銅坑礦復雜充填體下采場地壓監測分析＊

王少林

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

銅坑礦復雜充填體下采場地壓監測分析＊

王少林

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

銅坑礦 92#礦體開采條件復雜,在Ⅲ、Ⅴ盤區等區域已形成大范圍充填體,采場地壓監測非常重要。進行了周邊采空區與充填體現場調查,開展了系統的采場地壓監測,為礦山安全生產提供了有力的科學依據,最后提出了有效的地壓災害防范措施。

采空區;充填體;地壓監測;聲發射

1 礦山工程地質條件及開采概況

銅坑礦采區有細脈帶礦體、91#、92#礦體三大主要礦體,經過 30多年的開采,井下已經形成相互影響、錯綜復雜的開采格局。近幾年來對 92#礦體進行連續大規模回采,形成了約 100萬 m3的開采空區,其中部分已采用廢石或膠結進行了嗣后充填,形成了大范圍的充填體。隨著采礦作業的持續進行,大范圍充填體周邊巖層的穩固性成為了礦山安全生產必須解決的重要問題。通過一系列的課題研究,著重以 92#礦體Ⅲ盤區作為巖層穩固性分析對象,進行地壓監測研究。

92#礦體賦存于上泥盆統榴江組下段硅質巖中,受地層巖性、地質構造等多方面的影響,開采條件十分復雜。該礦體規模巨大,走向近東西,長 680m,傾向北,傾角 15°～25°,傾向延伸 830m。92#礦體與其上覆的 91#礦體中心部位相連重疊,其余部分均有巖體相隔,其平均垂直厚度為 16.57m,最大垂直厚度達 40m。91#礦體采空區采用棒磨砂膠結充填、塊石膠結充填和廢石充填 3種充填方法進行了全面的充填。92#礦體自開采以來,已對較大的采空區進行了充填,其Ⅲ盤區和Ⅴ盤區有較大面積的充填體。由于充填方式、充填膠結程度及強度的不同,使得充填體下部區域及相鄰區域周邊巖體質量產生差異,導致采場圍巖穩固性也會產生不同程度的變化。且在開采過程中,采場局部應力集中并轉移,引起采場頂板和礦柱破壞,頂板圍巖和充填體穩固性也會受到影響。因此,只有合理的回采,同時加強綜合地壓監測分析,才能保證高效、安全、全面的回收礦石資源。

92#礦體與 91#礦體部分上下重疊。重疊區和非重疊區采礦方法不同,采礦工藝也有所不同。重疊區的礦體采用組合式崩落法,即空場法采礦,嗣后誘導崩落頂板以釋放地壓。采場礦房寬為 20～25m,長為 70～80m,礦柱寬為 12～15m。采準切割工程依照分段空場法布置,并采用大直徑深孔或上向中深孔分段鑿巖崩落礦石。

非重疊區采用連續礦柱空場法回采。礦體以盤區劃分,盤區寬為 100m。盤區礦柱寬為 20m,盤區內劃分礦房,其礦房寬為 25m,礦柱寬為 16m。采準工程依照空場法布置,并采用大直徑深孔、上向大孔豎條崩礦,出礦均采用電耙漏斗出礦。

92#Ⅴ盤區及部分Ⅲ盤區屬于重疊區,Ⅲ盤區內近年來多次發生較大面積的頂板冒落、片幫垮落等地壓活動。隨著盤區內開采范圍的擴大,可能會出現局部應力集中,從而引起頂板和礦柱的破壞。目前在 Ⅲ盤區內,T310、T311、T312、T313、T314、T317采場,均已進行充填作業,充填體體積約為 60萬m3。

2 地壓監測

2.1 地壓監測手段

現場地壓監測分井下與地表兩個部分。地表監測主要是進行巖移監測,采用經緯儀前方交會法和三角高程法測量地表水平和垂直位移。井下地壓監測方法有巖體聲發射監測、水準測量、現場巖層破壞檢查、巖層應力測量等。

(1)巖體聲發射監測方法在銅坑礦的應用較早,目前根據采礦作業的現狀,對井下主要工作區域進行監測網的調整。采用以 24通道聲發射監測系統為主的地壓監測網,對 91#、92#礦體圍巖實行每天24h不間斷監測。采集聲發射波形后,通過自動統計、人工確認,并通過儀器記錄的能量值、事件率、波形圖等來分析井下監測區域內的典型地壓活動特性。通過聲發射監測,可以清晰地掌握巖體內部變形或局部產生微裂隙破壞的信息,從而監測到盤區內巖體的變形和破壞過程,而形成大范圍地壓活動是這些微觀破壞的綜合表現。

