武山銅礦膠結(jié)充填體頂板穩(wěn)定性淺析

張葆春,保文俊,趙永和

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司武山銅礦,江西九江 332204)

武山銅礦膠結(jié)充填體頂板穩(wěn)定性淺析

張葆春,保文俊,趙永和

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司武山銅礦,江西九江 332204)

江銅集團(tuán)武山銅礦自 2007年開始在該礦北礦帶試驗(yàn)下向水平分層膠結(jié)充填采礦法;通過(guò)兩年多的實(shí)踐摸索,解決了一系列工藝環(huán)節(jié)問題。由于膠結(jié)充填體作為采場(chǎng)頂板,故膠結(jié)體的穩(wěn)定性研究是礦山生產(chǎn)技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。本文從定性定量的角度分析了膠結(jié)體的受力狀態(tài),從采場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)出發(fā),總結(jié)了提高頂板穩(wěn)定性的措施。

膠結(jié)充填體;穩(wěn)定性;頂板

1 前言

伴隨社會(huì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,礦產(chǎn)資源的珍貴性日顯突出;在此大環(huán)境下,安全高效、高回收效的膠結(jié)充填采礦方法在國(guó)內(nèi)礦山采礦方法的類別比例越來(lái)越大;而在下向采礦法中,膠結(jié)充填的同類礦山并不多見,僅有金川鎳礦及會(huì)澤鉛鋅礦等少數(shù)礦山將膠結(jié)充填體作為采場(chǎng)頂板;且各個(gè)礦山的礦體賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造均差異較大。武山銅礦作為一個(gè)大型銅硫礦山,自 2007年與長(zhǎng)沙礦山院合作,在南礦帶試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行下向膠結(jié)充填前期試驗(yàn);在取得階段性成果后,依據(jù)中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)院所做的《江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦深部挖潛擴(kuò)產(chǎn)技術(shù)改造初步設(shè)計(jì)》,在北礦帶逐步推廣膠結(jié)充填采礦新工藝。而采礦工藝是礦山企業(yè)的技術(shù)核心,直接影響企業(yè)的安全效率,在沒有技術(shù)積累的前提下,礦山工程技術(shù)人員必須立足自身,并積極與相關(guān)科研院所配合合作,對(duì)膠結(jié)充填體工藝悉心研究,控索規(guī)律,以指導(dǎo)采場(chǎng)作業(yè)。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

武山銅礦屬長(zhǎng)江中下游大型銅硫礦床,它分為南北兩大礦帶。北礦帶位于花崗閃長(zhǎng)斑巖體的北側(cè),礦化帶長(zhǎng)2700m,寬 200m。工業(yè)礦段長(zhǎng) 1600 m,有工業(yè)礦體 7個(gè),其中 1Cu礦體規(guī)模最大,為主要開采對(duì)象,它位于武山南坡,賦存在泥盤系上統(tǒng)五通組砂巖與石炭巖系中統(tǒng)黃龍階灰?guī)r的層間破碎帶中,礦體呈似層狀順序產(chǎn)出,傾向 165°,傾角 56°～64°,局部地段變陡為 70°～83°,變緩為 44°;礦體長(zhǎng) 1600 m,平均厚 16. 8m.礦石類型:淺部為含銅黃鐵礦和含銅高嶺土,深部為含銅矽卡巖和含銅碳酸巖。礦石結(jié)構(gòu)有塊狀晶狀結(jié)構(gòu)、填隙結(jié)構(gòu)、溶蝕結(jié)構(gòu)、共邊結(jié)構(gòu)等,礦石構(gòu)造有塊狀構(gòu)造、脈狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造等。1Cu礦體的底板主要為含礫石英砂巖,其次為花崗閃長(zhǎng)斑巖;頂板為白云巖、大理巖,局部地段為花崗閃長(zhǎng)斑巖、煌斑巖、高嶺土,礦體附近的火成巖脈在淺部均遭受了強(qiáng)烈的風(fēng)化,為不良工程地質(zhì)體[3]。

3 下向水平分層膠結(jié)充填采礦法

武山銅礦從 1966年開始建設(shè)以來(lái),北礦帶起初采用崩落法:高分段崩落,后成低分段崩落及分層崩落,由于礦石易氧化自燃,給安全生產(chǎn)帶來(lái)了很大的隱患,也造成了很大的貧化損失。1990年與北京礦冶總院共同完成了北礦帶鋼筋混凝土假底下下向進(jìn)路式水砂充填采礦方法的試驗(yàn)研究,1992年完成了南礦帶上向斜壁寬分條水砂充填采礦法試驗(yàn)。兩種采礦方法一直沿用至 2005年,并在實(shí)踐中不斷對(duì)采礦工藝進(jìn)行創(chuàng)新。為了解決下向坑木支護(hù)問題及擴(kuò)產(chǎn)需要,提高單個(gè)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力,2005年,根據(jù)二期擴(kuò)產(chǎn)工程北礦帶設(shè)計(jì)的分級(jí)尾砂下向膠結(jié)充填采礦法,先選擇南礦帶W4盤區(qū)進(jìn)行下向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法度試驗(yàn),取得了成功,2006年后推廣到北礦試驗(yàn)成功后全面推廣。現(xiàn)武山銅礦所有北礦帶采場(chǎng)使用的采礦方法都為下向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法,具體如圖 1:

