宜昌某磷礦采場穩(wěn)定性分析及安全回采研究

郭 旺，曾文平

（中藍(lán)長化工程科技有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著采空區(qū)體積形態(tài)不斷變化，應(yīng)力也會(huì)進(jìn)行重新分布，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到巖石穩(wěn)定性強(qiáng)度時(shí)，則易引發(fā)起變形破壞，部分位置開始出現(xiàn)冒落，甚至是突發(fā)較大規(guī)模的冒落［1］。在生產(chǎn)實(shí)際中，礦柱尺寸是一個(gè)非常重要的參數(shù)，如果礦柱尺寸過大，回采率就會(huì)降低，浪費(fèi)資源；礦柱尺寸較小，則會(huì)影響采礦作業(yè)安全，帶來生產(chǎn)安全隱患。因此，加強(qiáng)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究工作也非常有必要［2，3］。

1 采礦方法及開采順序

1.1 采礦方法

宜昌某磷礦礦層賦存于震旦系陡山沱組地層中，為隱伏礦，整體呈平緩向北傾斜的單斜構(gòu)造，平均傾角5.5°，礦區(qū)范圍內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

Ph2礦層的頂板為中薄層狀灰、淺灰色含磷白云巖，底板為中-中厚層狀灰、淺灰色含磷白云巖（Ph1礦層頂板）。

Ph1礦層的頂板為中-中厚層狀含磷白云巖（Ph2礦層底板），礦層底板主要為黑色含磷泥巖，少量含磷白云巖。

根據(jù)礦體的賦存特點(diǎn)和礦石的價(jià)值，Ph22礦層采用點(diǎn)柱式空?qǐng)鏊煤笪采俺涮畈傻V法，Ph13礦層采用條帶式空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法。點(diǎn)柱式空?qǐng)龇ㄔ谝瞬貐^(qū)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，工藝成熟，生產(chǎn)工作組織簡單，易于管理，礦塊回采結(jié)束后用相鄰企業(yè)公司重介質(zhì)尾砂充填采空區(qū)；因兩層礦間距較小，為保障下磷層回采安全，對(duì)下層礦采用二步驟嗣后充填法，條帶式兩步驟回采，先采礦柱，然后用尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)，待充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后回采礦房，之后用尾砂充填空區(qū)，并對(duì)充填空間進(jìn)行密閉。

考慮到兩層礦間夾層較薄，兩層礦同時(shí)回采，上層礦回采工作面領(lǐng)先下層礦一個(gè)循環(huán)，形成階梯式回采。

1.2 開采順序

根據(jù)礦體賦存情況，按照自上而下、先高后低的開采順序開采，上層礦領(lǐng)先下層礦一個(gè)循環(huán)。

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及安全性分析

2.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

上層礦礦塊沿走向長100 m，沿傾向長100 m，礦塊間留寬4 m的間柱，頂?shù)字刈呦虿贾?，分段運(yùn)輸巷道布置在頂?shù)字小Ｔ诘V塊內(nèi)沿走向水平布置礦房，礦房內(nèi)留規(guī)則的點(diǎn)柱，點(diǎn)柱尺寸一般為4 m×4 m，沿走向和傾向間隔8 m布置。

下層礦回采將礦塊分成5 m礦的礦柱和7 m寬的礦房，條帶式開采。先采礦柱，待礦柱空區(qū)充填結(jié)束并達(dá)到強(qiáng)度要求后對(duì)礦房進(jìn)行回采，礦房回采結(jié)束后進(jìn)行廢石充填；在礦塊四周留有連續(xù)的間柱，確保下層礦的安全回采。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)全礦區(qū)Ph2礦層礦體平均厚度為3.0 m，Ph1礦層礦體平均厚度為2.5 m，兩層礦之間夾層8.45 m，平均傾角5.5°。采準(zhǔn)工程為沿礦體走向脈內(nèi)布置一條分段巷道，不支護(hù)，掘進(jìn)斷面為14.73 m2。切割工程為在礦塊中部和兩端分別沿傾向脈內(nèi)布置切割上山和回風(fēng)口，頂部沿走向脈內(nèi)布置一條切割平巷，不支護(hù)。

