魏大恩

(攀枝花學院資源與環(huán)境工程學院, 四川攀枝花市 617000)

尖山落礦眉線破壞原因及對策?

魏大恩

(攀枝花學院資源與環(huán)境工程學院, 四川攀枝花市 617000)

尖山采用無底柱分段崩落法上向扇形中深孔落礦,在掛幫礦各分段落頂、回采過程中,出現眉線破壞、懸頂、爆破立槽、拒爆、廢石包裹等爆破質量異常問題,嚴重影響生產組織、生產成本和掛幫礦石回采。針對眉線(孔口)破壞問題,通過剖析其呈現形式,分析其產生原因,提出了相應對策、措施,為礦山后續(xù)回采提供參考和借鑒。

中深孔落礦;眉線;無底柱分段崩落法

2010年9月,蘭尖鐵礦尖山露天采場正式轉為地下開采,首采地段為1300m水平以上的掛幫礦體,采用無底柱分段崩落法上向扇形孔落礦。分段高度20m,進路間距18m,扇形孔落礦排距1.8m,孔底距2.6～3.0m,崩礦步距3.6m,一次爆破量約3800t。1300m水平以上掛幫礦體采場與其下的主體采場在工藝上相對獨立,覆蓋層的形成約需進行為期3年左右的落頂、回采等工作[1]。

自2011年6月試生產以來,在1420～1320各分段中深孔落頂、回采過程中,出現眉線破壞、懸頂、爆破立槽、帶炮、廢石包裹等爆破質量異常問題,其對生產組織以及生產成本影響極大,也嚴重影響掛幫礦石的回采以及覆蓋巖層的形成。

為此,針對眉線破壞問題,通過剖析其呈現形式,分析其產生原因,提出相應對策、措施,為礦山后續(xù)回采提供參考和借鑒。

1 眉線破壞形式

(1)巷道頂板整體抬高。尖山掛幫礦回采時,各回采進路中的上向扇形孔于崩礦前先期形成,后根據生產計劃從各回采進路均衡落礦退采。裝藥施工前,首排炮孔孔口巖石整體脫落(即眉線破壞)后,回采巷道頂板整體抬高,巷道拱形仍可保持完整(見圖1)[2]。先期崩落礦巖散體的流動非但不會受到嚴重影響,反而在一定程度上還增加了其流動性,但造成后續(xù)排面炮孔被埋,特別是邊孔更易被埋,影響裝藥爆破施工,甚至被放棄,對爆破質量造成巨大影響。在圖1中,由于眉線口破壞,導致前排孔孔口位置充滿破碎后的礦石,施工人員及機具無法到達孔口,影響裝藥施工。

圖1 巷道頂板整體抬高

(2)巷道頂板的不規(guī)則抬高。裝藥施工前,首排炮孔孔口巖石不規(guī)則脫落(即眉線破壞)后,使回采巷道頂板不規(guī)則抬高,崩落礦巖散體的流動性會受到明顯破壞,局部流動性呈現增強、減弱、停滯各異的現象,致使部分覆巖混入礦石導致貧化加大。還可導致后續(xù)排面部分炮孔孔口被遮掩,影響其裝藥施工。

2 眉線破壞的成因分析

2.1 地質條件復雜引起的眉線破壞

(1)斷層對眉線完整性的影響。尖山采場南北向斷層較多,與南北向的穿脈進路平行,甚至與穿脈進路重疊,橫切東西向的沿脈進路。各斷層均有一定厚度的松軟充填物,當爆破進行到該部位時,由于爆破震動作用,松散物在重力作用下脫落,形成局部冒頂,導致眉線破壞[3-5]。這種眉線破壞往往造成頂板的整體抬高,在尖山1400分段2號沿脈、3號沿脈表現非常突出(見圖2)。

圖2 現場巷道頂板整體抬高

(2)節(jié)理裂隙對眉線的影響。尖山地采礦巖中裂隙發(fā)育,特別是在礦石部位進行爆破時,由于爆破震動和爆轟氣體沿裂隙的膨脹作用,極易造成頂板沿節(jié)理面冒落,冒落后的頂板多呈不規(guī)則三角形。該情況在尖山1400分段3號沿脈、5號沿脈、2號穿脈均出現(見圖3)。