圖 1 下向水平分層進(jìn)路式充填采礦法[4]

4 充填采礦法膠結(jié)體受力分析

通過(guò)在采場(chǎng)預(yù)埋混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋測(cè)力計(jì)、木支柱壓力計(jì)來(lái)分別監(jiān)測(cè)不同回采斷面下膠結(jié)充填體受力變形的規(guī)律與特性,以及豎筋的受力狀況及木支柱受力狀況。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果分析:

(1)豎筋受力分析。①斷面增大后 (由 3 m＊3 m擴(kuò)大至 5 m＊3 m)鋼筋計(jì)所受拉應(yīng)力幾乎為原先的 2倍;②從整個(gè)豎筋受力變化曲線圖來(lái)看,充填體暴露為頂板之前,曲線較為平緩,而且主要為壓應(yīng)力,說(shuō)明此時(shí)充填體中的豎筋受力較小,變化不大。在充填體暴露為頂板時(shí),曲線斜率較大,且呈拉應(yīng)力,證明此時(shí)豎筋受力明顯增大,豎筋對(duì)充填體起了懸吊作用,之后的一段時(shí)間,曲線又趨于平緩,說(shuō)明隨著充填體暴露時(shí)間的增大,充填體中豎筋受力變化不大,整個(gè)豎筋受力比較穩(wěn)定 (如圖 2)[1]。

(2)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析:上層充填體剛暴露為頂板時(shí),充填體變形較為明顯,變形幅度大,但隨著分條的繼續(xù)回采作業(yè),暴露為頂板的充填體變形穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi),直到分條結(jié)束回采 (如圖 3)[1],從小平面內(nèi)垂直于回采分條軸線方向應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,充填體下部產(chǎn)生受拉變形,上部產(chǎn)生受壓變形。由此可以以為,在大斷面回采情況下,頂板充填體在垂直于分條思線平機(jī)內(nèi)變形形式為梁彎曲變形;充填體變形使得頂板中間部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。

圖 3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)充填體應(yīng)變曲線

(3)木支柱受力分析:①被監(jiān)測(cè)的木支柱受力很小,說(shuō)明分條回采過(guò)程中,頂板充填體下沉量很小,沒有對(duì)木支柱產(chǎn)生較大的壓力。②經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn),靠近充填體一側(cè)立柱所受的壓力略大于靠近礦體一側(cè)受所的壓力。說(shuō)明回采分條中,靠近充填體一側(cè)充填體的下沉量要大于靠近礦體一側(cè)。

5 增強(qiáng)頂板膠結(jié)體穩(wěn)定性措施

從分析結(jié)果來(lái)初步判斷,下向膠結(jié)充填采場(chǎng)頂板的膠結(jié)充填體呈梁彎曲受力變形狀態(tài)。且失去礦巖支撐后,變形主要由膠結(jié)體自重引起,受外力的影響因素不多。和過(guò)去下向水沙充填受力不同的是:水沙充填時(shí),木支柱與頂板的鋼筋混凝土假底形成簡(jiǎn)支梁受力結(jié)構(gòu);而膠結(jié)體依托周邊礦柱或人工支護(hù)形成組合梁受力結(jié)構(gòu)。

依據(jù)以上結(jié)論,礦山工程技術(shù)人員在提高充填體質(zhì)量的前提下,主要采取以下兩大現(xiàn)場(chǎng)措施來(lái)增強(qiáng)膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性:

(1)合理調(diào)整豎筋長(zhǎng)度。膠結(jié)充填體下部(1:4的灰沙比)與上部(1:8的灰沙比)形成組合梁;而其中豎筋起錨桿的錨固作用,對(duì)組合梁進(jìn)行強(qiáng)化。這樣豎筋的網(wǎng)度與長(zhǎng)度起了關(guān)鍵作用。根據(jù)麥康公司提供的計(jì)算公式:

H=l/3+0.5

公式中的 l為回采斷面的跨度,H為豎筋的高度。在斷面為 5 m時(shí),H=2.17 m,豎筋的網(wǎng)度為1.6m＊1.6 m。而斷面增大到 5 m(寬)＊4 m(高)后,原有的豎筋長(zhǎng)度已難以滿足組合梁的要求 (與下部膠結(jié)體高度 2 m相近),不能有效地將上下部膠結(jié)體錨固牢靠。

