磷矿矿山顶板稳定性分级方法

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呈散体结构，一遇开挖临空即开始冒落，如遇顶板渗水则完 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
全失去自持力，对巷道掘进施工威胁极大。而压扭性断层往 感。水对软岩及软弱夹层发育的顶板的稳定性影响极大，对
往断距不大，断层内为软弱构造岩所充填，岩体呈破碎状甚 这类矿山，要考虑地下水的用水量。
宜昌某磷矿位于湖北省宜昌磷矿樟村坪矿段西部，矿区 出露地层有前震旦系崆岭，震旦系上统陡山沱组和灯影组。 含磷层赋存于陡山沱组中，共有 3 个含磷层，其中最上部的 第 1 含磷层（Ph1）为主要工业矿层，第 1 含磷层（Ph1）位于陡 山沱组第 1 段的中亚层，又可分为 3 个连续的分层，即上贫 矿、中富矿、下贫矿，它们在空间上分布稳定且连续，但各分 层矿的厚度有差异。该矿开采对象为第 1 含磷层。矿区范 围内矿体走向长 800 m，倾向长 1 000 m，矿体平均可采厚度 2 .5 m，实际可采厚度 1 . 2 ～ 2 m。矿体产状为走向北东 30º， 倾向 120º，倾角 5º ～ 8º，矿体埋深一般在 20 ～ 150 m 之间。矿 石呈黑色，主要由砂屑磷块岩和泥晶质磷块岩组成，二者紧 密迭加构成条带构造，本分层厚度、品位均较稳定。平均厚 度 1 . 79 m，P2O5 平均品位 32 . 65% 。矿体顶板为灰白色的白 云岩，具粉晶内碎屑结构、泥晶砂屑结构。底板为灰黑色含 钾页岩或夹磷块岩条带页岩（表外矿），为泥质、泥质粉沙结 构，页理发育，主要由泥状钾长石和水云母、粘土组成，间夹 有磷块岩条带。矿段内各岩层大部分较硬，且具脆性，多属
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。首次指出风化作用对顶板稳定性的影响，并 就地下水对顶板稳定性的影响进行了分析。
关键词 矿山顶板 稳定性分级 冒顶片帮
Stability Classification Method for Mine Roof of Phosphorus Mine
坚固岩类，但由于构造断层存在，降低了矿段内岩石（矿石） 的强度和完整性。顶板的白云岩质坚而脆，成直接顶板，裂 隙及溶蚀现象均较发育，在一般情况下该层基本稳定，在构 造破坏地段则稳定性降低。矿段内构造发育，大断层多为边 界断层，将矿段分割成 4 段，主要断层有 F2、F4、F14、F22。该矿 开采历史已 10 多年。由于矿体埋藏较深，覆盖层较厚，开采 方法采用地下开采，开采顺序为下行式，自上而下分中段进 行，各中段后退式回采，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3 个相对独立的采区 回采。该矿顶板稳定性分级如下：Ⅱ采区 1215 1220 中段， 有较大的断层 F2、F14和 F20条中小断层交错将岩层形成三角 岩体，形成较大压碎状态；离地表较近的白云岩风化后遇水 软化，地表水直接渗入井下；局部覆盖层厚度小于 20 m，风 化严重；顶板破碎，矿柱留设少，已出现大量劈裂、压溃现象， 该区划分为Ⅲ级顶板，稳定性差。Ⅲ采区 1190 1168 中段， 层理节理较发育，断层不多，顶板有时出现中小型三角岩体； 软弱夹层 3 ～ 4 条，井下潮湿，有滴水现象；顶板完整，直接顶 出现脱落，矿柱留设基本合适，出现少量破碎，该区划分为Ⅱ 级顶板，稳定性中等。Ⅰ采区 6 8 中段，顶板坚硬，层理节 理不发育，断层不发育；覆盖层厚，直接顶厚度大于 300 m； 埋藏较深无遇水软化的岩石，软弱夹层，基本无水；顶板完整 性好，留设的矿柱规则，无破碎现象，该区划分为Ⅰ级顶板， 稳定性好。
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。
2 沉积型磷矿矿山顶板稳定性分级方法 鄂西磷矿的地质特点，皆为沉积型层状矿床，矿体的顶
板多为白云岩及其变质岩等岩层，底板为页岩、白云岩，选取 如下指标作为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［1］。刘海波等人也认为，影响煤岩体稳定性的内部因素 最主要的影响因素还是煤及其顶板的坚固性和结构完整性 两个方面［2］。因此，选择岩体的坚固性作为分级指标。本文 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。
有遇 水软 化 的 岩 石，软 弱
顶板破碎，或 采 空 区 面 积 过
碎状态，有 较 大 的 断 层 和 比
<6
较多 的 中 小 断 层 或 断 层 交
< 20 夹层 5 条以 上，井 下 涌 水
< 20 大，矿 柱 留 设 少，已 出 现 大
量大
量劈裂、少量压溃现象
错形成三角岩体
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、采空区情况 3 项指标受前项指标的制约。 3 某磷矿顶板稳定性分级
