皖南某礦井下采場頂板穩定性的分析與探討

劉衛星,童振清

(1.大冶有色設計研究院, 湖北黃石市 435005;2.宣城全鑫礦業有限公司, 安徽宣城市 242005)

皖南某礦井下采場頂板穩定性的分析與探討

劉衛星1,童振清2

(1.大冶有色設計研究院, 湖北黃石市 435005;2.宣城全鑫礦業有限公司, 安徽宣城市 242005)

對皖南某銅鉬礦井下采場頂板穩定性的影響因素進行較為全面的分析,認為影響因素主要分為兩類:一是采場頂板礦(巖)的物質成份、結構構造、力學性質,二是外部環境的擾動。探討了提高該礦井下采場頂板穩定性的措施與工藝。

井下采場;頂板穩定性;影響因素;措施

1 概 述

皖南某礦于1994年投產,采用豎井-盲斜井開拓(-150m以下為盲斜井),采礦方法為“上向水平分層尾砂充填(局部膠結)法”,礦山生產能力380 t/d,礦床為一典型矽卡巖礦床。區內分布著大小51個礦體,主礦體為1號礦體,其次為3號礦體,1、3號礦體的銅儲量占礦床銅儲量的63.6%。按礦體中不同有用組分的不同組合可分為含銅黃鐵礦與矽卡巖銅鉬礦型。2002年前由于銅價與其它因素,礦山在生產過程中以開采1號礦體為主,而1號礦體是矽卡巖銅鉬礦,矽卡巖型銅鉬礦風化帶以下礦體的頂底板較為穩定,2002年底該礦體基本采完。2002年后該礦主要開采3號礦體,3號礦體以含銅黃鐵礦型為主。在開采該礦體的過程中,井下采場頂板時有冒頂事故發生,對采場內的作業人員與設備帶來極大的威脅,成為影響礦山安全生產的重要因素。

2 影響頂板穩定性的因素

影響采場頂板穩定性的因素較多,各因素對井下采場頂板的影響程度也不盡相同,既有單一因素的影響,又有各因素相互作用的影響。這些因素有來自采場頂板礦(巖)體的內在因素,也有來自采場地質體以外的影響。如開采順序、井下相鄰采場的爆破、回采爆破裝藥量、礦房的結構要素、采場頂板暴露時間等。在實際工作中,通常將影響井下采場穩定性的因素分為兩大類:一是地質體的巖石力學性質;二是開采過程中出現的影響因素。

2.1 巖體的力學性質

在影響井下采場頂板穩定性的因素中,巖體力學性質因素較為復雜,頂板的穩定性主要由礦(巖)石結構與構造、孔隙度、地下水對巖石的軟化、水的溶蝕、遇水膨脹、節理與裂隙、斷層等決定。采礦活動可改變采場頂板的原始應力平衡狀態,使原來應力平衡的地質體,再次尋求新的應力平衡。如果應力超過其臨界變形應力時,就會發生礦(巖)體的位移或破壞,導致采場頂板冒落,引發安全事故。

2.1.1 礦(巖)結構與構造的影響

3號礦體采場頂板以含銅黃鐵礦為主,主要有自形晶結構、半自形-他形晶結構、壓碎結構及壓碎斑狀結構;主要有條帶狀(皺紋狀)構造,次為塊狀。主要金屬礦物有黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦、毒砂、黃銅礦和閃鋅礦、方鉛礦等,金屬礦物含量大于80%,脈石礦物少見,主要有蛇紋石、滑石、石英、方解石等。

頂板中金屬礦物黃鐵礦、磁鐵礦、閃鋅礦均呈自晶狀態,非金屬礦物蛇紋石、滑石則蝕變成粉末,呈現非結晶聯結為松散狀,其力學性質大打折扣,抗風化能力較弱,在自然狀態下安息角＜25°,f=＜5,屬中等穩固。

在回采過程中如果礦房跨度過大,而中間又無點柱支撐、一次爆破的藥量過大、長期暴露,則再在其它因素的相互作用下,極易形成大面積的冒頂。

2.1.2 孔隙度的影響

由于頂板主要為含銅黃鐵礦,其孔隙大(12%～19%),且其抗壓強度明顯低于其它類巖石。如果在放炮時裝藥量過大和頂板暴露時間過長,此類頂板的彈性模量急劇減少,頂板自穩條件極差,加之采礦的擾動和長時間的風化作用,地壓隨時都可以顯現。

2.1.3 水對巖石力學性質的影響

區內含水層可分為裂隙巖溶含水層、裂隙含水層和孔隙含水層3類。3號礦體以裂隙巖溶含水層為主,抽水試驗表明,單位涌水量q=1.02～3.02t/h·m,平均滲透系數Kcp=1.55～4.56m/d,礦體內普遍具有水力聯系。由于水能瞬息地或逐漸地改變巖石的狀態,使其強度及形變特性發生變化。

3號礦體主要以含銅黃鐵礦為主,其礦物成份、結構與構造等特性決定了其成為富水與導水體。頂板礦巖由于水分子的介入而改變了巖石內部顆粒間的表面能,使原本結構不緊密的礦(巖)成為松散狀,致使頂板礦(巖)的強度大幅度的降低。由于頂板為富水與導水體,在水長時間的化學作用下,含銅黃鐵礦中的部分膠結物質被水帶走,形成溶蝕作用,降低了礦(巖)的致密性,孔隙度進一步增大,從而使頂板礦(巖)強度降低而出現失穩現象。

