無底柱崩落爆破技術(shù)在復(fù)雜多空礦山開采中的實(shí)踐

吳 濤

（中國江西國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司，江西 南昌 330038））

0 引言

目前，我國礦山的開發(fā)程度越來越高，易采富礦的數(shù)量也在逐年下降，國內(nèi)可利用的礦產(chǎn)資源中，復(fù)雜、難以開采的礦山比重越來越高，嚴(yán)重制約了國內(nèi)礦產(chǎn)資源的有效供給。同時，由于礦山的無序開采，造成了大量的礦料流失和空洞的殘留，致使礦區(qū)的采礦狀況變差，提高了采礦的難度。因此，科學(xué)選用礦山開采技術(shù)，確保復(fù)雜、多空區(qū)域礦山的安全、高效開發(fā)，是礦產(chǎn)資源有效供給的唯一出路。本文以復(fù)雜多空的西石門鐵礦為例，在介紹常用礦山開采施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，對無底柱崩落爆破技術(shù)在復(fù)雜多空礦山開采中的實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

西石門鐵礦是中部地區(qū)某礦業(yè)集團(tuán)下屬的重要礦區(qū)，采用無底柱分段崩落法礦山施工技術(shù)，礦井年產(chǎn)量達(dá)2200,000t,是全國有名的施工難度較大的礦山，表面上有一條小溪，礦床通常為1.2～30m，礦層的平均厚度為15.13m，礦床的軸線傾角較小，兩側(cè)的側(cè)向角度通常在10°～30°之間，屬于中、慢傾斜的中厚礦床。民采礦點(diǎn)采空區(qū)的分布廣泛，主要集中于礦區(qū)的淺層至Om中段?？諈^(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部分都已塌陷，一些空區(qū)積水嚴(yán)重，對西石門鐵礦生產(chǎn)構(gòu)成了巨大的危險，對開采工作也產(chǎn)生了很大的影響，導(dǎo)致礦井開采速度過快，采區(qū)后續(xù)資源不足，產(chǎn)量銜接緊張，開采難度加大，生產(chǎn)礦石品位低下等問題。

圖1為西石門鐵礦南區(qū)生產(chǎn)狀態(tài)圖。多空區(qū)的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，開采困難也就越大，西石門空區(qū)有大量的噴落物，很可能會提前滲出，造成礦床的貧化。另外，在下盤內(nèi)存在大量的軟硬硅卡巖、易于上浮的煤層和多空區(qū)引起的開采場壓等問題。由于礦山施工所處的自然環(huán)境條件較為惡劣，礦井空間相對狹窄，且呈現(xiàn)高壓、粉塵和潮濕的特征，對工程安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。且參與礦山施工的機(jī)電設(shè)備長期高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)，難免會在過程中遇到大量的摩擦、損壞，這就加快了設(shè)備老化和產(chǎn)生故障的速度，加上設(shè)備的長期養(yǎng)護(hù)不力等原因，導(dǎo)致設(shè)備存在巨大的安全隱患，繼而引發(fā)嚴(yán)重安全事故[1]，如在運(yùn)行中出現(xiàn)起重機(jī)墜落等事故，不但會影響工作進(jìn)度，還可能會導(dǎo)致人員傷亡[2]。

圖1 西石門鐵礦南區(qū)生產(chǎn)狀態(tài)圖

鑒于上述多空區(qū)礦體開采面臨的諸多問題，并根據(jù)礦區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐，提出針對此類礦體的高效開采施工技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)提高礦井生產(chǎn)能力和安全高效開采的目的。

2 常用礦山開采施工技術(shù)

2.1 礦井空場法開采施工技術(shù)

在采礦作業(yè)中，最常見的空場法，可以用于礦井和礦柱等的采掘，突破了采礦的限制，以礦柱為依托，保證工作人員在正常開采時，可以大面積地開發(fā)新的資源。該技術(shù)需要相關(guān)的設(shè)備和儀器支撐，對采掘過程進(jìn)行監(jiān)控，增加采收率。

2.2 綜合類型施工技術(shù)