采礦方法脈內(nèi)采準(zhǔn)、切割工程掘進(jìn)均依靠鑿巖臺(tái)車、耙渣機(jī)以及柴油鏟運(yùn)機(jī)完成。根據(jù)頂?shù)装鍘r石樣品力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，其天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為43.42～97.35 MPa，抗剪強(qiáng)度7.0～11.5 MPa，均屬堅(jiān)硬～半堅(jiān)硬巖類。間柱和頂柱較厚，對(duì)采場起到有效的支撐作用。礦塊回采結(jié)束后，立即對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，可有效地控制地壓。

2.2 采場穩(wěn)定性分析

結(jié)合巖體工程實(shí)踐和現(xiàn)代地壓學(xué)說，通常認(rèn)為在礦房進(jìn)行開挖后，只要采場內(nèi)頂板和礦柱能承受頂板圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)巖體的重力，就可保證頂板和礦柱整個(gè)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定［4～6］。

礦塊回采后，忽略礦柱對(duì)頂板圍巖中塑性區(qū)范圍的影響，解卡斯特納方程即可得到頂板圍巖中塑性區(qū)半徑：

式中：R0為開挖半徑／m；P0為開挖處的垂直自重應(yīng)力；c為巖體的內(nèi)聚力，為7.0 MPa；Φ為巖體的內(nèi)摩擦角，為33°。

塑性區(qū)半徑RP受開挖斷面形狀的影響很小，計(jì)算中可近似采用等效開挖半徑即不同斷面形狀的外接圓半徑代替。對(duì)于礦塊，等效開挖半徑R0為：

式中：L為開采空間跨度，即礦塊礦房沿走向長度，96 m；h為開采空間高度，采礦方法中最大采空區(qū)高度，為3.4 m。

開挖處垂直自重應(yīng)力P0為：

式中：γ為頂板圍巖容重，2.86×104N／m2；H為開挖處埋深，平均取600 m。計(jì)算得出塑性區(qū)半徑Pp＝51.45 m。

此時(shí)，頂壓集度為：

計(jì)算得出頂壓集度為1.423 MPa，因此只要頂板和礦柱能承受1.423 MPa，就可保證頂板和礦柱整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.3 礦房跨度分析

一般來說，礦房的跨度越大在礦房頂板的巖體中央部位所受的拉應(yīng)力也越大，在拉應(yīng)力超過其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板便會(huì)發(fā)生破壞。在保持巖體穩(wěn)定、安全的前提下，礦房允許達(dá)到的最大跨度即稱為“極限跨度”［7～9］。

應(yīng)力破壞通常發(fā)生在兩礦柱的最大跨度之間，假定它是材料力學(xué)中兩端固定的平面梁板，計(jì)算時(shí)將其簡化為平面彈性力學(xué)問題，取其單位厚度進(jìn)行計(jì)算。

平面梁板彎矩為：

式中：q為頂壓集度，為1.423 MPa；l為空區(qū)跨度／m。

平面梁阻力矩為：

式中：b為梁寬，這里取單位長度1；h0為頂板厚度，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，礦層直接頂板平均4.0 m。

