采場地壓管理

楊春亮

在礦床地下開采中,采場地壓管理是生產工藝之一。他的目的是防止開采工作空間的圍巖失控發生大的移動和威脅人員的工作安全。正確選擇回采期間采場地壓管理方法有非常重要的意義。

在開采空間形成以前,可以認為在井田的小范圍內,原巖體是連續的密實體,其內部應力也是平衡的。開采空間的形成,破壞了原巖應力平衡,產生次生應力場,圍巖會出現局部應力集中升高、降低、拉壓應力的轉變,三向應力的轉變,會產生裂隙張開閉合,頂板下沉,冒落,底板隆起,側面片幫,在采礦深部甚至可能發生巖爆。

1地質概況

大紅山銅礦屬海底火山噴發沉積變質中厚緩傾斜高溫礦床。有七層礦體,三層銅四層鐵。I3、I2銅礦體規模大,呈層狀,似層狀產出。礦體走向EW—N600W。走向長1800m,傾向S30W,傾斜寬1200m。傾角250～350;埋深191m～705m。礦體平均厚度11.61米;(表內),礦巖堅固系數F=10—14。主要含礦巖性為堅硬半堅硬石榴黑云變鈉質凝灰巖,石榴黑云母片巖,條帶狀石榴黑云白云石大理巖及炭質板巖,其構造較為發育,礦體成分主要為黃銅礦,磁鐵礦、多為粒狀結構,礦石體重3.25～3.35t/m3、廢石體重2.99t/m3,松系數1.71,礦石自然安息角40.5～410。屬典型的多層層狀難采礦床。

2存在的問題

雖然大紅山銅礦的大塊產出得到了較為明顯的控制,但是頂板垮落形成大塊,甚至是超級大塊的現象仍末得很好的解決,最終影響了供礦效果,而使貧化變大,供礦強度降低。分析其主要原因是由于大紅山銅礦巖石呈多層傾斜,地質構造節理裂隙發育,雖然礦圍巖穩固,但整體穩固性差,爆破時,爆能從爆破弱面即節理裂隙巖石層理面之間和孔口部分瞬間釋放,爆能分布不均,利用率降低。另外,爆破空間的增大,礦石通過爆能作用后離開原巖在空間內無法形成相互碰撞擠壓破碎,爆能利用不充分而形成部分大塊。加之分多次的爆破對頂板的沖擊震動,節理裂隙對頂板巖石的破壞和影響,以及部分超深孔的爆破造成對頂板原巖的直接破壞,隨著空間的暴露面積逐漸增大,頂板巖石應力重新分布,或者原巖無法承受其自重,從而導致頂板巖石沿層理、斷層、節理、裂隙發育的弱面產生垮落,形成大塊。從目前的落礦工藝實施效果看,都是以切割槽及礦房第一次爆破后塊度較小,供礦能力大,第三次、第四次以后大塊產出高,貧化增大,第二次單耗提高,供礦能力降低。在同一盤區爆破次數愈多,反映越明顯,最終供礦效果越差。

多次爆破后長時間的空區頂板暴露,致使地壓顯現活動加劇。大紅山采空區頂板暴露面積一般在2000m2左右,由于盤區生產周期長,空區不能及時進行充填,從采供開始空區一般都長達8個月左右,而且空區頂板還受到采礦期間多次大爆破的疊加沖擊破壞,以及地質構造影響,造成空區頂板大面積垮落,形成大塊,造成貧化,隨著地壓顯現活動的加劇,應力重新分布并在礦柱產生應力集中,還發生了礦柱的垮落現象。據觀測,頂板垮落最高達到了28m,一般情下也達到3m～5m。如果礦柱也再垮落,將帶來很大的安全隱患。必須按照“四強”開采的原則,以提高勞動生產力,降低損失貧化,減少大塊產出,縮短盤區回采周期等方面為突破口,對大紅山銅礦連續回采工藝繼續進行試驗和研究。

3一般說來采場地壓管理任務有三個方面

(1)正確認識不同采礦方法采場開采空間所承受的載荷及應力變化規律,為正確選擇地壓管理方法提供符合實際的地壓理論和假說。

(2)從實際出發正確選擇地壓管理方法及有關參數,保持一定時間內開采空間的穩固。

(3)處理好礦塊回采期間遇到的局部地壓問題,如構造斷層,破碎,溶洞,老硐室等造成的特殊地壓問題。

4通常采場地壓管理方法大致有以下幾種

(1)使開采空間具有較穩固的幾何形狀,使應力較平緩的過渡。

(2)用礦柱、充填體,支柱或聯合方法支撐開采空間。

(3)邊采礦邊崩落圍巖,使開采空間某些部位的應力重新分布,降低工作空間圍巖應力集中,減小工作空間的地壓。

(4)使開采空間圍巖達到自然崩落所需的尺寸,通過自然崩落釋放應力,減小周圍采場的地壓。

5采場地壓假說有幾種不同的說法

(1)拱形地壓假說。(2)支撐地壓假說。(3)覆巖總重假說。(4)部分覆巖重量假說。(5)滑動棱體假說。(6)懸臂梁假說。

6影響采場地壓管理的因素把它分為兩組

一組因素稱自然因素,如原巖應力,礦巖穩固性,礦體埋藏深度,礦體的規模、形狀、厚度和傾角等;另一組是開采過程中形成的因素,如采場支撐方法,開采空間的大小,形狀和相對位置,工作面推進速度,落礦方法,礦塊回采周期和其它。

