楊春亮

在礦床地下開采中,采場(chǎng)地壓管理是生產(chǎn)工藝之一。他的目的是防止開采工作空間的圍巖失控發(fā)生大的移動(dòng)和威脅人員的工作安全。正確選擇回采期間采場(chǎng)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(rèn)為在井田的小范圍內(nèi),原巖體是連續(xù)的密實(shí)體,其內(nèi)部應(yīng)力也是平衡的。開采空間的形成,破壞了原巖應(yīng)力平衡,產(chǎn)生次生應(yīng)力場(chǎng),圍巖會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中升高、降低、拉壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變,三向應(yīng)力的轉(zhuǎn)變,會(huì)產(chǎn)生裂隙張開閉合,頂板下沉,冒落,底板隆起,側(cè)面片幫,在采礦深部甚至可能發(fā)生巖爆。

1地質(zhì)概況

大紅山銅礦屬海底火山噴發(fā)沉積變質(zhì)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(guī)模大,呈層狀,似層狀產(chǎn)出。礦體走向EW—N600W。走向長(zhǎng)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(nèi)),礦巖堅(jiān)固系數(shù)F=10—14。主要含礦巖性為堅(jiān)硬半堅(jiān)硬石榴黑云變鈉質(zhì)凝灰?guī)r,石榴黑云母片巖,條帶狀石榴黑云白云石大理巖及炭質(zhì)板巖,其構(gòu)造較為發(fā)育,礦體成分主要為黃銅礦,磁鐵礦、多為粒狀結(jié)構(gòu),礦石體重3.25～3.35t/m3、廢石體重2.99t/m3,松系數(shù)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(chǎn)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(jí)大塊的現(xiàn)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(qiáng)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(zhì)構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育,雖然礦圍巖穩(wěn)固,但整體穩(wěn)固性差,爆破時(shí),爆能從爆破弱面即節(jié)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(nèi)無(wú)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(duì)頂板的沖擊震動(dòng),節(jié)理裂隙對(duì)頂板巖石的破壞和影響,以及部分超深孔的爆破造成對(duì)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(yīng)力重新分布,或者原巖無(wú)法承受其自重,從而導(dǎo)致頂板巖石沿層理、斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育的弱面產(chǎn)生垮落,形成大塊。從目前的落礦工藝實(shí)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(chǎn)出高,貧化增大,第二次單耗提高,供礦能力降低。在同一盤區(qū)爆破次數(shù)愈多,反映越明顯,最終供礦效果越差。

多次爆破后長(zhǎng)時(shí)間的空區(qū)頂板暴露,致使地壓顯現(xiàn)活動(dòng)加劇。大紅山采空區(qū)頂板暴露面積一般在2000m2左右,由于盤區(qū)生產(chǎn)周期長(zhǎng),空區(qū)不能及時(shí)進(jìn)行充填,從采供開始空區(qū)一般都長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月左右,而且空區(qū)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(zhì)構(gòu)造影響,造成空區(qū)頂板大面積垮落,形成大塊,造成貧化,隨著地壓顯現(xiàn)活動(dòng)的加劇,應(yīng)力重新分布并在礦柱產(chǎn)生應(yīng)力集中,還發(fā)生了礦柱的垮落現(xiàn)象。據(jù)觀測(cè),頂板垮落最高達(dá)到了28m,一般情下也達(dá)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(qiáng)”開采的原則,以提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,降低損失貧化,減少大塊產(chǎn)出,縮短盤區(qū)回采周期等方面為突破口,對(duì)大紅山銅礦連續(xù)回采工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。

3一般說來采場(chǎng)地壓管理任務(wù)有三個(gè)方面

(1)正確認(rèn)識(shí)不同采礦方法采場(chǎng)開采空間所承受的載荷及應(yīng)力變化規(guī)律,為正確選擇地壓管理方法提供符合實(shí)際的地壓理論和假說。

(2)從實(shí)際出發(fā)正確選擇地壓管理方法及有關(guān)參數(shù),保持一定時(shí)間內(nèi)開采空間的穩(wěn)固。

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

4通常采場(chǎng)地壓管理方法大致有以下幾種

(1)使開采空間具有較穩(wěn)固的幾何形狀,使應(yīng)力較平緩的過渡。

(2)用礦柱、充填體,支柱或聯(lián)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(yīng)力重新分布,降低工作空間圍巖應(yīng)力集中,減小工作空間的地壓。

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

5采場(chǎng)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(dòng)棱體假說。(6)懸臂梁假說。

6影響采場(chǎng)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(yīng)力,礦巖穩(wěn)固性,礦體埋藏深度,礦體的規(guī)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(chǎng)支撐方法,開采空間的大小,形狀和相對(duì)位置,工作面推進(jìn)速度,落礦方法,礦塊回采周期和其它。

7保持開采空間穩(wěn)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(wěn)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(wěn)固性。②矩形開采空間長(zhǎng)邊與最大主應(yīng)力方向平行,有利于開采空間的穩(wěn)固。在同樣的原巖應(yīng)力條件下,若將開采空間轉(zhuǎn)90°直立成為窄而高的狀態(tài),就是使長(zhǎng)邊與最大主應(yīng)力平行,則兩壁沒有應(yīng)力集中情況,頂板拉應(yīng)力消失或減小。如圖1:應(yīng)力分布圖(a)(b)。