頂板允許的的應(yīng)力σ許可表達(dá)為式（7）和式（8）。

式中：f為安全系數(shù)，根據(jù)開采深度等條件，安全系數(shù)取值1.8。σ拉為頂板拉應(yīng)力，5.7 MPa。

因此，考慮安全系數(shù)后的采場跨度，得出：

計(jì)算得出礦柱間跨度為8.11 m，取整數(shù)為8 m。

2.4 礦柱尺寸驗(yàn)證

根據(jù)塑性區(qū)公式理解，整個(gè)開采空間跨度上的頂壓為：

礦柱平均應(yīng)力：

式中：M為礦柱布置排數(shù)，為7；N為單排礦柱個(gè)數(shù)，為8；Ap為礦柱橫截面積，為16 m2；s為礦塊礦房傾向斜長，為100.5 m。

計(jì)算得礦柱平均應(yīng)力為15.32 MPa。

礦柱強(qiáng)度：

式中：W為礦柱寬度，為4 m；H為礦柱高度，礦柱高度最大為3.4 m。

安全系數(shù)：

經(jīng)計(jì)算礦柱安全系數(shù)為1.83。

綜上理論計(jì)算，采礦方法中推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是可行的，但是上述計(jì)算是基于較理想狀態(tài)，實(shí)際生產(chǎn)中影響因素復(fù)雜多變，礦山進(jìn)行試生產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行采礦方法試驗(yàn)以驗(yàn)證采場參數(shù)的可行性，并且在生產(chǎn)期間需根據(jù)頂板穩(wěn)定情況調(diào)整礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)。在生產(chǎn)實(shí)際中，礦柱尺寸是一個(gè)非常重要的參數(shù)，如果礦柱尺寸過大，回采率就會(huì)降低，浪費(fèi)資源；礦柱尺寸較小，則會(huì)影響采礦作業(yè)安全，帶來生產(chǎn)安全隱患。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究工作。

3 回采工藝

上層礦礦塊內(nèi)回采是從切割巷道中央向兩端、沿切割上山從上往下退采，并按設(shè)計(jì)要求結(jié)合礦房具體地質(zhì)情況留設(shè)間柱和點(diǎn)柱。即從切割上山端部向兩端切割一條水平巷道，在水平巷道端部切割出回風(fēng)口，待礦房形成順暢的通風(fēng)回路時(shí)從切割上山端部間隔12 m左右拉新一水平切割槽進(jìn)行回采，在回采過程中間隔12 m左右拉下一水平的切割槽，依次進(jìn)行，完成礦房回采。在回采過程中，沿走向間隔8 m、沿傾向間隔8 m，留下4 m×4 m的規(guī)則礦柱，在礦塊四周留有連續(xù)的間柱和頂?shù)字?，以利采場通風(fēng)和頂板管理。

下層礦回采將礦塊分成5 m礦的礦柱和7 m寬的礦房，條帶式開采。先采礦柱，待礦柱空區(qū)充填結(jié)束并達(dá)到強(qiáng)度要求后對(duì)礦房進(jìn)行回采，礦房回采結(jié)束后進(jìn)行廢石充填；在礦塊四周留有連續(xù)的間柱，確保下層礦的安全回采。

1.鑿巖：采用鑿巖臺(tái)車鑿巖，每次回采步距2.5～3.0 m。

2.爆破：炸藥采用2＃巖石乳化炸藥，非電導(dǎo)爆系統(tǒng)起爆。爆破后需加強(qiáng)通風(fēng)，以盡快排出爆破炮煙。

3.撬毛：爆破通風(fēng)后即進(jìn)行撬毛作業(yè)。

4.出礦：對(duì)于厚度大于2.5 m的礦體，坑內(nèi)卡車進(jìn)切割上山由3 m3的電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)裝礦；對(duì)于厚度小于2.5 m的礦體，坑內(nèi)卡車不進(jìn)采場，采場內(nèi)礦石由2 m3的電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)搬運(yùn)到集中裝載點(diǎn)，然后由扒渣機(jī)裝載。

5.采場通風(fēng)：利用中段運(yùn)輸巷道進(jìn)風(fēng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)切割上山流向兩側(cè)采礦工作面，在工作面布置局扇加強(qiáng)通風(fēng)，沖刷采場后的污濁風(fēng)流經(jīng)采場回風(fēng)口進(jìn)入上一水平分段巷道，通過回風(fēng)井排出地表。

4 回采安全措施

4.1 通風(fēng)安全措施

坑內(nèi)所有機(jī)電硐室供給新鮮風(fēng)流，采用貫穿風(fēng)流對(duì)采場進(jìn)行通風(fēng)；在通風(fēng)不良的采場或者掘進(jìn)工作面需安裝局扇進(jìn)行輔助通風(fēng)；獨(dú)頭工作面有人作業(yè)時(shí)，局扇連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 防排水安全措施

在掘進(jìn)工作面或其它地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有透水預(yù)兆時(shí)，必須立即停止工作，及時(shí)報(bào)告并采取相應(yīng)措施。情況緊急時(shí)必須立即發(fā)出警報(bào)，撤出所有受水威脅地點(diǎn)的人員。

