采空區(qū)穩(wěn)定性論證

陳建平

（福建省潘洛鐵礦有限責(zé)任公司， 福建漳平市 364405）

采空區(qū)穩(wěn)定性論證

陳建平

（福建省潘洛鐵礦有限責(zé)任公司， 福建漳平市 364405）

潘洛鐵礦經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采后，在井下形成了多個(gè)大小不等、形態(tài)復(fù)雜的采空區(qū)。通過(guò)對(duì)采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、礦巖取樣及圍巖節(jié)理裂隙的綜合分析，對(duì)現(xiàn)有空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了論證，為后期礦塊采礦設(shè)計(jì)的礦柱留設(shè)、礦房跨度及空區(qū)頂板暴露面積的確定提供了參考依據(jù)。

采空區(qū)；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查；巖體分級(jí)；穩(wěn)定性分析

1 礦井概況

福建省潘洛鐵礦有限責(zé)任公司始建于1958年，早期為露天開(kāi)采，1993年隨著1＃、3＃主礦體露天開(kāi)采完畢，逐步由露天開(kāi)采轉(zhuǎn)向地下開(kāi)采，目前已形成坑內(nèi)開(kāi)采和淺部小礦體兩大開(kāi)采系統(tǒng)。全礦設(shè)計(jì)采礦生產(chǎn)能力為45萬(wàn)t／a，其中坑采系統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)為25萬(wàn)t／a，淺部小礦體系統(tǒng)為20萬(wàn)t／a。礦區(qū)內(nèi)鐵礦體主要賦存在船山組底部的矽卡巖中，部分小礦體賦存于花崗巖邊部的矽卡巖中，其余均賦存于統(tǒng)林組碎屑巖與船山組灰?guī)r之間的層間斷裂中?？硬上到y(tǒng)主要開(kāi)采4－14線間的131＃、23＃、122＃、2＃等礦體，這4個(gè)主礦體儲(chǔ)量均達(dá)百萬(wàn)噸。該系統(tǒng)一期設(shè)計(jì)有＋130，＋100m兩個(gè)中段，開(kāi)采地質(zhì)儲(chǔ)量為514萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量為317萬(wàn)t；二期設(shè)計(jì)有＋70，＋40m兩個(gè)中段，開(kāi)采地質(zhì)儲(chǔ)量為589.6萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量為442.8萬(wàn)t。目前＋130m中段的開(kāi)采已結(jié)束并作為回風(fēng)水平，現(xiàn)井下生產(chǎn)主要在＋70m中段，在＋100m中段進(jìn)行殘采，在＋40m中段主要進(jìn)行采準(zhǔn)作業(yè)，局部礦塊回采作業(yè)。

坑采系統(tǒng)采用豎井開(kāi)拓，采用留礦全面法、點(diǎn)柱淺眼留礦法和水平進(jìn)路房柱法開(kāi)采，礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)為階段垂高30m、礦塊走向長(zhǎng)50m、礦塊寬為礦體寬度，若礦塊寬度較大，則在采場(chǎng)中間留設(shè)8m×8 m的礦柱。主要開(kāi)采2＃、23＃、122＃和131＃主礦體及其周邊小礦體，目前已開(kāi)采形成＋130，＋100，＋70 m和＋40m五個(gè)中段。多年的空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采形成多個(gè)大小不等、形態(tài)復(fù)雜的采空區(qū)，隨著開(kāi)采中段的下降，采空區(qū)體積在不斷增加，地壓活動(dòng)明顯，采空區(qū)穩(wěn)定性狀況令人堪憂。因此公司與長(zhǎng)沙礦山研究院合作，對(duì)公司坑采礦井開(kāi)展了采空區(qū)穩(wěn)定性認(rèn)證。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2.1 采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

潘洛鐵礦洛陽(yáng)礦區(qū)南礦段位于礦區(qū)西部，已探明有礦體142個(gè)，其中主采礦體有4個(gè)，即2＃、23＃、122＃和131＃，其規(guī)模較大，含礦性較好，是礦山開(kāi)采的主要對(duì)象，也是采空區(qū)最集中的區(qū)域。采空區(qū)的形狀與礦體相似，總體上近東西向展布，走向多為北東—南東，傾向北東。根據(jù)采空區(qū)和礦體的分布特點(diǎn)，將井下采空區(qū)的集中區(qū)域劃分為2＃采空區(qū)、23＃采空區(qū)、122＃采空區(qū)和131＃采空區(qū)，各采空區(qū)因礦脈的不連續(xù)性，總體特點(diǎn)為采空區(qū)個(gè)數(shù)多，相互不連續(xù)，形態(tài)復(fù)雜，單個(gè)采空區(qū)的規(guī)模不大，根據(jù)開(kāi)采礦量估計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，南礦段采空區(qū)總體積約為65.8m3。較大采空區(qū)的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

2.2 礦巖取樣及試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)礦山實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)采取了礦巖、花崗斑巖、大理巖和矽卡巖4種巖樣，按照試驗(yàn)要求對(duì)巖樣進(jìn)行二次加工和容重、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比及單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

3 工程地質(zhì)調(diào)查與巖體工程分類

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查

潘洛鐵礦礦體個(gè)數(shù)多，礦體連續(xù)性差、形態(tài)復(fù)雜，圍巖種類較多，變化復(fù)雜。為查明開(kāi)采區(qū)域的巖體工程地質(zhì)條件，對(duì)＋130，＋100，＋70m中段揭露的礦巖體進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查和巖體質(zhì)量分類。共對(duì)12點(diǎn)范圍內(nèi)的147條節(jié)理進(jìn)行節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、形態(tài)、地下水狀況等進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，再通過(guò)體積節(jié)理密度換算成RQD指標(biāo)。節(jié)理調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 坑采系統(tǒng)體積較大采空區(qū)的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)