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。煤矿 因矿床成因、矿床地质条件、矿体物理力学性质、开采方式等 较单一，大型矿山多，对顶板安全分级较早，也较成熟。对非 煤矿山而言，由于矿种多，矿床成因复杂，地质条件差异大， 开采方式多种多样，难以采用统一的分级方法。有关研究人 员也作了很多的工作，取得了大量成功的经验。由于非煤矿 山本身的复杂性，一些分级方法不能在所有矿山通用，只适 合于条件类似的矿山。
20 ～ 40
软弱夹层 3 ～ 4 条，井下潮 湿，有滴水现象
覆盖层的 厚度 / m
≥50
20 ～ 50
采空区情况
顶板完整 性 好，留 设 的 矿 柱 规则，矿柱大，无破碎现象 顶 板 完 整，直 接 顶 出 现 脱 落，矿 柱 留 设 基 本 合 适，出 现少量劈裂
Ⅲ 稳定性差
层理节理 发 育，形 成 较 大 压
至散体状，在鄂西磷矿中，有的压扭性断层在与层理交合时，
（5）覆盖层的厚度。地表覆盖层受风化的影响，矿体顶
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 板稳定性往往会降低。覆盖层越薄，受风化影响越大。当在
现断层将矿体切割成三角形、四边形等情况。对于空场采矿 法，断层对采场的稳定性影响很大。
矿床深部（一般在 1 500 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
定为 1 类不稳定顶板，20 ～ 40 cm 的为 2 类不稳定顶板，大于 40 cm 的为 3 类稳定顶板［1］。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
有巨大响声；气 浪 冲 击 造 成 井 下 严 重 破 坏 及 地 面 剧 烈 Hale Waihona Puke Baidu 动 （地震）［5］。
（3）直接顶分层的厚度。岩层的分层厚度越小，表明其 生突然的爆发式破坏现象，其剧烈程度好像岩体被爆炸一
层理发育、稳定性越差，并且直接顶的分层厚度与顶板岩石 样，即岩爆，如在掘进巷道或采场围岩发生强烈的劈裂声；矿
的抗压强度成正比。如霍州矿区将分层厚度小于 20 cm 的 岩的弹射和振动，引发大量的矿岩碎块抛出；底板鼓起，并伴
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工业安全与环保 Industrial Safety and Environmental Protection
2006 年第 32 卷第 4 期 April 2006
磷矿矿山顶板稳定性分级方法
王红汉1 董小明2
（1 . 武汉科技大学 武汉 430081； 2 . 宜昌汉铭安全技术有限公司 宜昌 443000）
WANG Hong han1 DONG Xiao ming2 （1 . Wuhan University of Science and Technology Wuhan 430081） Abstract Roof fall accident is one kind of dangerous accidents happened at underground mines and underground pressure management is the main task of mining safety management . Roof stability classification is an important method in underground pressure management . The index and classification method for roof stability classification are put forward，adding that weathering affects roof stability and also conducting analyses on influences of underground water on roof stability. Keywords mine roof stability classification roof fall
（6）采场结构。采场暴露面积的大小是控制采场冒顶的
影响着顶板的坚固性和整体性。
重要因素。另外，采空区中矿柱的留设也直接影响采空区的
（4）岩体的水力学性质和地下水用水量。水对软岩的强 稳定性。
度有重要影响，不少软岩浸水后，强度急剧下降，甚至立即碎
为了便于矿山现场顶板安全管理，只将顶板安全等级划
裂或泥化［4］。如页岩遇水易膨胀碎裂，矽卡岩遇水易泥化。 分为 3 级。分级方法如表 1。
表 1 沉积型磷矿矿山顶板稳定性分级
顶板稳定 岩石的坚固 性级别 性系数 f
构造发育程度
直接顶分层 的厚度 / cm
岩体的水力学性质 和地下水涌水量
Ⅰ 稳定好
层理节理 不 发 育，断 层 不 发
无遇 水软 化 的 岩 石，软 弱
≥8
育
≥40
夹层 1 ～ 2 条，井下干燥
Ⅱ 稳定性中等
6～8
层 理 节 理 较 发 育，断 层 不 多，顶板有 时 出 现 中 小 型 三 角岩体
（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