7保持開采空間穩固的方法

(1)縮小開采空間暴露面積和跨度。

(2)使開采空間具有較穩固的幾何形狀。(懸臂梁原理)①使開采空間的頂板成為拱形,可以顯著提高空間的穩固性。②矩形開采空間長邊與最大主應力方向平行,有利于開采空間的穩固。在同樣的原巖應力條件下,若將開采空間轉90°直立成為窄而高的狀態,就是使長邊與最大主應力平行,則兩壁沒有應力集中情況,頂板拉應力消失或減小。如圖1:應力分布圖(a)(b)。

(3)提高開采強度,縮短礦塊回采周期。

(4)回采方向適應礦巖的構造。

(5)減小地震效應。

(6)采用礦柱支撐。先留一部份頂底柱,當礦房回采結束后立即進行頂底柱的回采。

(7)采用充填料支撐。這是我礦最主要,也是投入最大的地壓管理項目。

(8)留礦支撐。

(9)人工支柱支撐。①立柱或橫撐;②棚子支柱;③方框支柱,由柱、梁和橫木組成,柱高1.8m～2m,方框平面規格為1.5m×1.5m;④垛積支柱;⑤桿柱;⑥單體金屬支柱;⑦單體液壓支柱;⑧混泥土支護。如640中段I3礦體56-I盤區大爆破后對電耙聯道的破壞很嚴重,聯道已垮落堆積有0.5m的高度,人員無法進入耙礦,給供礦帶來很大的安全隱患,工區立即采用架箱的方法,對整個電耙聯道進行支護;550中段16-I盤區斷層經過、節理、構造較發育,巖石較破碎,經過切割槽淺采放炮、漏斗的受礦,每條耙巷的切割槽受礦斗破壞很嚴重,很多斗穿已破壞,-3、5、6號斗已形成自溜斗,如果不進行支護,放大炮后礦石堵塞電耙道將無法耙礦,無法供礦。或者待大爆破后再來支護,那支護費用更高,難度更大。就此,經過技術部和工區領導對現場情況的剖析后,決定一次性高投入,減少后續工作,改原來的架箱為混泥土假頂支護,具體辦法:用混泥土把原來設計的斗穿模型澆灌出來即包七字。據實踐此法案較合理,如果現在不支護而是后期支護,給供礦帶來的損失將更大。大爆破后再來支護的費用:70000t(礦量)×1元(每噸礦石所承擔的支護費用)=70000元;大爆破前支護的費用15方×580元/方=8700元。所以現在須在大爆破前就支護。即得到的經濟效益為70000元-大爆破前就支護的費用8700元(混泥土澆灌方量15×580元/方)=61300元。

8礦柱回采、空區處理也可以歸為地壓管理的一部分

礦柱回采是在原來采礦方法設計時考慮到地壓管理,在礦房回采結束后,為了充分利用資源,使能夠不浪費資源而進行的礦柱回采。礦柱回采要及時,礦柱能否及時回采不僅關系到礦山經濟效益的優化,而且關系到礦山生產的持續和安全。

礦柱回采后圍巖壓力全部轉移到礦柱上,而礦山對礦柱又往往不能及時回采。隨著時間的推移,地壓活動加劇,礦柱進一步變形開裂,更給礦柱回采造成更大困難。礦山技術政策和安全規程都要求按計劃及時回采礦柱。很多礦山實踐證明,為了保證井下安全生產,預防大面積劇烈的地壓活動,不能允許保留大量用礦柱支撐的為未處理采空區。

井下穩固的采空區環境很安靜,大氣條件恒溫恒濕,創造適宜的人工氣候所需的能源消耗很少。國外有將閉坑礦井改造成為地下療養院或倉庫等,并獲得很好的經濟效益。影響采空區地壓活動的因素有:大量未處理的采空區是導致礦山大規模地壓活動的根本原因。國內外礦山有許多實例證明,大規模地壓活動往往造成嚴重的礦山災害,如破壞井巷設施、設備、甚至造成重大人身安全事故。影響較小的地壓活動也可能導致生產失調和資源損失。影響采空區地壓活動的因素主要有①巖體中空區的大小、形態和采空區之間的相互關系。②原巖應力和開采深度。③構造弱面、裂隙的分布情況。④時間因素。⑤巖石的物理學性質和穩固性。⑥礦柱回采情況。⑦巖石的含水性。⑧落礦方式。⑨相鄰采空區的處理方法和質量。

采空區的處理方法一般分為:充填法、圍巖崩落法、隔離法三大類。

隔離法:①隔絕孤立分散的小采空區與生產作業區端之間可能傳遞危害的一切通路。②在連續和基本連續的大礦體中設置隔離帶,隔離兩側采空區次生應力場的相互影響并消除它們相疊加的條件。

9結語

地壓管理很多時候不能用經濟指標來衡量,哪里有安全隱患,需要支護就要支護。但是,采礦方法的選擇是以礦塊回采期間地壓管理為主要依據,所以地壓管理是采礦工藝中的一個重要的不可或缺的組成部分,對礦塊的生產效率,安全生產及考慮局部礦體的可采問題;礦柱回采等都影響很大。所以研究適合本礦山的地壓管理方法,對降低生產成本,充分回收資源、增加安全系數,提高經濟效益具有重要的現實意義。為此可為礦山每年帶來上百萬的經濟效益 。

參考文獻

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