西石門(mén)鐵礦開(kāi)采主要危險(xiǎn)因素辨識(shí)及防治措施

竇梅林

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司西石門(mén)鐵礦,河北武安056303)

西石門(mén)鐵礦屬于大型黑色地下礦山,礦區(qū)地貌為低山丘陵形,礦石屬自溶-半自溶、中品位的磁鐵礦,以Fe1礦體為主。Fe1礦體呈不對(duì)稱(chēng)背斜,走向NE、兩翼分別向 SE、NW傾斜,礦體走向延長(zhǎng) 5020m,平均寬度 360m,平均厚度15.13m,最大厚度103. 42m,傾角0～40°,礦體埋深10～490m,賦存標(biāo)高278～-186m,現(xiàn)年生產(chǎn)規(guī)模為200×104t。

西石門(mén)鐵礦屬于邯邢鐵礦田北單元,礦區(qū)四周基本上被火成巖包圍,中間為中奧陶石灰?guī)r,地下水的來(lái)源以大氣降雨補(bǔ)給為主,區(qū)域側(cè)向補(bǔ)給為輔的地質(zhì)特征。

礦區(qū)主要含水層為中奧陶馬家溝灰?guī)r,直接覆蓋于礦層頂板,分布于花崗巖包體中,大體西高東低,西淺東深,南北高中間低,總厚度100～250m。因各組的巖性差異,兼受構(gòu)造作用力和埋藏條件的不同,其賦水性也不同。

西石門(mén)鐵礦為緩傾斜中厚低價(jià)礦體,分為南、中、北三個(gè)區(qū)進(jìn)行開(kāi)采,現(xiàn)主要采用無(wú)底柱分段崩落法和有底柱分段崩落法進(jìn)行采礦。

1 事故統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)對(duì)西石門(mén)鐵礦1997～2009年井下發(fā)生的安全生產(chǎn)事故類(lèi)型統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)生事故的類(lèi)型主要為地壓危害 (冒頂片幫)、車(chē)輛危害和水害等,這三類(lèi)事故占總事故的81.3%。

事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,冒頂片幫事故主要發(fā)生在采場(chǎng)進(jìn)路的頂板和拱腳處,這符合無(wú)底柱分段崩落采礦法引起地壓危害發(fā)生的規(guī)律[1]。主要由于采掘作業(yè)面爆破后,由于圍巖應(yīng)力的重新分布或是破壞了巖體整體結(jié)構(gòu)等方面的原因,作業(yè)人員沒(méi)有及時(shí)處理,造成了頂板冒落或拱腳片幫事故。

2 主要危害因素分析

2.1 地壓危害分析

地壓危害問(wèn)題是西石門(mén)鐵礦需要解決的重要難題,是影響井下安全生產(chǎn)的主要危害因素之一。多年來(lái),西石門(mén)鐵礦本著“安全第一、預(yù)防為主,綜合治理”的安全生產(chǎn)方針,多次與科研院校進(jìn)行合作[2-4],不斷探索采礦方法的試驗(yàn)研究,優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),同時(shí)加強(qiáng)地壓的安全管理,摸索地壓發(fā)生的規(guī)律,從而采取相應(yīng)的治理措施,取得了有效的成果。

2.1.1 巷道圍巖變形和破壞原因分析

西石門(mén)鐵礦頂板為結(jié)晶灰?guī)r與大理巖,節(jié)理較發(fā)育,但穩(wěn)固性較好;礦體為致密塊狀磁鐵礦,整體性好,穩(wěn)固;底板為矽卡巖、蝕變閃長(zhǎng)巖與閃長(zhǎng)巖,矽卡巖與蝕變閃長(zhǎng)巖不穩(wěn)固。部分矽卡巖軟弱、松散、破碎,還有部分本來(lái)是堅(jiān)硬完整的矽卡巖體,在工程揭露后,極易受風(fēng)化侵蝕而產(chǎn)生軟化或崩解潮解。其性質(zhì)對(duì)比如表1所示[5]。

表1 兩類(lèi)矽卡巖性質(zhì)對(duì)比

運(yùn)輸平巷、穿脈以及各采場(chǎng)的采準(zhǔn)切割巷道均遇到矽卡巖,且頂板或兩邦都發(fā)生過(guò)不同程度的冒落,給生產(chǎn)和安全帶來(lái)極大影響。矽卡巖冒落的基本原因,主要可分為四種情況:

1)隨著掘進(jìn),沒(méi)有及時(shí)支護(hù)則很快冒落。主要發(fā)生在金云母綠泥石矽卡巖中。

2)掘進(jìn)時(shí),由于部分矽卡巖節(jié)理、層理、裂隙十分發(fā)育,結(jié)構(gòu)面光滑呈鏡面狀,當(dāng)結(jié)構(gòu)面不利組合遇到臨空面時(shí),很快就以錐形或楔形的塊狀成片冒落,一般塊度都比較大。

3)剛掘進(jìn)時(shí)圍巖穩(wěn)定性較好,但隨著風(fēng)化、潮解,3～4個(gè)月后開(kāi)始大面積冒落。主要發(fā)生在碳酸鹽化矽卡巖,透輝石矽卡巖或綠泥石矽卡巖中。

4)剛掘進(jìn)時(shí)圍巖穩(wěn)定性較好,但在3～4年后,主要由于矽卡巖吸水膨脹,使噴層開(kāi)裂,并開(kāi)始局部片邦冒頂。主要發(fā)生在透輝石矽卡巖或綠泥石矽卡巖中。

5)上部分段回采完全與否,對(duì)相鄰下分段進(jìn)路穩(wěn)定性也有很大影響。上分段未崩落的實(shí)體礦石,在下分段進(jìn)路周?chē)鷰r體中構(gòu)成一很大的偏心集中應(yīng)力,并在進(jìn)路頂板中產(chǎn)生水平拉應(yīng)力 (圖1)。

6)同一分段進(jìn)路回采方式,對(duì)進(jìn)路周?chē)鷰r體中應(yīng)力分布影響亦很大。應(yīng)用有限元[5]對(duì)不同進(jìn)路方式開(kāi)采進(jìn)行研究表明,以各進(jìn)路平行回采方式,進(jìn)路周邊應(yīng)力最低。但采用此種回采方式回采到靠近聯(lián)絡(luò)巷道部位時(shí),將發(fā)生相互影響,引起應(yīng)力集中,若不采取一定技術(shù)措施,也容易出現(xiàn)進(jìn)路頂板冒落等地壓現(xiàn)象。

2.1.2 采空區(qū)頂板冒落原因分析

采空區(qū)頂板巖石中無(wú)構(gòu)造破壞,巖體冒落主要取決于巖性與結(jié)構(gòu)面,故可排除因存在斷裂構(gòu)造而產(chǎn)生大規(guī)模經(jīng)常呈突發(fā)性大冒落的可能性。

根據(jù)空區(qū)頂板巖性、空區(qū)狀態(tài)及采礦實(shí)踐,分析南區(qū)空區(qū)頂板冒落過(guò)程 (見(jiàn)圖2),主要包括四個(gè)階段:

圖1 回采進(jìn)路周邊σx分布圖

圖2 空區(qū)頂板冒落過(guò)程示意圖

1)初始冒落階段。采空區(qū)內(nèi)礦巖采出后或有部分礦柱、頂板處于臨空狀態(tài),在拉應(yīng)力的作用下,平衡拱被打破,巖體內(nèi)節(jié)理擴(kuò)展、貫通,導(dǎo)致灰?guī)r破壞并在自重作用下自然崩落下來(lái)。

2)間斷冒落階段?？諈^(qū)頂板暴露面積不斷擴(kuò)大,巖體內(nèi)裂隙向上發(fā)展,不時(shí)發(fā)生冒落,頂板在趨于平衡但達(dá)不到平衡的情況下向上發(fā)展,冒落范圍呈間斷性地?cái)U(kuò)大。

3)地表冒落階段。當(dāng)空區(qū)頂板冒落接近地表時(shí),頂板巖石常常產(chǎn)生整體變形和破壞,周邊受剪應(yīng)力破壞常以突發(fā)形式呈大規(guī)模冒落,此時(shí)可能引發(fā)具有危害性地氣浪。

4)擴(kuò)展下移階段?？諈^(qū)地表崩落后,周邊巖石逐漸向空區(qū)崩落、巖移充填到空區(qū),空區(qū)崩落邊界逐漸向外擴(kuò)展。

2.2 車(chē)輛危害分析

西石門(mén)鐵礦隨著開(kāi)采深度的增加,井下運(yùn)輸工作量越來(lái)越大,礦井運(yùn)輸事故的發(fā)生率也越來(lái)越高。事故統(tǒng)計(jì)分析表明,運(yùn)輸提升系統(tǒng)的事故死亡百分比,僅次于冒頂事故。運(yùn)提系統(tǒng)的事故所占比重,近年來(lái)一直呈上升趨勢(shì),有必要對(duì)車(chē)輛傷害進(jìn)行分析。西石門(mén)鐵礦井下運(yùn)輸采用電機(jī)車(chē)、鏟車(chē)等機(jī)械設(shè)備,礦石的鏟裝、運(yùn)輸過(guò)程中,及有可能造成車(chē)輛傷害。其原因主要有:

