，表明采空區(qū)頂板的下沉并沒有進(jìn)一步發(fā)展。

3 水平型脈金礦采空區(qū)頂板的力學(xué)模型

針對(duì)水平型脈金礦礦體分布特征及圍巖穩(wěn)固性，可將水平型脈金礦的采空區(qū)頂板簡化成力學(xué)模型，如圖2所示。根據(jù)普氏拱理論可知，采空區(qū)頂板只需承載平衡拱內(nèi)圍巖的重力，與拱外的上覆圍巖無關(guān)。

圖1 礦柱受壓開裂的情況Fig.1 Diagram of pillar pressure cracking

圖2 水平型脈金礦采空區(qū)頂板的力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of the goaf roof inhorizontal vein gold mine

由于水平型脈金礦可能會(huì)在局部地段頂板不穩(wěn)固，所以需要關(guān)注的是圖2中的免壓拱內(nèi)的“危險(xiǎn)區(qū)域”。由前述的幾個(gè)實(shí)際的采空區(qū)垮塌情況可知，當(dāng)頂板巖石足夠穩(wěn)固時(shí)，“危險(xiǎn)區(qū)域”可能不會(huì)出現(xiàn)任何垮塌或僅會(huì)出現(xiàn)少量垮塌，而且這種垮塌過程是緩慢的；當(dāng)“危險(xiǎn)區(qū)域”部分極不穩(wěn)固時(shí)，垮塌是必然的，但垮塌的厚度是有限的。

4 廢石充填對(duì)頂板巖石的支撐作用

在以往的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，通常采用留礦柱的方法維護(hù)頂板，雖然簡單且成本低的廢石充填法在垂直型脈金礦中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用，但在水平型脈金礦中，并沒有應(yīng)用實(shí)例，本節(jié)將對(duì)廢石充填的支撐能力展開討論。

當(dāng)“危險(xiǎn)區(qū)域”的巖石垮塌時(shí)，垮塌下來的巖石的體積會(huì)增大。通常情況下，巖石的松散系數(shù)約為1.5。另一方面，將松散的巖石堆積體壓縮變小，也是要施加壓力的。根據(jù)煤矸石及風(fēng)積沙的承載能力測(cè)試數(shù)據(jù)變化圖[3]，在0.2 MPa、0.5 MPa、1 MPa、2 MPa、10 MPa、20 MPa的壓力下，煤矸石的相對(duì)變形量(試樣直徑不變，只是長度變小)分別為6%、11%、15%、18%、28%、31%，風(fēng)積砂為1.3%、2.5%、3.5%、4%、8%、10%。

在水平型脈金礦的廢石充填中，參考煤矸石及風(fēng)積沙的承載能力測(cè)試數(shù)據(jù)，選擇在0.5 MPa壓力下、2 m高的采空區(qū)，則廢石充填體將被壓縮0.2 m。但是，0.5 MPa的頂板壓力需大約19 m厚的頂板圍巖重力。如果19 m厚的頂板巖石垮塌后其厚度僅增加0.2 m，意味著其厚度方向僅膨脹約1%，而且還留在了原位，這種情況完全可以看作是該巖石并沒有垮塌，只是產(chǎn)生了輕微的裂紋。通常，金礦廢石的性能都會(huì)優(yōu)于煤矸石，因而，水平型脈金礦廢石充填后頂板垮塌難以發(fā)生。

事實(shí)上，頂板巖石的垮塌是緩慢的過程。無充填的情況下，初級(jí)垮塌發(fā)生后，新的頂板巖石暴露出來；隨著時(shí)間的推移，新的頂板也會(huì)發(fā)生垮塌，直到平衡發(fā)生。在有充填廢石的情況下，初級(jí)垮塌時(shí)，由于對(duì)充填廢石產(chǎn)生的壓力太小，難以壓縮充填廢石，從而擠不出膨脹空間，使垮塌難以真正發(fā)生；次級(jí)垮塌時(shí)，由于初級(jí)垮塌會(huì)膨脹而產(chǎn)生膨脹力，這種膨脹力對(duì)次級(jí)垮塌有支撐作用，而且次級(jí)垮塌更難擠出膨脹空間，次級(jí)垮塌也難以發(fā)生，更次級(jí)的垮塌就更難發(fā)生。顯然，廢石堆的存在使頂板巖石沒有足夠空間用于垮塌膨脹，因而，使垮塌難以進(jìn)行。在現(xiàn)場(chǎng)中，經(jīng)?？梢妿r石在垮塌之前的受壓膨脹，如圖1中的礦柱開裂就是一種典型的垮塌之前的受壓膨脹。