4.3 防塵措施

采掘工作面鑿巖采用濕式鑿巖，裝礦工作面采用噴霧灑水，以降低粉塵濃度。

4.4 爆破安全措施

有冒頂危險(xiǎn)、工作面支護(hù)損壞、通道不安全或通道阻塞、工作面有涌水危險(xiǎn)、危及設(shè)備或構(gòu)筑物安全而無有效防護(hù)措施、危險(xiǎn)邊界未設(shè)警戒、光線不足或無照明等情況下禁止進(jìn)行爆破作業(yè)；裝藥、堵塞、警戒、爆破后的安全檢查以及盲炮處理等工作必須遵守《爆破安全規(guī)程》規(guī)定。嚴(yán)禁在殘眼上打孔。

進(jìn)行二次破碎時(shí)，必須設(shè)置警戒標(biāo)志。在確認(rèn)爆破危險(xiǎn)區(qū)無人的情況下，方準(zhǔn)起爆；在爆炸危險(xiǎn)場所必須使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火、防爆型電氣設(shè)備，其它電氣設(shè)備設(shè)置過載、過電流、短路、漏電等電氣保護(hù)裝置。

4.5 開采過程安全措施

礦山開采過程中須遵循一定的開采順序：沿礦體走向400～600 m劃分一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)高度即為中段高度，中段內(nèi)由兩翼往中間退采，盤區(qū)內(nèi)由上往下開采；先采上層礦再采下層礦，上層礦超前下層礦開采。生產(chǎn)中根據(jù)頂板穩(wěn)定情況及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用合理的回采工藝。在礦石回采的同時(shí)，按設(shè)計(jì)的作業(yè)順序，對(duì)上層礦進(jìn)行采空區(qū)廢石和尾砂充填，對(duì)下層礦進(jìn)行膠結(jié)和尾砂充填。

生產(chǎn)時(shí)采場、進(jìn)路等作業(yè)面必須有良好的照明。報(bào)廢的巷道和硐室的入口，需及時(shí)封閉。封閉之前，入口處需設(shè)有明顯標(biāo)志，禁止人員入內(nèi)。

4.6 頂板管理安全措施

礦山生產(chǎn)中必須建立頂板管理制度，并有專人負(fù)責(zé)檢查頂板的安全狀況。設(shè)計(jì)礦塊回采期間，每次爆破后、下一班上班前應(yīng)敲幫問頂，處理浮石。對(duì)于不穩(wěn)定空區(qū)頂板進(jìn)行錨桿掛網(wǎng)護(hù)頂支護(hù)，以維護(hù)頂板的穩(wěn)定性，錨桿采用砂漿錨桿，直徑Φ20 mm，長度2 m，間排距分別為800 mm、1 000 mm，菱形布置，參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。同時(shí)采用便攜式聲波監(jiān)測儀對(duì)采場頂板實(shí)施監(jiān)測，確保采場作業(yè)人員的安全。由于礦區(qū)兩層礦平均相距8.5 m左右，需格外注意下層礦（即Ph1礦層）回采時(shí)頂板的安全管理工作，礦房回采結(jié)束后充填采空區(qū)。同時(shí)對(duì)于下層礦礦柱的留設(shè)需進(jìn)行放線測量，盡可能保證下層礦礦柱的平面位置和上層礦留設(shè)礦柱平面位置重疊，以改善下層礦礦柱的受力狀態(tài)，保證回采工作面頂板的安全。

4.7 出礦安全措施

鏟裝作業(yè)時(shí)，應(yīng)在采場指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，并嚴(yán)禁非工作人員進(jìn)入。禁止用鏟斗或站在鏟斗內(nèi)處理浮石，不得用鏟斗破碎大塊。車箱裝載不應(yīng)過滿，作業(yè)人員操作時(shí)操作位置上應(yīng)有防護(hù)板。

同時(shí)還應(yīng)滿足以下要求：

1.鏟運(yùn)機(jī)駕駛員必須經(jīng)專門培訓(xùn)考試合格并取得“特種作業(yè)操作證”后方可上崗作業(yè)，司機(jī)不得將車交給無證人員駕駛，未經(jīng)批準(zhǔn)不得駛離作業(yè)區(qū)。