在此情況下,豎筋的網(wǎng)度仍維持在 1.6 m＊1.6 m,而長(zhǎng)度必須及時(shí)調(diào)整。根據(jù)巷道高度及么填工藝,將豎筋長(zhǎng)度由 2.2 m增大到 2.4 m,即為巷道高度的 60%。所以豎筋長(zhǎng)度的確定不能單一的依據(jù)回采巷道跨度,而是要結(jié)合充填工藝,將巷道高度納入考慮因素。

(2)在采空區(qū)內(nèi)增設(shè)人工點(diǎn)柱,下向膠結(jié)充填采礦中,由于受充填接頂率的制約,膠結(jié)體難以支撐頂柱,而補(bǔ)充的尾沙接頂后,強(qiáng)度不高。隨著回采的進(jìn)行,頂柱膠結(jié)體的暴露面積和暴露時(shí)間逐漸增大;在自重的影響下,下沉量也逐漸增加,隨著塑性變形量的增大,頂板膠結(jié)體中部會(huì)產(chǎn)生非充填質(zhì)量引起的裂縫和層狀掉塊。針對(duì)這種現(xiàn)象,在對(duì)采空區(qū)充填前在空區(qū)內(nèi)施工梅花形坑木頂柱,形成人工點(diǎn)柱 (如圖 4);而充填后,膠結(jié)充填體會(huì)對(duì)頂柱提供足夠的側(cè)向壓力,使頂柱的豎直方向單軸抗壓強(qiáng)度陡增。有效的支撐了頂板[2],換個(gè)角度說(shuō)是減少了頂板組合梁的跨度,降低了下沉變形量。

圖 4 人工頂柱布設(shè)圖

6 效果比對(duì)

隨著以上措施的實(shí)施,武山銅礦下向膠結(jié)充填采場(chǎng)的頂板穩(wěn)定日趨加強(qiáng),有效控制了頂柱的下沉引起的膠結(jié)體破壞。在圍巖風(fēng)化破碎的 E8采場(chǎng),通過(guò)實(shí)施采空區(qū)人工頂柱后,頂板開裂現(xiàn)象大幅減少;而維護(hù)頂板所耗的鋼梁減少 60%以上。豎筋長(zhǎng)度增加后,懸吊作用更為顯著,再未發(fā)生膠結(jié)充填體整體脫落的重大事故。并且上述措施在實(shí)踐成功后,經(jīng)過(guò)整理總結(jié),已納入礦山膠結(jié)充填技術(shù)規(guī)范。總之,隨著工程技術(shù)人員對(duì)下向分層膠結(jié)充填認(rèn)識(shí)的不斷深入,一些受力機(jī)進(jìn)理逐步被了解,在此基礎(chǔ)上摸索出的防范措施有效指導(dǎo)了采場(chǎng)作業(yè);促使膠結(jié)充填采礦方法在礦山企業(yè)的不斷成熟運(yùn)用,新型采礦方法的掌握也是促使礦山企業(yè)安全、高效發(fā)展的核心基礎(chǔ)。

REFERENCES

[1] 趙奎.武山銅礦在斷面開采條件下分級(jí)尾膠結(jié)充填試驗(yàn)研究[R].2009.

[2] 《采礦手冊(cè)》編委會(huì).采礦手冊(cè)第一卷[M].冶金工業(yè)出版社, 1988.

[3] 王忠玲.武山銅礦床的地質(zhì)特征及成因[J].地質(zhì)與勘探, 1987.

[4] 吳已成.三中段開采在武山銅礦的研究應(yīng)用[J].銅業(yè)工程, 2009,(3).

The Stability Analyses to Top Tray of the Cemented Backfill Process in W ushan CopperM ine

ZHANGBao-chun,BAO Wen-jun,ZHAO Yong-he
(Wushan CopperMine of JCC,Jiujiang,332204,Jiangxi,China)

Since 2007,underhand sublevel cemented backfill mining method has been used in north zone of Wushan Copper Mine.After two years practice,thismethod solved lots of problems in process.Since the cemented backfill body is to be the top tray, so the research of cemented stability should be the key pointofmining production technology.This article analyses the stress of cemented and summarizes the effective measures to improve the stability of top tray

cemented fillingmass;stability;top tray

book=22,ebook=140

TD853.34

B

1009-3842(2010)03-0022-03

2010-06-08

張葆春(1968-),男,漢族,江西上猶人,本科,采礦工程師,主要從事采礦工程管理及礦山地下開采研究工作。E-mail:wstkzbc @sina.com