里伍銅礦采空區穩定性分析

祝 軍

(四川里伍銅業股份有限公司, 四川甘孜縣 626201)

里伍銅礦采空區穩定性分析

祝 軍

(四川里伍銅業股份有限公司, 四川甘孜縣 626201)

通過對里伍銅礦采空區的穩定性及地壓的研究和分析,提出了控制礦區地壓的方法和措施,對該礦以后的開采具有很好的指導作用。

采空區;地壓活動;穩定性;強制放頂

1 礦區地質概況

里伍礦區出露地層為 1套泥沙質沉積變質巖系,屬志留泥盆系(SD)里伍帶(SD12-2),最大出露高度約 1000m,巖石類型簡單,有石英巖、片狀石英巖、片巖及變質巖等。地層呈層狀、似層狀產出,傾向南東,傾角 20°～25°,單斜構造,構造中次級節理發育,西部比東部強烈。礦區斷裂構造有正斷裂組,其延長規模不大,長 170～300m,產狀穩定,斷距小,F3最大也僅 2m,破碎帶寬度小,最寬 3m。逆斷裂組,規模更小,產狀穩定,斷距小,破碎帶寬度最大0.5m,斷層面呈弧形變曲并有分枝,遠離礦體產出,對礦體無破壞。

銅礦床產于志留泥盆系(SD)里伍帶(SD12-2)的沉積變質巖中,礦體呈群出現,共有 26個礦體呈似層狀產出,礦區內有上、下 2礦化帶。2礦化帶在23線一帶層間垂距達 400m,向西至 35線間距縮小至節理平形重疊產出。礦體單一,內部構造簡單。

礦體受江郎背斜控制,傾向南東。上部分布在35線以東的 A1、A2、A3、B1-1、B1、B2等礦體產狀較穩定,傾向 95°～159°,傾角 20°左右;分布在 35線以西的 B3、B4、E5等礦體產狀變化較大,傾向 128°～226°,傾角 20°左右。下部礦體的傾向 109°～142°,傾角 18°～29°。

礦體位于侵蝕基準面以上,地下水位之上,地形有利于自然排水,礦體的底板較穩固,巖體結構完整,工程地質條件良好,水文地質和工程地質條件屬簡單類型。接近地表的巖石和礦石風化較深,其礦巖穩固性較差。

2 采空區穩定性分析

2.1 影響采區地壓活動的因素

里伍銅礦采用全面法和房柱法采礦,到 2009年底,礦山已累計采出礦石 534.6萬 t,采出金屬量16.73萬 t。截止 2009年底已形成上部 4個中段(2860,2840,2820,2800)和下部 2個中段(2720,2700),共有 3處連續成片的采空區,總體積達 26.7萬m3。按目前的生產規模估計,采空區體積將以每年 4萬 m3的速度增加。

由于在采礦過程中,后退式沿間柱用削采法回收了一半以上礦間柱,使連續礦間柱變成了尺寸較小的孤立點柱,也無連續的頂底柱,形成了大全面的采空區。礦體在礦區南緣和北緣的山腰出露,礦體采完后,使頂板和底板之間形成了北、西、南 3面懸空的大面積空區,形成大的懸臂梁。加之有多層采空區和礦體的復合現象,例如:37～43線之間有 5層以上空區,38～41線之間有多層礦體復合,采空區高度大,而礦柱仍然較小。

在其連續開采過程中,采空區暴露面積不斷增大,懸臂梁長度也隨著增大,應力逐漸集中。多層礦體開采的多次擾動和削采法回收礦柱,使頂板穩固性變差,礦柱尺寸縮小,特別是厚礦段的礦柱尺寸。這些因素使得某一礦柱和某一頂板中應力超過了它們的強度,首先引起該礦柱或頂板的破壞,然后波及整個系統,導致了空區大面積垮塌、巖體錯動、頂板下沉、底板開裂鼓起,巷道片幫折斷,地表開裂下陷,山體滑坡崩塌等一系列的地壓活動,導致礦山局部停產,礦量損失,給礦山造成較大的經濟損失。

總之,地壓活動發生的頻率越來越快、涉及的范圍越來越廣,給正在回采的生產中段和整個礦山生產系統造成了很大的安全威脅。

2.2 采空區穩定及地壓研究的成果

(1)采空區周圍的巖體和采空區內的礦柱出現了一定程度的巖體破損,采空區圍巖破損深度約為10～20m,大采空區內的礦柱幾乎全部呈現出塑性屈服。從應力狀況來看,最大剪應力數值為 7.853 MPa,這一數值已經接近或超過里伍礦區巖體的抗剪強度值,井下巖體因剪切而破壞的可能性極大。模擬計算結果顯示,地表出現了拉應力,數值達0.462MPa,這種拉應力的存在是導致地表開裂的重要原因。