在采礦過程中，常常采用的是復(fù)合式采礦技術(shù)，如硬頂煤技術(shù)。硬頂煤技術(shù)包括了爆破、高壓注水等技術(shù)，這種技術(shù)可以用于大型煤礦的開發(fā)，開采中需對工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制管理，才能達(dá)到使用要求和開采效果。

2.3 礦山崩落施工技術(shù)

礦山崩落技術(shù)在礦井生產(chǎn)中占有重要地位，包含了分層崩塌、階段崩塌等技術(shù)。利用崩落技術(shù)可以對地層壓力進(jìn)行有效控制，在圍巖區(qū)的開采中具有良好效果。并且，在機(jī)械的協(xié)助下，可降低工作人員數(shù)量，保證采礦作業(yè)人員的安全，有效節(jié)約成本。

2.4 斜層礦產(chǎn)施工技術(shù)

煤礦生產(chǎn)中因其地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在實(shí)際采礦過程中往往會發(fā)生傾角，給開采工作造成很大的困難。對于煤礦井下的傾角問題，必須運(yùn)用儀器等技術(shù)手段進(jìn)行持續(xù)深入調(diào)查，以便在出現(xiàn)相關(guān)問題時，能夠及時采用合理的方法保證礦井的安全生產(chǎn)。在運(yùn)用儀器時，要選用小型儀器，以方便工人的操作，增加作業(yè)的效能；同時，還要對礦區(qū)的支撐進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其能夠滿足要求，防止礦山的破壞。

3 西石門鐵礦開采方案的創(chuàng)新

3.1 施工方案的選擇

根據(jù)對西石門鐵礦的實(shí)地考察和礦巖穩(wěn)定性的研究，發(fā)現(xiàn)其礦體為緩慢斜坡，上部的灰?guī)r節(jié)理裂縫多，穩(wěn)定性差，而下盤的閃長巖石則相對穩(wěn)定，在灰?guī)r與閃長巖體間的硅卡巖層巖性疏松、不穩(wěn)定。西石門礦區(qū)針對頂板的不穩(wěn)定性，采用崩落法采礦。崩落法采礦包括有底柱崩落法和無底柱崩落法。在有底柱崩落法中，電耙巷道設(shè)在硅卡巖中，由于巖石的軟弱、地質(zhì)壓力和爆破震動等因素，造成了多處損壞，開采效果不佳，產(chǎn)量大打折扣。而在無底柱崩落法采區(qū)，通過多年的實(shí)踐，尤其是在深部硅卡巖礦體的開采過程中，已有了比較成熟的巷道開挖和支護(hù)技術(shù)，使無底柱崩落法對不穩(wěn)定巖體的適應(yīng)能力得到了改善。

由于礦山開采深度的增大，深部礦體逐漸變細(xì)，無底柱分段崩落方法顯示了不適應(yīng)情況。一方面，由于礦區(qū)的壓力較大，導(dǎo)致了支撐的位移加速；另一方面，采用這種方法開采的單一煤層開采比重加大，并且由于頂板的不能隨采、塌落區(qū)域的礦體無法得到高效的回收，導(dǎo)致了礦山回收率下降?；谝陨显?，綜合目前礦區(qū)崩落采礦技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)的目的，本文介紹了一種采用無底柱崩落爆破技術(shù)改造礦井的新工藝，合理利用多個空洞的新的采礦方法。

3.2 礦山施工方案的設(shè)計

3.2.1 分區(qū)方案選擇

經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)40m以上的礦山大多為殘余開采，-40m以上的主要是下盤賦存厚層矽卡巖的多空區(qū)礦體；-40m以下的主要是受深度的影響，大多數(shù)仍然是礦體。為了達(dá)到“低‘貧礦’”和“低‘富礦’”的同時開發(fā)目的，劃分邊界應(yīng)以-40m為好（如圖2所示）。通過這種方法，在全礦體系中，上段含有殘余礦的多層礦與下層礦可以同時進(jìn)行，從而解決了上礦單一工作面生產(chǎn)礦石品位低、生產(chǎn)能力低、生產(chǎn)效率低的消極狀況，依靠上、下分區(qū)貧富并用，使礦山生產(chǎn)能力、品位和采掘效率得到了改善。

