92號礦體圍巖穩定性分析與頂板管理措施探討＊

黃道欽,韋建宏,毛建華

(1.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西河池市 547207;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

92號礦體圍巖穩定性分析與頂板管理措施探討＊

黃道欽1,韋建宏1,毛建華2

(1.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西河池市 547207;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

針對銅坑礦92號礦體目前主要生產區域圍巖穩定性進行了分析評價,采用工程地質調查分析評價結合現場地壓活動觀測結果,綜合判斷作業區域工作面、采場和空區頂板安全狀況,并提出了安全隱患排查、監測、防治等對策與安全管理措施,該套保障圍巖穩定的方法和安全管理措施在生產實際中得到成功應用,取得了良好實效。

圍巖穩定性;礦山地壓;安全管理;頂板管理;安全措施

0 前 言

廣西大廠礦區位于河池市南丹縣境內,為賦存有錫、銻、鉛、鋅、銦、銅等多金屬的大型礦床,與我國其他有色金屬礦山相似,同樣普遍存在工作面和空區頂板的圍巖失穩安全問題。其中92號礦體等厚大礦體因開采規模巨大,圍巖穩定性與頂板管理問題尤其突出。

92號礦體多金屬礦石儲量達3000多萬噸,上部重疊有急傾斜產出的細脈帶礦體、緩傾斜產出的91號礦體。其中,細脈帶礦體在各階段分別采用無底柱分段崩落法、分段空場采礦法、大直徑深孔階段空場法和充填法采礦;91號礦體主要采用嗣后充填的分段空場法或大孔開采,采用水砂膠結充填和塊石膠結充填。92號礦體與91號礦體有很大部分在水平投影上重疊,92號礦體在重疊區采用組合式崩落法回采,非重疊區采用留連續礦柱空場法和頂板誘導崩落連續采礦。由于礦山開采規模大,受多重開采擾動及高大采空區的影響,大范圍頂板和圍巖如有失控則易造成對井下作業人員及設備的危害,這也是我國金屬礦山開發普遍遇到的技術難題。

為杜絕采場或巷道頂板突發性冒落而導致礦山經濟損失和安全事故的發生,針對92號礦體頂板管理,須進行采場頂板巖層穩定性分析,采用科學的頂板管理與控制技術方法,才能達到安全、高效的安全生產技術目標。因此,銅坑礦多年來致力于礦山安全技術研究和實際應用。在92號礦體圍巖工程地質調查研究基礎上,應用工程地質穩定性分析、巖體力學與壓力拱原理、面積承載理論與數值模擬等理論方法,綜合分析圍巖穩定性,落實了一套頂板管理綜合技術方法,結合先進的監控手段,為井下生產作業提供了安全技術保障。

1 圍巖穩定性分析評價

1.1 工程地質調查與穩定性評價

92號礦體賦存在570～255m水平之間,礦床水平分布面積約1km2,礦體頂板圍巖為寬條帶灰巖、泥灰巖及部分硅質巖。礦床水文地質條件簡單,坑道涌水量主要以裂隙構造水為主。根據92號礦體各巖層的現場調查參數及實驗結果,對開挖后頂板的穩定程度及發生冒落的危險性進行頂板安全分類。針對細脈帶、91號和92號礦體和圍巖進行工程地質調查,在635～570,531,505,455,405,386,374m水平等區段揭露采區進行了節理裂隙統計。采用RMR及Q系統分級方法對92號礦體及圍巖的巖體質量進行了評價,在此基礎上對不同采場結構參數情況下的頂板和礦柱穩定性進行了計算分析。

根據現場調查和巖石力學參數試驗成果,92號礦體及圍巖的RMR分級結果見表1,結果表明:92號礦體及圍巖的質量為中等巖體～好巖體。

92號礦體及圍巖的Q系統分級結果見表2,分類結果表明:92號礦體及圍巖的質量為中等巖體～良好巖體。

表1 銅坑礦巖體RMR分級結果

表2 Q系統分級結果

1.2 92號礦體圍巖穩定性計算分析

采用多種方法對采場結構參數進行了計算和分析。根據巖體質量評價結果和室內巖石力學參數試驗成果,選取的力學參數見表3。

表3 巖體介質的力學參數

根據礦山設計的采場結構參數和初步試算結果,采用位移不連續法三維數值模擬對礦房頂板穩定性進行分析,計算結果表明:

