充填采礦法尾隨作業(yè)及保障措施

盧央澤

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

充填采礦法尾隨作業(yè)及保障措施

盧央澤

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

從增加回采中段和提高礦山規(guī)模出發(fā)，探討了尾隨作業(yè)實(shí)現(xiàn)方式，運(yùn)用數(shù)值模擬方式分析了下階段充填體對(duì)頂?shù)装逄倚蔚V柱影響及對(duì)上階段礦體回采的安全性影響，提出了尾隨作業(yè)安全保障措施，對(duì)選擇提高礦山規(guī)模實(shí)現(xiàn)方式具有一定的借鑒作用。

尾隨作業(yè) 頂板穩(wěn)定性 有限元分析 安全措施

隨著礦業(yè)的快速發(fā)展，礦山開采規(guī)模越來越大，對(duì)地下礦山增加回采中段是加大開采規(guī)模最直接的方式。根據(jù)回采工藝特點(diǎn)，空?qǐng)龇ê统涮罘ǘ加袟l件實(shí)現(xiàn)多階段回采。例如弓長嶺鐵礦空?qǐng)龇?、金川二礦區(qū)充填法等[1]。充填法開采時(shí)可能會(huì)造成中段地壓集中，使該中段回采困難，而采用自下而上尾隨作業(yè)，下一中段的回采超前于上一中段，避免了上、下部中段回采后中段應(yīng)力集中的問題，且尾隨作業(yè)增加了回采作業(yè)面，提高回采強(qiáng)度，年平均下降速度比單中段回采提高約50%。筆者就某充填礦山采用尾隨作業(yè)提高礦山規(guī)模的方式，分析了頂?shù)装逄倚蔚V柱的安全性和保障措施。

1 尾隨作業(yè)實(shí)現(xiàn)方式及過程

1.1 實(shí)現(xiàn)尾隨作業(yè)的技術(shù)條件

某礦南部礦體走向長度平均1 km，主要采用大直徑深孔鑿巖、階段出礦、嗣后充填采礦法，礦塊垂直礦體走向布置，平均長度50 m，寬度15～20 m，高度60 m，運(yùn)輸中段高度120 m。一步采礦塊和二步采礦塊間隔布置，首先回采一步采礦塊，待充填養(yǎng)護(hù)完畢后，回采二步采礦塊，其中一步采礦塊和二步采礦塊出礦高度均為60 m。尾隨作業(yè)見圖1。

1.2 實(shí)現(xiàn)尾隨作業(yè)的過程

按照可布礦塊數(shù)、有效礦塊數(shù)、同時(shí)回采礦塊數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)能力驗(yàn)證?？刹嫉V塊數(shù)統(tǒng)計(jì)是根據(jù)分層平面圖和采礦方法布置，分階段統(tǒng)計(jì)礦塊數(shù)量；有效礦塊數(shù)是剔除不完整塊礦、上下重合不能同時(shí)回采礦塊，并折合成標(biāo)準(zhǔn)礦塊統(tǒng)計(jì)出階段礦塊數(shù)；根據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效礦塊再乘以0.25的礦塊利用系數(shù)求得回采礦塊數(shù)，乘以礦塊綜合生產(chǎn)能力后得出該階段生產(chǎn)能力。礦塊綜合生產(chǎn)能力是根據(jù)采準(zhǔn)切割、回采出礦、充填工序所需時(shí)間與出礦量比求得，因此回采礦塊數(shù)還包括采準(zhǔn)切割、回采出礦、充填工序所需要的所有礦塊數(shù)。

圖1 二步采回采關(guān)系示意

通過上述分析，一個(gè)階段同時(shí)回采的礦塊數(shù)只是占全部有效礦塊數(shù)的1/4，還有3/4的有效礦塊可以利用。由于采用階段充填采礦法，一步采和二步采礦塊間隔布置，達(dá)到階段生產(chǎn)能力時(shí)，單中段工作礦塊的工作面長度需要占階段全部工作面長度的1/2，為尾隨作業(yè)創(chuàng)造了條件。

為實(shí)現(xiàn)尾隨作業(yè)，下中段宜從中間向兩端回采。下部段一步采和二步采間隔布置，先進(jìn)行一步采，待一步充填養(yǎng)護(hù)后，再進(jìn)行二步采，二步充填養(yǎng)護(hù)后，下中段至少有5個(gè)礦塊已充填養(yǎng)護(hù)好，這時(shí)上中段一步采礦塊(下中段對(duì)應(yīng)的一步采礦塊)即可進(jìn)行回采作業(yè)，即上中段尾隨作業(yè)正式開始，上、下中段同時(shí)進(jìn)行。尾隨作業(yè)時(shí)，下中段的生產(chǎn)要超前于上中段的回采，其特點(diǎn)：①上中段采準(zhǔn)工作必須是在下中段充填體上作業(yè)，故對(duì)應(yīng)的充填體必須具備設(shè)備安全行走條件；②上中段回采礦塊與下中段回采礦塊平面距離至少為60 m(具體應(yīng)根據(jù)礦巖和充填體的穩(wěn)定性)以上，遇不穩(wěn)定情況應(yīng)加大間距。尾隨作業(yè)上下相鄰中段回采關(guān)系見圖2。

