新疆钢铁雅满苏矿业有限责任公司 新疆维吾尔自治区哈密市 839000
摘要：冒顶片帮事故是地下矿山危害最为严重的事故，矿山地压管理是地下开采矿山安全管理的重要任务。顶板稳定性分析是地压管理的重要方法。提出了顶板稳定性分级的指标和分级方法。
关键词：矿山顶板；稳定性分级；冒顶片帮
1、概述
地下矿山冒顶片帮事故直接威胁井下作业人员和设备的安全，是地下矿山危害最大的事故。我国金属非金属地下矿山因片帮冒顶引起的伤亡在井下各类事故中占有很大的比例，其死亡人数占井下各类事故死亡总人数的30% ～40%，1次死亡3人以上的事故发生率最高。因此，采场顶板安全等级划分及安全管理为世界许多国家所重视，我国矿山工作者在该方面也作了许多积极的工作。
地下矿山冒顶片帮是地下矿山开采行业特有的事故现象，是由矿山开采的地质条件、作业环境决定的。根据作业场所顶板暴露面积大小及形状的不同，顶板可分为巷道型顶板和采场型顶板。巷道型顶板一般跨度较小，顶板事故隐患容易治理，而采场型顶板一般面积越大、跨度越大、危害越严重。
对顶板进行稳定性分级，主要是针对开挖后顶板的稳定程度和发生冒顶的危险性进行分级。对顶板稳定性进行分级，是为了便于加强矿山顶板安全管理。影响顶板稳定性的因素有很多，一方面是矿岩本身的物理力学性质、地质结构与构造、地下水等先天因素，另一方面，地下开采方式及地压管理方式对地下矿山的顶板的稳定性也有很大影响。
2、雅满苏铁矿地质特征
地质特征概述：雅满苏铁矿床赋存于雅满苏背斜南翼的火山岩建造中，赋矿地层为下石炭统雅满苏组上亚组第三岩性段（C1yb-3），整个赋矿构造和赋矿岩层呈近东西向带状展布。该矿床共圈定24个矿体，分别赋于上、中、下三个赋矿部（层）位，上部层位岩性为矽卡岩，中部层位岩性为矽卡岩和火山碎屑岩，下部层位岩性为火山碎屑岩。井下矿的目前开采主矿体Fe1矿体产出于下部赋矿部位，顶板主要为凝灰岩、矽卡岩，底板主要为灰岩、凝灰岩。Fe4矿体产出于中部赋矿部位，顶底板以矽卡岩为主，局部为凝灰岩。整个赋矿构造和赋矿岩层呈近东西向带状展布，与区域构造线方向基本一致。各矿体之间在平面上相互侧列，剖面上呈斜列状排布。
构造特征：矿区主要构造线受阿奇山—雅满苏岛弧带控制，构造复杂，褶皱、断裂发育。雅满苏背斜构造向西倾伏，与发育的走向断裂及斜向断裂共同组成矿区的构造格架。雅满苏矿床位于此背斜的南翼。其中F8、F2等成矿后对矿区破坏作用明显，断层经过处，破碎带较宽，构造裂隙发育，岩石的连续性和完整性被破坏，力学强度被降低，成为直接影响矿区工程地质条件的主导因素。矿区岩石中裂隙、节理发育，虽大部分被方解石脉充填，但小部分未充填者仍是影响岩石工程地质条件的重要因素。
水文地质条件概述：矿区及区域范围内气候干旱、少雨、蒸发量大，无常年地表水体，裂隙由浅至深发育程度减弱，地层富水性微弱且不均匀，水质极差，地下水补给源贫乏，迳流条件差。据此雅矿水文地质条件列为干旱地区，充水层以坚硬裂隙岩层为含水介质，以裂隙充水为主，水文地质条件为简单的矿床。矿区内出露的岩石结构致密，成分均匀且以稳定矿物为主等条件决定区内出露的大理岩、结晶灰岩、生物灰岩、凝灰岩类，均表现为硬岩层特性，其抗蚀性较强。
围岩地质特征概述：矿体顶底板岩性主要为矽卡岩、凝灰岩、大理岩、火山角砾岩等，岩石结构致密，节理裂隙发育，多被方解石脉充填。岩石整体强度中等—良好，块状结构，饱和状态下抗压强度在55.72-91.60MPa之间，较为稳固。
雅满苏矿区岩石、矿石力学性质试验成果表（资料来源于雅矿1965年详勘报告）
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雅满苏铁矿岩体评分与分级