(1)細脈帶開采結束后,地表發生垮落,塑性區大多在頂板中心位置,大面積呈現剪切破壞,局部為拉伸破壞,細脈帶所留礦柱處于嚴重的剪切塑性狀態;

(2)91號礦體開采結束后,細脈帶與91號礦體重疊區塑性區連通,出現大范圍應力轉移,細脈帶東北區地表以下幾十米范圍均出現塑性區,91號礦體的空區頂板與細脈帶空區底板塑性區連通;

(3)由于92號礦體的開采,在重疊區92號礦體圍巖及上覆巖層中產生大面積塑性區,重疊區中的塑性區逐步連通至地表;92號與91號礦體的隔離巖層處于塑性破壞狀態,整體穩定性差。

考慮礦區地壓活動等方面因素,采礦范圍擴大和礦柱回采過程中應特別注意空區頂板管理。

2 安全對策措施

2.1 各階段安全隱患排查和綜合分析

影響圍巖穩定性的因素主要有地質構造、地應力、礦山開采和井下采空區充填等。92號開采的地壓活動大部分由采空區引起,整體上主要表現為礦柱破壞、頂板冒落、巖層移動,以及局部的巖層破裂,伴有隨采空區的擴大、地應力調整和應力轉移過程中造成的局部區域的地壓活動。目前地壓活動范圍主要發生在采空區上方及鄰近的周邊區域,部分波及到地表,規模從較小至中等。針對倒三角楔體垮落、沿斷層破碎帶冒落、巖層面滑移、脫層、松散體冒落、幫壁“鼓起”、采場充填體壓壞開裂、采場側壁脫層開裂等頂板圍巖失穩的主要類型,需采取相應的對策措施。

2.2 加強礦山壓力控制與支護

針對92號礦體復雜的結構和高應力環境條件,實行了以下地壓控制和處理措施。

(1)按照三大礦體合理的回采順序,先完成上部細脈帶和91號殘留礦體開采,逐步優化回采92號礦體。遵循分區開采的原則,實行整體地壓控制。

(2)采用適當的采礦結構與支護參數。在礦巖體工程地質與地壓活動規律調查研究的基礎上,針對不同類別的采場,實施各類相適應的支護方案。

(3)實施頂板處理和空區治理的有效措施,緩解92號礦體大范圍開采的地壓活動。

2.3 有效實施采區地壓活動與采場頂板巖層監測

目前采用了綜合性的地壓監測手段,包括:井下巖移水準測量、巷道收斂量測、圍巖位移測量、裂縫變化觀測、巖體應力變化監測、巖體聲波測試、巖體聲發射監測、宏觀地壓的觀測。為及時掌握地壓活動動態,礦山采用多手段相結合,對不同監測手段獲取的信息進行綜合分析,為礦山生產安全提供保障。

2.4 加強安全隱患防治

根據生產進展加強采場頂板控制,及時處理采空區,實行頂板分級管理,加強塌陷區的監測與安全管理,以及其它相應的治理和防范措施。

銅坑礦近年來結合科技攻關研究和安全生產實際,根據圍巖穩定性及地壓活動發展趨勢,采取了相應的監控和預防措施,為了有效控制地壓活動的危害,確保安全生產,制定了地壓觀測和頂板管理及相應的安全措施,針對頂板安全問題,進行規范的技術管理。