2.開車前，認(rèn)真檢查車輛各部位是否運(yùn)行正常，發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)立即排除。

3.鏟裝作業(yè)前，要清理道路上的石塊和其它障礙物，檢查作業(yè)點(diǎn)通風(fēng)是否良好，頂板及兩幫是否有浮石，駕駛員防護(hù)棚是否安全可靠等，以確保鏟裝作業(yè)的安全，柴油鏟運(yùn)機(jī)在作業(yè)過程中必須開動(dòng)局扇進(jìn)行局部通風(fēng)。

4.當(dāng)距鏟運(yùn)機(jī)2 m之內(nèi)有人作業(yè)時(shí)，不準(zhǔn)進(jìn)行鏟裝和卸載作業(yè)；人員進(jìn)入鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)進(jìn)行檢查和作業(yè)，必須以燈光或其它警示信號(hào)通知鏟運(yùn)機(jī)駕駛員，駕駛員發(fā)現(xiàn)警示信號(hào)后，立即停車。

5.鏟裝作業(yè)時(shí)，鏟斗裝載不得過滿，防止運(yùn)輸時(shí)灑落礦（巖）石；往坑內(nèi)卡車裝礦時(shí)，要低速進(jìn)入裝載區(qū)，并保證裝載區(qū)上部有足夠的空間，注意照明、電線以及管路等設(shè)施不受破壞。

6.其它安全措施。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，對(duì)地下開采作業(yè)影響較大?；ㄉa(chǎn)過程中應(yīng)通過基建生產(chǎn)探礦進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)區(qū)內(nèi)斷層控制和研究，巷道通過斷層發(fā)育地段時(shí)應(yīng)采用超前鉆探，提前探明斷層的規(guī)模、富水性或?qū)裕瑫r(shí)加強(qiáng)巷道支護(hù)，必要時(shí)應(yīng)采用超前支護(hù)。

7.專用安全設(shè)施。采礦方法和采場的專用安全設(shè)施見表1。

表1 采礦方法和采場的專用安全設(shè)施表

5 新采空區(qū)處理

因采用普通房柱法采礦，開采一段時(shí)間后會(huì)留下采空區(qū)，采空區(qū)處理工作極為重要，一般情況下采取如下安全措施：

1.礦塊回采過程中，保留規(guī)則的點(diǎn)柱和連續(xù)間柱，達(dá)到臨時(shí)支護(hù)頂板的目的，以保證作業(yè)安全。生產(chǎn)期間，需根據(jù)頂板穩(wěn)定情況優(yōu)化礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.設(shè)計(jì)對(duì)上層礦采空區(qū)進(jìn)行廢石和尾砂充填，對(duì)下層礦采空區(qū)采取膠結(jié)和廢石充填相結(jié)合的方式保障回采安全。

3.根據(jù)安監(jiān)總局［2010］168號(hào)文要求“存在大面積采空區(qū)、工程地質(zhì)復(fù)雜、有嚴(yán)重地壓活動(dòng)的地下礦山，應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性、頂板壓力、位移變化等的動(dòng)態(tài)監(jiān)控”，主要包括頂、底板圍巖及礦柱應(yīng)力隨時(shí)間的變化監(jiān)測、采空區(qū)頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力變化監(jiān)測。設(shè)計(jì)選用光應(yīng)力計(jì)、鋼鉉式壓力盒配頻率儀進(jìn)行監(jiān)測，按間距100 m，在各中段探礦穿脈巷中、礦體上下盤各布置一組測量儀表進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息時(shí)，所有人員應(yīng)立即撤出采空區(qū)，待采取相關(guān)安全處理措施確保安全后再恢復(fù)作業(yè)。

6 結(jié) 語

對(duì)采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析，經(jīng)過理論計(jì)算，得到采礦方法中推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是可行的。進(jìn)行了回采安全設(shè)施的設(shè)計(jì)，包括通風(fēng)、防排水、防塵、爆破安全措施、開采過程安全措施、頂板管理安全措施、出礦設(shè)備安全措施等，為類似礦山生產(chǎn)安全提供參考。