巖爆傾向下隱患資源開(kāi)采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)

張海磊 劉武團(tuán) 雷明禮 嚴(yán)文炳 柴衡山 劉 濤

(西北礦冶研究院)

巖爆傾向下隱患資源開(kāi)采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)

張海磊 劉武團(tuán) 雷明禮 嚴(yán)文炳 柴衡山 劉 濤

(西北礦冶研究院)

由于群采空區(qū)的存在和巖爆活動(dòng)的影響，廠壩鉛鋅礦小廠壩礦區(qū)近90萬(wàn)t高品位礦石成為隱患資源無(wú)法采出，嚴(yán)重影響了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合小廠壩礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和充填體作用機(jī)理，對(duì)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度進(jìn)行分析，提出不等強(qiáng)充填概念，確定了不同位置充填體的強(qiáng)度和厚度，并建立了先進(jìn)的地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)踐表明：在現(xiàn)有的條件下，充填是解決礦山安全隱患和回收殘礦的最有效途徑，采用高濃度膏體膠結(jié)充填工藝對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有計(jì)劃、有步驟充填，可實(shí)現(xiàn)隱患資源開(kāi)采和空區(qū)處理的協(xié)同作業(yè)，為同類(lèi)礦山有效控制開(kāi)采時(shí)巖爆帶來(lái)的安全威脅提供借鑒。

巖爆 采空區(qū)處理 隱患資源開(kāi)采 膠結(jié)充填 協(xié)同開(kāi)采 采礦環(huán)境再造

廠壩鉛鋅礦是禮縣柞水成礦帶西成礦田中的一個(gè)大型鉛鋅礦床；小廠壩礦區(qū)開(kāi)采對(duì)象為45～65線的Ⅰ#、Ⅲ2#、Ⅲ8#礦體。隨著開(kāi)采的不斷深入，礦區(qū)內(nèi)已形成大量采空區(qū)， 850m中段部分礦房出現(xiàn)垮塌；巖爆活動(dòng)的影響也已開(kāi)始顯現(xiàn)，800 m中段以下巷道已出現(xiàn)巖石彈射、片幫冒頂現(xiàn)象；小廠壩礦區(qū)內(nèi)有近90萬(wàn)t高品位礦石無(wú)法采出，正常生產(chǎn)安排被打亂，亟需變革采礦工藝，實(shí)現(xiàn)資源的安全高效開(kāi)采。本文基于采礦環(huán)境再造理念和先進(jìn)的地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等手段，采用高濃度膏體膠結(jié)充填工藝營(yíng)造了一個(gè)良好的礦巖開(kāi)采環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)了隱患資源安全開(kāi)采與空區(qū)處理的協(xié)同作業(yè)。

1 礦區(qū)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)位于西秦嶺海西褶皺帶東段，岷縣復(fù)背斜軸部；主要構(gòu)造線方位為東西南，格式呈不完整的“米”字型，壓、扭性結(jié)構(gòu)面均很發(fā)育；由于構(gòu)造及成礦原因，巖層片理普遍發(fā)育，顯示出巖體的各向異性。

1.2 礦巖力學(xué)參數(shù)

按力學(xué)效應(yīng)，廠壩鉛鋅礦礦巖可分為4類(lèi)：①石英片巖、黑云母石英片巖、方解石石英片巖；②黑云母片巖、石英黑云母片巖；③灰白色中細(xì)粒結(jié)晶灰?guī)r、云母條帶狀結(jié)晶灰?guī)r、灰色中粒結(jié)晶灰?guī)r；④鉛鋅礦石。從室內(nèi)力學(xué)測(cè)試結(jié)果看，廠壩礦的礦巖較硬且脆，試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后很快破壞，破壞時(shí)發(fā)出響聲，碎片四處飛散[1-2]。小廠壩礦區(qū)Ⅰ#礦體礦巖物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 小廠壩礦區(qū)Ⅰ#礦體礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

1.3 采礦工藝

礦區(qū)采用淺孔留礦法開(kāi)采,礦塊沿走向布置，長(zhǎng)50 m，階段高50 m，間柱寬8 m。礦房由拉底巷道自下而上分3個(gè)分層進(jìn)行逐層回采，回采后大量放礦。

1.4 群采空區(qū)和巖爆活動(dòng)

1986年以來(lái)，廠壩鉛鋅礦屢遭民采破壞，形成數(shù)百個(gè)不規(guī)則采空區(qū)，初步估計(jì)體積為300萬(wàn)m3。

在礦區(qū)800 m中段以下采場(chǎng)內(nèi)不時(shí)聽(tīng)到巖石開(kāi)裂聲；巷道內(nèi)也出現(xiàn)巖石彈射、片幫冒頂現(xiàn)象(圖1)，支護(hù)工程被破壞?；谖礈y(cè)知度理論，劉濤等人通過(guò)建立礦山巖爆傾向性及危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)模型，確定本區(qū)域?yàn)檩p—中度巖爆[3]。

2 隱患資源開(kāi)采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)方案

在次生應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)的共同作用下，有巖爆傾向采空區(qū)隱患資源呈現(xiàn)出應(yīng)力集中、堅(jiān)固性和穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，難以用傳統(tǒng)采礦方法開(kāi)采。很多學(xué)者認(rèn)為充填法有利于控制礦體開(kāi)采后周?chē)鷰r體內(nèi)的應(yīng)力集中和所聚集的應(yīng)變能均勻釋放，提出了采礦環(huán)境再造思路[4-6]。

圖1 小廠壩礦區(qū)巷道片幫現(xiàn)場(chǎng)