2.2 采場結構因素

該礦井下采場沿礦體走向布置,寬12m,其中間柱寬3～5m,采場面積在230m2左右,采礦分層高度在2.5～3.0m,出礦后采空區高度在4.5～5.5 m,屬采空區較高的采場。采場跨度是影響采場頂板穩定性的重要因素,采場暴露面積愈大,間(點)柱的承載的應力也相應的加大。隨回采的上行,間(點)柱的最大主應力重心逐漸偏移,回采高度對間(點)柱的變形和剛度影響愈來愈大。由于逐層回采的原因,每上采一分層的放炮和作業都對本分層的間(點)產生破壞,導致間(點)柱的承載能力逐漸下降。

2.3 爆破因素與暴露時間的影響

由于該礦頂板礦巖物質成份、結構與構造的特殊性,決定了在采礦的過程中應密孔少藥。如用藥量較大,爆炸應力波使頂板形成較厚的應力破壞區,破壞頂板礦巖的整體性,導致頂板冒落。

由于該礦井下采場頂板的暴露時間較長,在水力作用與風化作用的雙重作用之下,受爆破影響的疏松狀頂板礦巖極易冒落。

3 地壓顯現分析

由于3號礦體礦石的獨特結構、構造和礦物成分,以及孔隙度過分發育,其自穩程度極低,回采爆破時裝藥量偏大對頂板的破壞等因素的存在降低了采場頂板的穩定程度,再加上作業循環時間較長等因素為地下水的滲透、溶蝕提供了條件,進一步地降低了頂板的強度,當頂板應力集中達到其極限時,就會發生頂板冒落。

該礦采用的上向水平分層尾砂充填(局部膠結)法開采,在充填過程中,大部分水呈溢流狀排出采場,而部分水則滲透到采場兩側的間柱,采場兩側的間柱因水的作用,其自穩性降低,產生局部片幫,使頂板暴露面積加大,造成頂板失穩而發生冒落。

4 措 施

4.1 觀測與預報

利用巖體聲發射監測技術對井下采場頂板進行監測。該技術具有投資少、攜帶方便、技術成熟的優點,并且在我國許多礦山都有成功的案例。在對采場進行觀測前,首先要研究采場頂板礦(巖)物質成分、結構和構造與頂板礦(巖)強度的關系;研究同一礦(巖)在不同條件下的強度,在同一條件下不同礦(巖)的力學狀態;研究構造在礦體中的分布規律、相互之間的關系以及對采場頂板穩定性的影響程度。在采場中選擇節理裂隙發育、斷層破碎帶、風化程度較嚴重的地段布設觀測點,確定一個觀測孔的影響面積;在一個采場確定監測點的數量、分布位置,使危險處于有效的監測范圍內。定時、定點連續觀測,依據監測數據,并結合采場頂板掉渣、滴水等實際情況,分析預測頂板冒落的時間與影響范圍。

4.2 沉降觀測

由于礦(巖)性質的不同、采場所處構造位置的不同、水力影響的不同、采空區范圍大小的不同,使得不同采場其頂板沉降速率也不盡相同。因此,根據實際情況確定合適的觀測點數量與位置,進行沉降觀測。在主要中段和相鄰中段設置相對較多的觀測點,在不生產的中段設置較少的觀測點。參照點選擇遠離沉降區不受沉降影響的位置,利用水準儀進行閉合觀測。如果礦(巖)體相同時,控制點間隔20m,在礦(巖)體不同且穩定程度較低的地段,一般不大于15m,每周觀測不少于1次。根據觀測結果進行分析,確定觀測體處于休眠期還是活動期,再結合其它手段進行預報。

4.3 強化采場管理

在開采過程中,必須控制采空區面積,在采場中選擇合適的位置預留點柱或半園柱,有效控制頂板暴露面積。由于采用水沙充填,水的溶蝕、導流作用較為明顯,因此縮短作業時間,在水力還不能完全破壞頂板穩定的情況下出完礦、充填好采場。由于3號礦體的特殊性質,爆破對頂板的破壞作用較大,鑿巖、爆破時選擇合適的布眼密度和藥量,避免對點、間柱形成較大的沖擊,降低爆破對頂板的沖擊與破壞。

4.4 聯合護頂

經與同類型礦山的比較,認為可采用注漿式錨桿來維護采場頂板的穩定性。錨桿孔鑿好之后水洗1次,然后再錨桿施工,注漿時適當加大壓力,使部分灰漿滲透到孔的周邊,以加大錨桿的錨固力。加掛金屬條網,以防礦(巖)石碎塊掉下傷害作業人員與設備。注漿錨桿與掛金屬網工藝雖然有所投入,施工工藝也較為麻煩,但可以有效的回收更多的礦石,大幅度地降低落礦后由于不安全的因素造成的礦石損失,使采場內作業人員的安全系數大幅地提高,減少設備事故,雖然增加了部分開采成本,但從經濟效益上看還是顯著的。

5 結束語

隨著經濟的發展,人類對礦產品的需求日趨增加,人員與設備的安全也愈來愈受到人們的重視。因此,礦山對采場頂板失穩現象的研究和采取護頂措施十分必要,不僅能避免因冒頂、片幫引發的人身與設備事故,還能降低采礦過程中的貧化、損失率。采場頂板沉降觀測,可以及時預報因采礦而引起的地質災害,可提高礦山企業的經濟效益和社會效益。

本文的撰寫得到了饒澤民、鈕陽春兩位同志的幫助,在此向他們表示衷心的感謝!

2010-04-19)

劉衛星(1957-),男,湖北黃梅人,大專學歷,高級工程師,主要從事礦山測量與管理工作。