圖2 上下雙工作面分區(qū)回采示意圖

3.2.2 “上下分層”方案優(yōu)勢

西石門鐵西區(qū)礦區(qū)劃分采用了“上下分層”的方法，與以往采用的由上向下分層、單一工作面的方法相比較，本設(shè)計方案有三個主要特點(diǎn)：

（1）多了一個回采工作面，產(chǎn)量可以大幅提高；

（2）下層原生礦體數(shù)量多，出礦質(zhì)量也比較高，與上層低礦配合使用，可以完全恢復(fù)整個礦區(qū)；

（3）頂部的尾礦圍巖滯后冒落所造成的空場出礦狀況，可以防止上層巖石的早混，降低礦體的貧化率，實(shí)現(xiàn)“貧富兼采”。但新的開采計劃能否得到安全、高效的執(zhí)行，其核心問題是如何確保下分區(qū)第一期的開采期長短，下段開采時間越短，兩層工作面開采越安全。

3.2.3 崩落法施工方案的確定

無底柱分段崩落采礦法是將各段按段進(jìn)行分層開采；各區(qū)段又分為若干條，各條中各有一條采巷；分條中沒有特殊的下層構(gòu)造，只在回采巷中進(jìn)行下料和搬運(yùn)。礦層的開采是按照從上往下的次序進(jìn)行的。在開采過程中，開采出了被覆的塌陷圍巖，使其充滿采空區(qū)。分條開采是在回采巷道中開挖上向扇形的炮眼，采用較短的崩塌步距（1.5～3m）對崩落區(qū)進(jìn)行擠壓和爆炸；落下的礦體在松軟的覆巖層中，由回采裝置將其從采巷道端底送至溜井。

在崩落法上下分區(qū)的礦山施工方案中，根據(jù)采礦需要的覆巖采用了巖體冒落特性形成。所以，這一設(shè)計需要達(dá)到連續(xù)冒落的臨界值，而當(dāng)頂部的巖體有較好可冒性時則更加合適。崩落法是在覆巖層下方開采，由于礦體傾斜較大、延伸較小，上分區(qū)會因下部分段回采崩落而造成工程損壞。在此項工作中，崩落開采的礦體傾角不大于40°，為緩傾斜～傾斜的一種礦體。該方法在小傾角情況下較為適合，特別適合于緩傾斜～傾斜的礦體，可以較大幅度提高開采能力。

3.3 支護(hù)技術(shù)方案

通過對礦井支護(hù)結(jié)構(gòu)失效的原因剖析發(fā)現(xiàn)，由于圍巖穩(wěn)定性差和不能按時支護(hù)而導(dǎo)致的支護(hù)失效。這兩個成因都緣于對軟巖特性缺乏理解。因此，從綜合防治的觀點(diǎn)出發(fā)，對石門鐵礦軟碎礦的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了改造。

通過實(shí)地考察，得出了支護(hù)失效的兩個主要影響因素：巖石破裂和地面壓力較大。因此，針對這兩個條件并存的礦井，建議采用噴錨網(wǎng)法+U形伸縮式金屬拱橋組合支撐技術(shù)。為了確保其良好的支撐性能，必須將拱架與隧道截面緊密結(jié)合，在縫隙中填充對開式木材，并且在拱肋間采用焊接接頭，以確保整體性。在施工過程中，應(yīng)先進(jìn)行噴錨網(wǎng)的建設(shè)，然后進(jìn)行U形伸縮式金屬拱橋的建設(shè)，以確保其具有高的承載力和大的變形，從而可以在使用過程中滿足連續(xù)支撐需求。

4 結(jié)束語

在礦山工程施工過程中，必須對各個工序進(jìn)行認(rèn)真檢查，并嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工。要遵循“先調(diào)整、后計劃、后施工”的科學(xué)施工流程，充分利用礦井地質(zhì)工程勘察的作用，以提供科學(xué)、準(zhǔn)確、具體的礦井地質(zhì)工程資料，為礦山工程施工技術(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計提供依據(jù)，確保后續(xù)施工安全和開采效率。本文所探討的復(fù)雜多空礦山的開采，不僅再一次證明了遵循“先調(diào)整、后計劃、后施工”的科學(xué)施工流程的重要性，也證明了無底柱崩落爆破技術(shù)對復(fù)雜多空礦山開采的適用性。