2.1 充填體受力分析

研究和掌握充填體受力狀態(tài)，進(jìn)行客觀地受力分析，確定最佳的充填體配比及強(qiáng)度是協(xié)同方案取得成功的關(guān)鍵。

一步空?qǐng)鲂纬珊?，即進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填，在充填體與圍巖共同作用下，充填體內(nèi)部應(yīng)力分布見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯涮铙w中央應(yīng)力大于上下兩部分應(yīng)力，頂部應(yīng)力大于底部應(yīng)力。

圖2 一步空?qǐng)龀涮詈蟪涮铙w內(nèi)部應(yīng)力分布

當(dāng)一步空?qǐng)霾沙渫瓿?，相隔采?chǎng)拉開(kāi)后，充填體內(nèi)應(yīng)力分布見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，其應(yīng)力分布特征同首采充填后的應(yīng)力分布基本相同，仍是中央高，上下兩部分低，但其數(shù)值有所增加。

圖3 二步空?qǐng)隼_(kāi)后一步空?qǐng)龀涮铙w內(nèi)部應(yīng)力分布

當(dāng)2個(gè)空?qǐng)霾沙浣Y(jié)束后，先充采場(chǎng)的充填體受力未發(fā)生變化，后充采場(chǎng)的應(yīng)力數(shù)值要大于先充采場(chǎng)，但其應(yīng)力分布特征與先充采場(chǎng)應(yīng)力分布特征基本相同，而中間間柱的應(yīng)力明顯增加，見(jiàn)圖4。

當(dāng)中間間柱采空后，空?qǐng)鰞蓚?cè)的充填體應(yīng)力明顯增加，尤其是首采場(chǎng)的充填體更為突出，見(jiàn)圖5。

2.2 充填體不等強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖應(yīng)力的分布特征和充填體的力學(xué)作用機(jī)理，設(shè)計(jì)充填體的結(jié)構(gòu)為不等強(qiáng)結(jié)構(gòu)[7-9]。

底部充填體作為下中段空?qǐng)鲩_(kāi)采的頂柱，要求強(qiáng)度較高，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2～3 MPa，充填高度為10～13 m，采用灰砂比1∶4、料漿濃度65%的充填體。

圖4 二步空?qǐng)龀涮詈蟪涮铙w內(nèi)部應(yīng)力分布

圖5 間柱采空后充填體內(nèi)部應(yīng)力分布

中部充填體是整個(gè)充填體的主體，但承載的巖體和載荷位移較小，設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度為0.5～1 MPa，采用灰砂比1∶8、料漿濃度65%的充填體。

頂部充填體要承受頂柱的作用，限制頂柱巖石的位移，同時(shí)使整個(gè)充填體均勻受壓，還要保證頂柱回采時(shí)鏟運(yùn)機(jī)正常行駛所要求的路面強(qiáng)度，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2～3 MPa，充填高度為5～8 m，采用灰砂比1∶4、料漿濃度65%的充填體。

單獨(dú)空區(qū)處理時(shí)，采用灰砂比1∶10、料漿濃度65%的充填體，強(qiáng)度為0.3～0.5 MPa。

采場(chǎng)內(nèi)充填體強(qiáng)度分布曲線見(jiàn)圖6。

圖6 采場(chǎng)內(nèi)充填體強(qiáng)度分布曲線

2.3 地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立

由于在回采過(guò)程中頻遭擾動(dòng)，空區(qū)及礦柱的受力狀態(tài)往往無(wú)法根據(jù)力學(xué)公式或數(shù)值軟件等進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)地壓監(jiān)測(cè)儀器對(duì)礦區(qū)的地壓更直觀、更清晰地掌握。根據(jù)礦山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用位移、應(yīng)力與聲發(fā)射聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方法。

本礦山巖石為硬巖，采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)，對(duì)人員不方便進(jìn)入的區(qū)域采用ZGY-2型鉆孔應(yīng)力計(jì)，量程為0～30 MPa，測(cè)算精度為0.1 MPa，采用相應(yīng)的讀數(shù)儀；對(duì)于可進(jìn)入?yún)^(qū)域則采用R-50型光彈應(yīng)力計(jì)和礦用手持式光彈讀數(shù)儀。

對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵部位需進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)， YSSC聲發(fā)射儀能夠捕捉巖體內(nèi)部微破裂的信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)損監(jiān)測(cè)。

對(duì)于部分頂板暴露面積較大區(qū)域，需進(jìn)行頂板位移監(jiān)測(cè)，采用SZZX-Q200B型頂板沉降計(jì)，測(cè)量精度為0.01 mm，量程為200 mm；采用GSL-22A智能檢測(cè)儀讀數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)選擇小廠壩礦區(qū)800 m中段55～57線、61～65線和850 m中段55～65線共約23.2萬(wàn)m3采空區(qū)作為首充區(qū)域，為800 m中段57～61線近30萬(wàn)t高品位礦石的回收創(chuàng)造條件。預(yù)計(jì)2015年8月份開(kāi)始實(shí)施。

(2)在現(xiàn)有條件下，充填是解決礦山安全隱患和回收殘礦的最有效途徑?；诓傻V環(huán)境再造思路和先進(jìn)的地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了資源開(kāi)采與空區(qū)處理協(xié)同作業(yè)，為采空區(qū)隱患資源的開(kāi)發(fā)利用開(kāi)辟了一條新的技術(shù)途徑。

(3)減少爆破對(duì)充填體的破壞是協(xié)同開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一，需進(jìn)一步對(duì)充填體進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)加載測(cè)試，確定其抵抗外力破壞的強(qiáng)度；合理選擇爆破參數(shù)并采取切實(shí)可行的保護(hù)措施，使充填體免遭破壞。

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2015-07-13)

張海磊(1990—)，男，助理工程師，730900 甘肅省白銀市。