圖2 尾隨作業(yè)示意

2 尾隨作業(yè)安全分析及論證

尾隨作業(yè)是上中段在充填體上作業(yè)，而充填體因沉縮不會(huì)完全接頂，制約尾隨作業(yè)的影響因素主要有：巖體穩(wěn)定性、原巖應(yīng)力、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、充填體質(zhì)量、回采工藝技術(shù)等。設(shè)計(jì)采用大型有限元分析軟件-ANSYS對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)，以確保礦體的安全回采[2-6]。

2.1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算采用的礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖和充填體力學(xué)性質(zhì)

2.2 ANSYS模擬結(jié)果

應(yīng)力、位移最大值和采場穩(wěn)定性關(guān)系見表2，頂板及充填體礦柱的拉應(yīng)力分布見圖3～圖5。

表2 采場應(yīng)力及位移數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 頂板拉應(yīng)力橫剖面

2.3 結(jié)果分析

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，各采場靠下盤頂板和充填體礦柱底板出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，頂板拉應(yīng)力最大值為0.7～1.1 MPa，對(duì)整體采場穩(wěn)定性不會(huì)造成較大或嚴(yán)重影響。

圖4 充填體礦柱位移分布

圖5 充填體拉應(yīng)力分布

(2)充填體礦柱中最大壓應(yīng)力為0.88 MPa，出現(xiàn)于充填體頂部。從受力狀態(tài)來看，充填體頂部較穩(wěn)定，由于上部覆巖載荷的影響，充填體底板出現(xiàn)了不同程度的拉應(yīng)力集中。

(3)從充填體的位移來看，其最大變形主要出現(xiàn)在充填體中央，相對(duì)變形值一般為0.03%～0.04%，數(shù)值較小，表示充填體和頂板未產(chǎn)生大的變形，頂板上覆巖層的變形很小。

(4)綜上所述，礦巖穩(wěn)固的情況下，頂板極限暴露面積約1 260 m2，為確保上部隔水礦柱不產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，沿礦體走向每200～300 m，垂直礦體走向留30～40 m的條形礦柱，該礦柱要求自上而下統(tǒng)一留設(shè)，且要求上下對(duì)應(yīng)。

3 尾隨作業(yè)保障措施

(1)沿礦體走向，采用由礦床中部向兩翼推進(jìn)回采順序，減輕上部中段地壓應(yīng)力對(duì)回采的影響，為尾隨作業(yè)創(chuàng)造條件。

(2)在礦房、礦柱采場回采過程中，應(yīng)嚴(yán)格實(shí)行留礦爆破，減少采空區(qū)暴露高度?？刂畦弾r偏斜率，以控制采場崩落界線，優(yōu)化鑿巖爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)，選擇合理的起爆順序，控制最大單響藥量，以便有效減少爆破對(duì)采場完整性的破壞。同時(shí)，實(shí)施強(qiáng)化開采，縮短采場回采周期，減少采空區(qū)暴露時(shí)間，加強(qiáng)上、下中段的爆破工作管理，做到同時(shí)爆破，協(xié)調(diào)一致，減少爆破振動(dòng)對(duì)上部礦段礦房及充填體的影響，確保人員及設(shè)備的安全。

(3)加強(qiáng)生產(chǎn)管理，合理布置尾隨作業(yè)生產(chǎn)礦塊。采用自下而上尾隨作業(yè)時(shí)，下中段回采、出礦、充填、養(yǎng)護(hù)，上中段采準(zhǔn)、采切；下中段的一步采和二步采礦塊超前上中段回采，只有下中段礦塊完成充填養(yǎng)護(hù)最后一道工序后，在頂部充填不小于1m的高配比膠結(jié)充填層，當(dāng)充填體養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度至少要達(dá)到設(shè)備行走所要求的強(qiáng)度時(shí)，上部中段才能回采。

(4)采取多點(diǎn)下料、多次接頂?shù)却胧┍ＷC較高的接頂率，加強(qiáng)充填材料特別是水泥的質(zhì)量檢測、充填料配比控制及充填體強(qiáng)度檢驗(yàn),使充填體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本次數(shù)值模擬所使用的力學(xué)參數(shù)都是在地質(zhì)報(bào)告提供的巖體力學(xué)性質(zhì)條件下，類比其它礦山得到的，即未考慮構(gòu)造應(yīng)力的條件下得出的。由于構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性、巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)取樣的局限性、巖體結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性等因素，計(jì)算所需的巖體力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定。因此，模擬得到的絕對(duì)數(shù)值(如應(yīng)力、位移等)與實(shí)際工程可能存在差距。建議在礦山投產(chǎn)后盡早開展采礦方法試驗(yàn)，盡快掌握符合礦山實(shí)際的地壓活動(dòng)規(guī)律，為安全生產(chǎn)提供有力保障。

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2014-07-30)

盧央澤(1981—)，男，碩士，工程師，410011 湖南省長沙市解放中路199號(hào)。