(2)水準測量是根據盤區內巖體下沉量,來確定巖體的破壞和巖層移動趨勢,是采場圍巖及頂底板穩固性研究的重要參考依據。對各沉降監測點的測量周期是 1～2個星期。

(3)現場巖層破壞檢查。每日對井下各主要監測區域的巷道圍巖和采場頂底板進行現場檢查,具體記錄具有地壓顯現的地壓活動特征,并對近期地壓監測的現場情況進行分析總結。

2.2 地壓監測結果

充填體圍巖地壓條件的變化,必定會影響到充填體的穩固性。部分采場長期不間斷的地壓監測的典型結果見表1和圖1、圖2、圖3。

表1 現場地壓檢查記錄

圖1 455m水平 T311東聲發射事件數曲線

圖2 T311采場總事件率曲線

圖3 Ⅲ盤區 455水平 0#～203#線水準沉降測量曲線

從采場聲發射事件數曲線來看,采場周邊巖體,出現了局部應力集中,聲發射事件數持續增大;當巖體內部微破壞發生后,應力轉移已完成,巖體聲發射事件數又急劇減少。從巖體本身來看,這正是巖體發生破壞的一個過程。

2.3 地壓監測分析

(1)Ⅲ盤區中腰 505水平 8#線 T316-317東側段系統監測巖音最高事件數為 385次/d,平均事件率為 150次 /d,較前期波動不大,但巷道頂板脫層仍在持續緩慢擴展;6#線南面 T318段近期頂板沉降觀 測結果變化不大,巷道周邊無應力破壞加速現象;Ⅲ盤區底部 455水平 201#線 T311-T312段周邊無新的破壞現象,系統監測巖音平均事件率僅為 50次 /d;201#線南面 T317-T318段仍在繼續緩慢破壞,但無加速現象,該段系統監測巖音最高事件率為87次 /d,平均事件率為 72次 /d。

(2)Ⅴ盤區前期應力加載破壞區域周邊破壞較平緩;560m水平上盤 6#線Ⅴ盤區頂部垮落區邊緣破壞較緩慢,現場監聽巖音事件亦不多;505水平上盤 6#線 T507-T508西側有軌運巷鋼架支護段邊幫有新的少許破碎現象;494水平 91#西南區(T507-T508對應部位)段近期周邊無新的冒落破壞。

92#礦體Ⅲ盤區的采場,由于長期持續開采,采場邊界和頂板圍巖微破壞持續發生,導致承載力下降。在復雜充填體下的采場,受頂板移動的影響,且影響采場頂板及圍巖穩固性的參數不確定。礦房頂板失穩,礦柱的承載力下降,導致盤區兩端礦柱的拉應力逐漸增大,圍巖的穩固性降低,直接影響到整個盤區的充填體及空區的穩固性。

3 地壓控制措施

通過對采場地壓監測資料的整理和總結得出,不同的回采順序對巖層破壞的影響是不同的。最佳開采順序能使待采礦的采場處于比較好的地壓條件下,從而保證在大范圍充填體下采場的安全、高效生產。為優化開采工藝和回采順序,對充填體下的采場回采和空區處理方式進行了調整,主要措施如下:

(1)在盤區內,回采順序采取由西往東和以崩落區中心向外后退的方式回采。

(2)增加保留礦柱的厚度,以分割較大的采空區,減少礦柱的局部承載力,保證頂板的穩固性。

(3)在頂板開裂處,采取合適的頂板處理措施,對頂板進行保護,或者在頂板承壓較大的區域采取誘導崩落頂板的方式來處理采空區,以避免由于頂板造成的地壓災害。

(4)開采后期,采用礦塊階段強制崩落法,連續后退式回采和放礦。

(5)采用合理的爆破順序,以減少對礦房礦柱穩固性的破壞和影響。

(6)采用錨栓等增強充填體的抗變形能力,防止充填體失穩。

4 結 論

通過對 92#礦體Ⅲ盤區等區域的采場地壓進行長期監測,發現充填體在圍巖應力與位移發生變化的情況下,會產生自身失穩,導致周邊圍巖和采場的應力、應變狀態急劇變化,從而產生一系列的地壓活動現象。主要結論如下:

(1)以聲發射監測作為 92#礦體采空區地壓監測的主要技術手段,依靠監測網絡實現連續監測,可以掌握整個監測區域巖體破壞的信息。

(2)以水準測量、應力測量等多種其它監測手段為輔助,針對充填體下復雜難采的礦體進行全方位的地壓監測,有利于全面控制礦體采動過程中的地壓變化。

(3)導致復雜充填體下采場巖層破壞的主要原因是充填體自身失穩,優化采場的開采工藝和回采順序是防范充填體下采場地壓災害的有效措施。

[1] 韋方景,黃道欽,毛建華.銅坑礦厚大礦體安全開采與大范圍地壓監測[J].采礦技術,2009,9(3).

[2] 文衍瑜,劉湘平,羅一忠.大廠銅坑礦地壓監測預報與控制技術[J].采礦技術,2008,8(9).

[3] 王文星.巖石力學[M].長沙:中南工業大學出版社,1999.

[4] 葉粵文,羅一忠.高峰錫礦 100#礦體地壓監測與控制技術研究[J].礦業研究與開發,1998,18(4).

[5] 毛建華,蘇家紅,余陽先.銅坑礦主礦體多層開采宏觀地壓監控技術研究[J].采礦技術,2004,4(12).

[6] 高 峰,周科平,胡建華,等.充填體下礦體開采安全頂板厚度數學預測模型[J].巖石力學,2008,(1).

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2008BAB32B02).

2010-02-28)

王少林(1982-),男,江西萍鄉人,助理工程師,在讀研究生,從事礦山安全科研工作,Email:robbyybaby@163.com。