3 地壓管理與頂板安全管理制度

3.1 地壓管理制度

為全面系統地監測和分析礦區地壓活動發展趨勢,有效控制地壓活動的危害,確保安全生產,制定了以下地壓管理制度。

(1)地壓技術工作制度:對宏觀地壓觀測,根據礦部年度生產規劃以及上年度的地壓工作總結,制定、編制相應的年度地壓工作計劃。每個季度對礦山當前空區總體分布、地壓活動監測情況進行整理,并上報礦部,由礦部組織相關技術人員定期召開地壓專題會議,分析當前地壓活動的影響因素,評價各區域地壓活動級別,分級劃分管理區域,制定相應的監測和預防措施。每年和科研院所聯合進行礦區次生應力模擬計算,分析和研究礦區地壓活動的發展變化規律,指導地壓監測、預報與控制工作。

對區域地壓觀測,根據不同級別的地壓管理區域,設計監測方法并組織實施,適時根據監測結果分析、預報地壓活動狀況。

針對采場地壓活動,根據采場設計的地壓控制方法執行監控,根據采場地壓活動的發展變化,及時補充必要的監測手段。

(2)現場地壓觀測工作制度:根據安全要求,必須在安全的前提下進行現場地壓工作,現場檢查每組成員要求兩人以上,禁止單獨行動。制定了各條件下地壓監測周期和具體要求,針對地壓活動相對穩定區域、輕微地壓活動區域、地壓活動頻繁區域,以及其它情況下現場地壓檢查等,按不同需要安排現場檢查工作。現場監測記錄由專人負責,必須詳細描述地壓現象,記錄監測數據、拍照等,注明時間、地點并簽名確認。

(3)地壓資料管理制:建立地壓資料電子檔案庫,定期對地壓資料電子檔案進行刻錄保存,方便地壓資料的查詢與調用;按照區域或采場分別建立單獨的地壓活動檔案,記錄其地壓活動的發展變化狀況,便于地壓活動規律的研究工作;根據回采進度或地壓活動變化情況,適時更新地壓資料,包括空區變化圖、文字說明等。

(4)地壓活動匯報制度:根據需要制定了在正常情況、地壓活動異常情況下分級匯報及處理制度。根據各階段實踐總結,提出了初級地壓活動、中級地壓活動以及高級地壓活動確認的具體指標,并在生產實際中不斷改進和完善。

(5)監測儀器、網絡管理制度:制定了監測儀器和網絡的更新與維護辦法。

(6)業務培訓制度:規定了地壓專職監測人員基本技術要求,以及必須具備較強的思維能力,能分析地壓現象,預報地壓活動的發展變化趨勢,設計地壓危害控制措施等。銅坑礦為此由專門技術部門負責上述工作,并將各項安全制度落實到生產部門,嚴格執行各項制度。

3.2 井下頂板安全管理制度

為了確保日常生產活動的安全開展,保證頂板處于受控狀態,制定危險源分級管理制度,對高大采空區等危險源進行有效監控,規范并實施了《井下頂板管理制度》,規定管理制度適用于井下所有生產區域和井下作業人員。并具體制定了井下巷道頂板管理、井下硐室頂板的管理、全面法淺采和硐室淺采工作面頂板邊幫管理、采空區頂板管理、松石處理等規定,以及違章處罰及責任等。對井下頂板、邊幫、松石管理,進行了嚴格的規定,做到發現問題及時處理,并嚴格按規范操作,確保安全。

在實施上述安全制度的同時,采取積極的安全措施,制定和嚴格執行各崗位安全操作規程,包括《松石工安全操作規程》規定,并制定了各項應急措施,譬如《井下工作面(點)發生冒頂片幫事故處置工作應急預案》等。

4 結 論

實踐證明,針對金屬礦山普遍存在的圍巖失穩等危險隱患,通過采用現場觀測分析和科學的頂板管理方法,采取綜合的監控和治理措施,全方位落實安全規范和操作規程,有利于安全管理。通過認真實施,實現了頂板管理的科學化和系統化,大大減少了安全事故,安全生產經濟效益、社會效益顯著。

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國家科技支撐計劃項目(2008BAB32B02-7).

2009-12-14)

黃道欽(1973-),男,廣西浦北人,工程師,主要從事礦山安全生產、地壓和科研管理工作。