1)電機(jī)車(chē)行駛中,車(chē)身或所裝礦石撞擊、擠壓巷道中行人。運(yùn)輸平硐內(nèi)應(yīng)留有的人行道寬度不符合規(guī)程要求,有軌運(yùn)輸時(shí)不小于1m(無(wú)軌運(yùn)輸時(shí),不小于1.2m)。

2)電機(jī)車(chē)或鏟車(chē)通過(guò)風(fēng)門(mén)、巷道口、彎道、道岔和坡度較大的區(qū)段,以及前方有車(chē)輛或視線有障礙時(shí),沒(méi)有減低速度和發(fā)出警號(hào),致使和行人相撞。

2.3 水害分析

西石門(mén)鐵礦經(jīng)過(guò)多年的疏干排水,地下水位已降至0m水平以下,但由于多種復(fù)雜因素,采掘面仍存在較大的水害威脅。

1)民采空區(qū)水害。西石門(mén)鐵礦礦區(qū)由于采礦歷史較長(zhǎng),礦區(qū)長(zhǎng)期遭受周?chē)癫傻V井的非法盜采。民采掠奪式的無(wú)規(guī)劃、無(wú)設(shè)計(jì)的私采濫挖,遺留下了大量不明采空區(qū)。這些采空區(qū)形成之后,在有水源補(bǔ)給的情況下,長(zhǎng)年累月逐漸匯集,使采空區(qū)大量積水,對(duì)礦山的安全生產(chǎn)形成了嚴(yán)重威脅。同時(shí),由于這些民采采空區(qū)開(kāi)采很不規(guī)范,越層越界現(xiàn)象嚴(yán)重,分布無(wú)規(guī)律,地表無(wú)痕跡,積水范圍、積水量無(wú)據(jù)可查,給礦山防治水工作帶來(lái)了極大的困難。2009年3月28日,西石門(mén)鐵礦北區(qū)-40m水平在開(kāi)拓過(guò)程中,不慎和民采空區(qū)掘透,造成死亡8人的透水事故。

2)西石門(mén)鐵礦主要含水層是中奧陶統(tǒng)O22-2,厚度約200m,灰色中厚含燧石花斑狀灰?guī)r,夾中層細(xì)?；ò甙自瀑|(zhì)灰?guī)r,花斑為泥質(zhì)、白云質(zhì),裂隙、巖溶發(fā)育。

3)西石門(mén)礦床地表水系有馬河,流量隨季節(jié)而變化,在雨季接受大氣降水的集中補(bǔ)給,河水儲(chǔ)水量增大,一旦防水礦柱受到破壞,大量地表水可能會(huì)流入井下造成淹井。

4)由于礦山采用崩落采礦法開(kāi)采,隨著采礦向深部延伸,塌陷面積日益擴(kuò)大,采區(qū)上方造成大量人為裂隙,地層的滲透性能大大高,大氣降水或第四系水可以直接通過(guò)陷落柱下灌造成水害。

3 防治對(duì)策

3.1 改進(jìn)開(kāi)采管理技術(shù),預(yù)防地壓災(zāi)害

首先是掌握巷道地壓規(guī)律,加強(qiáng)頂板管理。做好地壓監(jiān)測(cè)、監(jiān)控工作,建立和完善行之有效的地壓監(jiān)控系統(tǒng)?；谙锏赖貕夯顒?dòng)規(guī)律,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)和回采資料,加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)和信息傳遞堅(jiān)持日常監(jiān)測(cè),采用有效支護(hù)方式,預(yù)防巷道變形冒落。

加強(qiáng)安全檢查。對(duì)正常回采涉及的各條進(jìn)路,要堅(jiān)持每班巡檢;對(duì)地質(zhì)條件較差的地段,如節(jié)理裂隙發(fā)育,大破碎帶或大斷層地段、民采空區(qū)集中區(qū)等進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究和設(shè)計(jì),并制定相應(yīng)的安全管理措施;對(duì)難以鑒別是否冒落而一時(shí)難以撬下的懸石,采取交接班制度、臨時(shí)支護(hù)措施或用小支藥爆破崩落對(duì)范圍較大明顯的巷道變形和片幫,應(yīng)及時(shí)撤離設(shè)備人員以防塌方,加強(qiáng)井下安全標(biāo)志牌的建立,對(duì)重點(diǎn)防范地段設(shè)立警示牌,防止人員誤入。