可見，在水平型脈金礦中廢石充填是有效的。當(dāng)然，由于廢石塊度大小不一，在充填時(shí)容易在充填體與頂板之間形成空洞或間隙，為了提高廢石充填的有效性，可以簡單地用硬質(zhì)泡沫塑料[9]填充這些空洞或間隙，即可實(shí)現(xiàn)充填廢石與頂板的“整合接觸”(頂板巖石的壓力可通過硬質(zhì)泡沫塑料比較均勻地傳遞給石塊的頂點(diǎn)和側(cè)面，接觸不到頂板的石塊也能接受到頂板巖石的壓力)，因而使廢石充填體能提供較大的初始支撐力。否則，如果充填廢石與頂板之間存在空洞和間隙，則初級(jí)垮塌可能會(huì)比較容易發(fā)生，由于通常采礦活動(dòng)可能就在近旁，這種初級(jí)垮塌極有可能會(huì)引起連鎖反應(yīng)，會(huì)威脅到采礦作業(yè)點(diǎn)的安全，所以，廢石充填的充分接頂是重要的。另外，根據(jù)垂直型脈金礦的廢石充填的經(jīng)驗(yàn)，零星的木頭支護(hù)也很有必要;當(dāng)發(fā)現(xiàn)頂板某處有危險(xiǎn)跡象時(shí)，可以用木頭支撐，而且在充填時(shí)，這些木頭也不拆除。

另外，如果采空區(qū)的跨度很大，兩個(gè)方向的跨度都大大超過200 m(比較少見)，及時(shí)進(jìn)行廢石充填后，在遠(yuǎn)離采礦作業(yè)點(diǎn)的地方其實(shí)已經(jīng)形成垮塌膨脹與充填支撐的力量平衡，相當(dāng)于此處已經(jīng)形成“穩(wěn)固橋墩”。當(dāng)然，為了進(jìn)一步打消顧慮，也可以按照一定的間隔構(gòu)筑能支撐頂板的混凝土隔墻，或?qū)⑵肺黄偷牡囟瘟糇鞯V柱。

5 結(jié) 論

1) 水平型脈金礦的頂板圍巖堅(jiān)硬穩(wěn)固、整體性好，礦脈具有窩狀分布的特點(diǎn)，采空區(qū)的垮塌特征與頂板為沉積巖的煤礦不同，無明顯的頂板彎曲變形，不會(huì)引起地表塌陷。

2) 水平型脈金礦開采中當(dāng)頂板巖石足夠穩(wěn)固時(shí)，采空區(qū)頂板不會(huì)出現(xiàn)或僅會(huì)出現(xiàn)少量垮塌，當(dāng)“危險(xiǎn)區(qū)域”部分極不穩(wěn)固時(shí)，垮塌是必然的，但垮塌的厚度是有限的。

3) 水平型脈金礦的廢石充填能支撐頂板，防止頂板的次級(jí)垮塌，使垮塌膨脹與充填支撐的力量達(dá)到平衡，形成“穩(wěn)固橋墩”。

4) 與垂直型脈金礦類似，水平型脈金礦也可以采用簡單價(jià)廉的廢石充填法開采，使以往只能采用空?qǐng)龇ㄩ_采以實(shí)現(xiàn)低成本的觀念發(fā)生很大改變，也使金礦開采的廢石得以利用，使金礦廢石可以不出窿，以利于生態(tài)保護(hù)。