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3、顶板稳定性分级方法分析
根据雅满苏铁矿井下矿山所在环境，选取如下指标作为巷道型顶板安全分类的依据。选取分类指标的原则是：抓住影响矿山顶板稳定性的主要因素，力求简化，便于现场分级。
（1）岩石的坚固性。顶板岩石的力学性质直接影响着采场顶板控制，一般说来，强度高的坚硬岩层稳定性好，而强度低的松软岩层则易破碎。靳钟铭等人通过岩石力学试验，得出如下结论：大容重、低孔隙率、高弹模的岩石的稳定性好，而容重小、孔隙率高、低弹模的岩石的稳定性差，通过对顶板的综合分析，得出直接顶的稳定性与岩石的抗压强度成线性关系［2］。因此，选择岩体的坚固性作为分级指标，采用普氏岩石分级方法，坚固性用坚固性系数（f）表示，坚固性系数（f）等于岩石的单向抗压强度除以100，即f=R/100。一般岩石的坚固性系数介于0.3～20。
（2）构造发育程度。影响顶板稳定性的构造包括层理、节理、裂隙、断层等。随着直接顶的稳定性增加，主裂隙间距逐渐增大，而裂隙组数逐渐减小。据不完全统计，在不稳定顶板中，裂隙间距为0.3 m以下的占75%以上。裂隙越发育，密度越大，其间距越小，顶板的稳定性就越差，冒顶的可能性就越大。根据顶板裂隙的发育程度可将裂隙划分为极发育、发育、较发育、不发育等类型［3］。容易造成冒顶事故的断层主要有 2 种：张性断层和压扭性断层。一般说来，张性断层断距较大，断层中往往为泥质碎屑胶结充填，材质松软呈散体结构，一遇开挖临空即开始冒落，如遇顶板渗水则完全失去自持力，对巷道掘进施工威胁极大。而压扭性断层往往断距不大，断层内为软弱构造岩所充填，岩体呈破碎状甚至散体状，有的压扭性断层在与层理交合时，容易出现不规则的散岩体而突然冒落造成人员伤亡，甚至出现断层将矿体切割成三角形、四边形等情况。
（3）直接顶分层的厚度。岩层的分层厚度越小，表明其层理发育、稳定性越差，并且直接顶的分层厚度与顶板岩石的抗压强度成正比。顶板的厚度还影响着小构造，特别是小断层的发育程度，而小断层的发育，在很大程度上影响着顶板的坚固性和整体性。
（4）岩体的水力学性质和地下水用水量。水对软岩的强度有重要影响，不少软岩浸水后，强度急剧下降，甚至立即碎裂或泥化［4］。如页岩遇水易膨胀碎裂，矽卡岩遇水易泥化。采场顶板如果受软弱夹层切割，其稳定性对水的状态极为敏感。水对软岩及软弱夹层发育的顶板的稳定性影响极大，对这类矿山，要考虑地下水的用水量。
（5）覆盖层的厚度。地表覆盖层受风化的影响，矿体顶板稳定性往往会降低。覆盖层越薄，受风化影响越大。当在矿床深部（一般在1500 m以上）或在构造应力很高的地区进行开采时，会出现冲击地压，在采掘空间周围的岩体中发生突然的爆发式破坏现象，其剧烈程度好像岩体被爆炸一样，即岩爆，如在掘进巷道或采场围岩发生强烈的劈裂声；矿岩的弹射和振动，引发大量的矿岩碎块抛出；底板鼓起，并伴有巨大响声；气浪冲击造成井下严重破坏及地面剧烈振动（地震）［5］。
4、顶板分级
通过对以上矿山顶板稳定性因素的分析，为了便于雅满苏铁矿井下矿现场顶板安全管理，现将顶板安全等级划分为 3 级，分级方法见表1：
表 1 雅满苏铁矿井下矿顶板稳定性分级
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其中，岩石的坚固性系数、构造发育程度、覆盖层的厚度3个指标直接影响顶板的稳定性，只要有1项出现，顶板的稳定性即降低。直接顶分层的厚度、岩体的水力学性质和地下涌水量 2 项指标受前项指标的制约。
5、结论
通过分析现有矿山顶板稳定性分级的指标和方法，结合雅满苏铁矿井下矿的地质条件和开采情况，提出顶板稳定性分级的指标和分级方法，为该矿开展顶板安全管理提供了依据，该分级方法简单、直观，便于该矿山顶板稳定性分级参考。