改變采礦方案和開(kāi)采順序。根據(jù)地壓大和矽卡巖圍巖承載能力弱的礦山特點(diǎn),盡量采用無(wú)底柱崩落法開(kāi)采,能起到“誘導(dǎo)落項(xiàng)、設(shè)置回收進(jìn)路”的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)作用,先掘進(jìn)和回采第一層進(jìn)路,將頂板壓力用采空區(qū)隔斷,再掘進(jìn)巷道進(jìn)行采礦。同時(shí),采取合理的采礦順序,滿(mǎn)足礦體賦存條件和多中段同時(shí)作業(yè)的要求。隨著礦山生產(chǎn)向深部開(kāi)采,空區(qū)越來(lái)越大,使仍然采用有底柱崩落法的采場(chǎng)大多處于空區(qū)邊緣的地應(yīng)力集中區(qū),壓力也越來(lái)越大,更增加了該方法的難度,深部礦體回采應(yīng)采用無(wú)底柱“崩落卸壓”開(kāi)采方法。

3.2 加強(qiáng)井下探放水工作,預(yù)防水害。

礦區(qū)內(nèi)一方面由于民采小礦點(diǎn)眾多,開(kāi)采無(wú)規(guī)律,其開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采位置、采空區(qū)形態(tài)及現(xiàn)狀均不清楚,采空區(qū)老窿水對(duì)礦山生產(chǎn)是一個(gè)大的隱患;另一方面,西石門(mén)鐵礦屬于中奧陶馬家溝灰?guī)r,深部開(kāi)采容易引發(fā)巖溶水突水危害,因而礦山水害應(yīng)引起足夠的重視,采取相應(yīng)的措施,保證礦區(qū)安全生產(chǎn)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。礦區(qū)應(yīng)充分利用現(xiàn)代水害探測(cè)技術(shù),將物探和鉆探技術(shù)相結(jié)合,首先利用地表物探技術(shù)探明老空區(qū)水害存在的大致范圍,在利用地下鉆探技術(shù)有的放矢進(jìn)行探放水工作。盡可能地查清其分布情況、現(xiàn)狀、充水狀態(tài),編制專(zhuān)門(mén)應(yīng)對(duì)方案,采取嚴(yán)格的防范措施,防止突水。

根據(jù)地表和井下不同情況分別進(jìn)行。地表應(yīng)加強(qiáng)水文氣象調(diào)查,了解地表水情況,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)馬河河床的人工改造,防止馬河洪水下灌。了解地表陷落移動(dòng)區(qū)面積,掌握地表水變化規(guī)律,井下應(yīng)結(jié)合采掘生產(chǎn)實(shí)際情況,地表做好泄洪溝渠,在雨季及時(shí)攔水、疏水、排水。

4 結(jié)語(yǔ)

近年的生產(chǎn)實(shí)踐表明,西石門(mén)鐵礦通過(guò)不斷改進(jìn)開(kāi)采方案、優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、加強(qiáng)井下水害的探防水工作等技術(shù)手段,同時(shí)通過(guò)加大地壓工作的安全管理,做好地壓的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控工作,成立防治水機(jī)構(gòu),建立健全礦井水害防治技術(shù)工作責(zé)任制,堅(jiān)持“有疑必探,先探后掘”的原則,有效地減小了地壓等災(zāi)害的發(fā)生,大大降低了井下采掘事故,取得了令人欣慰的安全效果,為井下生產(chǎn)提供一個(gè)安全的作業(yè)環(huán)境。

[1] 采礦手冊(cè) [M].第4卷.北京:冶金工業(yè)出版社,1990.

[2] 李清望,任鳳玉,侯建光,等.西石門(mén)鐵礦南區(qū)采空區(qū)的冒落規(guī)律分析 [J].中國(guó)礦業(yè),2001,10(3):42-44.

[3] 任鳳玉,陶干強(qiáng),王家寶.西石門(mén)鐵礦自落頂設(shè)回收進(jìn)路的無(wú)底柱分段崩落法試驗(yàn)研究 [J].采礦技術(shù),2001(6):38-41.

[4] 任鳳玉,陶干強(qiáng),李清望,等.西石門(mén)鐵礦南區(qū)崩落卸載采礦法試驗(yàn)研究 [J].中國(guó)礦業(yè),2003,12(1):39-41.

[5] 劉航.西石門(mén)鐵礦采礦工藝安全性分析研究 [J].西部探礦工程,2006,121(05).