(2)隨著開采面積的增大,采區穩定性隨之降低。開采向深部延伸,采區頂板暴露面積增大,地壓增大,垮塌將不斷向深部延伸。在里伍礦區開采技術條件下,當留設的礦柱面積比為 8%時,采區極限暴露面積在 5萬 m2左右;無礦柱支撐時的采空區極限暴露面積為 3000m2左右。深部孤立穩固性較好的礦體的采空區,只要留有足夠的礦柱,可以長期敞空存在。需指出的是,這 2個數值是對完整巖體而言的,當巖體完整性不好或有較大結構面或多層采空區而且層間距又小時,采區極限暴露面積的數值肯定要小一些。例如:礦區南緣 B3、B2礦體出露地表與硫磺崖子大構造相通,礦區北緣 B3-1、B4礦體出露地表與陰山崖子大構造相通,礦區西部有部分含水層,均發生了較大規模的地壓活動。37～43線之間為多層礦體,采空區多達 5層,而且層間距較小,也發生了較大的地壓活動。

(3)采區地壓研究證明,小地壓活動是大地壓活動的前兆。當采空區頂板局部冒落和部分礦柱破壞后,地應力將向周圍頂板及礦柱轉移,使其單位承壓增加,出現新的更大的應力變化。對該類采空區,如果不進行及時處理,將導致地壓活動的重復再現,而且越來越大。同時證明,礦區南緣和北緣山體繼續滑坡是不可避免的。

(4)采空區頂板達到極限暴露面積后,必然自然冒落,當冒落到一定面積后,部分地應力被釋放和轉移,出現新的平衡拱,拱的前腳落在工作面的前方,拱的后腳落在崩落帶上。拱的前后腳即支承壓力帶,在工作面的上方形成壓力降低區。地應力對采礦的影響降低。但當大面積冒落時,有可能出現大的沖擊波危害。下一步開采時,隨著工作面向前推進,擬隔一定距離就對頂板進行切斷,讓頂板巖層自然崩落處理采空區。用有限數值模擬計算方法和基于彈性力學的解釋法對頂板巖層崩落步距(即放頂距)進行了分析計算,二者的結果較為一致,其有關結論是:在巖體完整性較好的地段,頂板巖層合理的崩落步距為 66m;當巖體的完整性不太好時,崩落步距以 33m較為合適。

(5)當多層緩傾斜礦體重疊且彼此間相距較近的時候,如果用空場法從上往下逐層開采的話,則最上一層礦開采時的穩定性跟其它地方單層礦開采的情形一樣,回采可以較為順利地進行,但余下礦層開采時,采場的穩定性就變差了,且越往下穩定性越差,其主要原因在于:每一次應力擾動(即每層礦的開采)均不同程度地削弱了巖體的穩定性。每層礦開采時均會在其底板巖層中產生拉應力區,且量值超過了一般巖體的抗拉強度,而上一層礦的底板就是下一層礦的頂板。對于多層礦體宜采用長壁式崩落采礦法,在采礦的同時,處理采空區。

(6)隨著礦柱高度的增加,礦柱內無論是主應力軸向應力,還是剪應力,均呈現出不斷增大趨勢,其中增加最明顯的是剪應力。剪應力的存在是高礦柱穩定性變差的主要原因。從數值模擬計算的結果來看,當礦柱高度達到 6m之后(長寬均為 3m),礦柱的穩定性已經大為削弱,礦柱高度越大,其穩定性越差。有鑒于此,在礦體厚度較大的地段,建議不要采用這種細長礦柱,而應采用寬長比大一些的礦柱,或者采用別的方法開采。

(7)由于全面強制放頂處理采空區后,往往存在老頂二次來壓的問題,建議不要采取強制放頂的方式,而僅采取切割頂板的方式,這樣做在經濟上要劃算些,且效果不錯。至于切割高度,以挑頂堵塞巷道為原則,根據自然安息角、松散系數和切割巷道的寬度等進行計算,并取一個大于 1的系數。

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2010-08-06)

祝 軍(1970-),男,四川內江人,總經理,工程師,從事礦山管理工作。