(3)提高開采強(qiáng)度,縮短礦塊回采周期。

(4)回采方向適應(yīng)礦巖的構(gòu)造。

(5)減小地震效應(yīng)。

(6)采用礦柱支撐。先留一部份頂?shù)字?當(dāng)?shù)V房回采結(jié)束后立即進(jìn)行頂?shù)字幕夭伞?/p>

(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(xiàng)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(guī)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(hù)。如640中段I3礦體56-I盤區(qū)大爆破后對(duì)電耙聯(lián)道的破壞很嚴(yán)重,聯(lián)道已垮落堆積有0.5m的高度,人員無(wú)法進(jìn)入耙礦,給供礦帶來很大的安全隱患,工區(qū)立即采用架箱的方法,對(duì)整個(gè)電耙聯(lián)道進(jìn)行支護(hù);550中段16-I盤區(qū)斷層經(jīng)過、節(jié)理、構(gòu)造較發(fā)育,巖石較破碎,經(jīng)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(yán)重,很多斗穿已破壞,-3、5、6號(hào)斗已形成自溜斗,如果不進(jìn)行支護(hù),放大炮后礦石堵塞電耙道將無(wú)法耙礦,無(wú)法供礦。或者待大爆破后再來支護(hù),那支護(hù)費(fèi)用更高,難度更大。就此,經(jīng)過技術(shù)部和工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的剖析后,決定一次性高投入,減少后續(xù)工作,改原來的架箱為混泥土假頂支護(hù),具體辦法:用混泥土把原來設(shè)計(jì)的斗穿模型澆灌出來即包七字。據(jù)實(shí)踐此法案較合理,如果現(xiàn)在不支護(hù)而是后期支護(hù),給供礦帶來的損失將更大。大爆破后再來支護(hù)的費(fèi)用:70000t(礦量)×1元(每噸礦石所承擔(dān)的支護(hù)費(fèi)用)=70000元;大爆破前支護(hù)的費(fèi)用15方×580元/方=8700元。所以現(xiàn)在須在大爆破前就支護(hù)。即得到的經(jīng)濟(jì)效益為70000元-大爆破前就支護(hù)的費(fèi)用8700元(混泥土澆灌方量15×580元/方)=61300元。

8礦柱回采、空區(qū)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(shè)計(jì)時(shí)考慮到地壓管理,在礦房回采結(jié)束后,為了充分利用資源,使能夠不浪費(fèi)資源而進(jìn)行的礦柱回采。礦柱回采要及時(shí),礦柱能否及時(shí)回采不僅關(guān)系到礦山經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化,而且關(guān)系到礦山生產(chǎn)的持續(xù)和安全。

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

井下穩(wěn)固的采空區(qū)環(huán)境很安靜,大氣條件恒溫恒濕,創(chuàng)造適宜的人工氣候所需的能源消耗很少。國(guó)外有將閉坑礦井改造成為地下療養(yǎng)院或倉(cāng)庫(kù)等,并獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。影響采空區(qū)地壓活動(dòng)的因素有:大量未處理的采空區(qū)是導(dǎo)致礦山大規(guī)模地壓活動(dòng)的根本原因。國(guó)內(nèi)外礦山有許多實(shí)例證明,大規(guī)模地壓活動(dòng)往往造成嚴(yán)重的礦山災(zāi)害,如破壞井巷設(shè)施、設(shè)備、甚至造成重大人身安全事故。影響較小的地壓活動(dòng)也可能導(dǎo)致生產(chǎn)失調(diào)和資源損失。影響采空區(qū)地壓活動(dòng)的因素主要有①巖體中空區(qū)的大小、形態(tài)和采空區(qū)之間的相互關(guān)系。②原巖應(yīng)力和開采深度。③構(gòu)造弱面、裂隙的分布情況。④時(shí)間因素。⑤巖石的物理學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)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(qū)的處理方法和質(zhì)量。

采空區(qū)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(qū)與生產(chǎn)作業(yè)區(qū)端之間可能傳遞危害的一切通路。②在連續(xù)和基本連續(xù)的大礦體中設(shè)置隔離帶,隔離兩側(cè)采空區(qū)次生應(yīng)力場(chǎng)的相互影響并消除它們相疊加的條件。

9結(jié)語(yǔ)

地壓管理很多時(shí)候不能用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來衡量,哪里有安全隱患,需要支護(hù)就要支護(hù)。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(jù),所以地壓管理是采礦工藝中的一個(gè)重要的不可或缺的組成部分,對(duì)礦塊的生產(chǎn)效率,安全生產(chǎn)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(duì)降低生產(chǎn)成本,充分回收資源、增加安全系數(shù),提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此可為礦山每年帶來上百萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益 。

參考文獻(xiàn)

[1] 余賢斌．巖土工程中的有限單元法[M]．昆明:云南科技出版社,1996．

[2] 解世杰.金屬礦床地下開采[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1986.

[3] 高磊.礦山巖石力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1987:194～200.