表2 礦巖力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表3 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 巖體工程分類

要進(jìn)行合理的巖體質(zhì)量分級(jí)，選擇適合的巖體分級(jí)方法至關(guān)重要。本次論證采用了RQD值分級(jí)、RMR分級(jí)、Q系統(tǒng)分級(jí)3種分級(jí)方法。

本次節(jié)理統(tǒng)計(jì)換算RQD指標(biāo)時(shí)，采用Palmstrom給出的體積節(jié)理數(shù)Jv與體積RQD之間的相關(guān)關(guān)系計(jì)算：RQD＝115－3.3Jv，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。RMR分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表4。

Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果表見(jiàn)表5。

3.3 巖體分類變化范圍

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出的巖體RQD值、RMR值和Q值的變化范圍見(jiàn)表6。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算與分析

采用Barton“當(dāng)量尺寸”極限跨度分析法從頂板允許跨度、允許暴露面積兩個(gè)方面計(jì)算分析采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性。

表4 RMR分級(jí)結(jié)果

表5 Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果

為了把巖體質(zhì)量Q指標(biāo)與開(kāi)挖體的支護(hù)要求聯(lián)系起來(lái)，Barton定義了一個(gè)附加參數(shù)，稱為開(kāi)挖體的“當(dāng)量尺寸”（等效直徑）De。這個(gè)參數(shù)是將開(kāi)挖體的跨度、直徑或側(cè)幫高度除以開(kāi)挖體的“支護(hù)比”（ESR），即：

開(kāi)挖體不支護(hù)而能保持穩(wěn)定的當(dāng)量尺寸De與巖體質(zhì)量指標(biāo)Q有關(guān)，關(guān)系如圖1所示。

開(kāi)挖體支護(hù)比與開(kāi)挖體的用途和它所允許的不穩(wěn)定程度有關(guān)。對(duì)于ESR，Barton（1976）建議采用表7數(shù)據(jù)。

表6 不同巖組的巖體分類范圍

圖1 無(wú)支護(hù)地下開(kāi)挖體最大當(dāng)量尺寸De與質(zhì)量指標(biāo)Q的關(guān)系

表7 不同開(kāi)挖工程類別的ESR建議值

開(kāi)挖體的最大無(wú)支護(hù)跨度SPAN與“當(dāng)量尺寸”（等效直徑）De和開(kāi)挖比（ESR）的關(guān)系如下式：

ESR為開(kāi)挖體的“支護(hù)比”，根據(jù)礦巖的Q分類結(jié)果，由圖1可以查出，礦巖、花崗斑巖、大理巖及矽卡巖巖體中，開(kāi)挖體不支護(hù)的最大當(dāng)量尺寸De分別為6.6，6.1，6.2，6.4m。當(dāng)?shù)V山巷道作為礦山永久性工程時(shí)，取ESR＝1.6；當(dāng)老空區(qū)及巷道只作為礦山一臨時(shí)構(gòu)筑物時(shí)，取ESR＝3～5。由上述關(guān)系可計(jì)算出4種巖體條件下的最大無(wú)支護(hù)跨度SPAN，見(jiàn)表8。

采空區(qū)作為臨時(shí)構(gòu)筑物，其無(wú)支護(hù)跨度的值取開(kāi)挖體支護(hù)比為3～5時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)礦井調(diào)查、礦巖取樣試驗(yàn)、工程地質(zhì)調(diào)查、巖體工程分類、采空區(qū)穩(wěn)定性理論計(jì)算與分析可得出如下結(jié)論：

表8 無(wú)支護(hù)的最大跨度SPAN計(jì)算結(jié)果

（1）2＃礦體、122＃礦體、131＃礦體及其它礦體頂板或上盤(pán)巖層的巖性主要為矽卡巖，根據(jù)表8的計(jì)算結(jié)果可知，采空區(qū)頂板最大無(wú)支護(hù)跨度為28.5 m，在該跨度范圍內(nèi)，采空區(qū)頂板巖層能保持穩(wěn)定，建議采場(chǎng)最大允許暴露面積為1600m2；

（2）23＃礦體及其它礦體頂板或上盤(pán)巖層的巖性主要為花崗斑巖，根據(jù)表8的計(jì)算結(jié)果可知，采空區(qū)頂板最大無(wú)支護(hù)跨度為26.5m，在該跨度范圍內(nèi)，采空區(qū)頂板巖層能保持穩(wěn)定，建議采場(chǎng)最大允許暴露面積為900m2；

（3）根據(jù)論證結(jié)果，＋100m東7＃礦塊、＋100 m23＃礦塊、＋100m西7＃礦塊、＋70m西2＃礦塊的4個(gè)采空區(qū)跨度局部超寬，頂板及上盤(pán)巖層暴露面積過(guò)大，頂板塑性破壞區(qū)較大，頂板較不穩(wěn)定，需采取必要措施進(jìn)行處理。

［1］張 理，龔 囪，趙 奎.工程巖體分類評(píng)價(jià)方法綜述［J］.有色金屬科學(xué)與工程，2010，1（1）：91－95.

［2］GB50218－94.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

2011－12－22）

陳建平（1972－），男，福建漳平人，工程師，主要從事井下開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、安全的技術(shù)及管理工作，Email：chenjienpin＠126.com。