圖3 現場巷道頂板節(jié)理裂隙發(fā)育情況

2.2 巷道施工與維護對眉線的影響

(1)成巷質量差。一是周邊孔沒按設計輪廓布置,局部“超挖”造成頂板形狀不規(guī)則,形成“先天性”的破壞;二是周邊孔間距和單孔裝藥量不合理,爆破致使巷道周邊一定范圍內的原巖受到較大的破壞,形成“后天性”的裂隙。

(2)支護不及時。成巷過程中回采巷道頂板冒落,未能及時、有效支護,雖有后續(xù)支護措施,但巷道頂板已然升高(見圖4)。

圖4 成巷支護不到位

爆破震動導致支護層破裂、掉落,巷道表面裸露區(qū)域隨時間的推移不斷加大,其穩(wěn)固性降低,加之部分巷道礦巖本就松軟、易破碎風化等。欲保證眉線完整,就須及時進行二次支護封閉,以控制回采進路穩(wěn)定性。如圖5即為二次支護未及時有效跟進帶來的不良后果。

圖5 二次支護未及時有效跟進

2.3 回采順序與進路交叉的影響

采場中多條回采進路的均衡退采關系被破壞,如果某條進路回采進度遠遠落后于其他進路,其將承受非常大的地壓,其頂板可能會出現冒落并產生相對位移,進而導致其應力在爆破震動等作用下發(fā)生變化,產生炮孔錯位、眉線破壞、炮孔被埋[5-7]。1420分段3號沿脈、1400分段3號沿脈頂板大幅冒落,回采停滯,最終嚴重變形而無法退采,即由上述原因所致(見圖6)。

圖6 爆破作用下鄰近巷道的大面積垮塌

另外,切割平巷和回采進路交叉處暴露面積較大,切割平巷的提前爆破,極易破壞回采進路的第一排炮孔眉線;交叉處頂板不穩(wěn)定,切割平巷的爆破容易導致頂板抬高和回采進路首排炮孔被埋[3]。

2.4 爆破設計與施工對眉線的影響

根據近一年對眉線破壞形式和頻次的統(tǒng)計。從表1中可以看出,斷層、節(jié)理、裂隙等地質構造是產生眉線破壞的最主要原因,合計占比高達31.25%;其次是爆破設計(孔口正向起爆)占比高達18.75%;再次是巷道施工及支護和回采順序,各占9.38%。

表1 眉線破壞原因及頻次統(tǒng)計

3 眉線的保護措施

3.1 采準過程中眉線保護措施

綜上,提高成巷質量是保護眉線的基礎,加強支護和及時進行二次支護是保護眉線的必要手段。切割平巷與回采進路交叉口處的眉線保護是重要舉措,在采準過程中,回采進路與切割槽貫通時,在首排炮孔前方頂板上留厚度為1.2m左右的保護巖拱即可[8](見圖7)。

圖7 切割平巷與回采進路交叉口處的保護巖拱

3.2 優(yōu)化爆破參數對眉線的保護

(1)優(yōu)化填塞長度,保護眉線。經試驗總結,尖山掛幫礦巖大致分為硬巖、中硬巖(邊坡圍巖)、偏軟巖3種類型,選取合理的爆破參數與其匹配,可有效地減小沖擊波對眉線的破壞。硬巖通常取1.6m的排距、2.0～2.5m的孔底距;偏軟巖通常取2.0m的排距、2.2～2.8m的孔底距;邊坡圍巖則通常取2.2 m的排拒、3.0～3.2m的孔底距。

通過對1420分段和1400分段進行試驗研究,先通過理論計算得出炮孔的裝藥長度和填塞長度,再針對尖山3類巖石條件和實際炮孔數量進行多次現場試驗,總結制定了簡單易行的填塞方案:硬巖最小填塞長度為2m,各孔按照作圖法以1.3m孔底距預留填塞長度;偏軟巖最小填塞長度為4m,各孔按照作圖法以1.6m孔底距進行裝藥;并視具體情況作適當調整。該措施對眉線的保護作用非常顯著。

(2)調整切割拉槽炮孔數目及排距。切割平巷近似平行拉槽孔排面按3孔、4孔交替布置,不利于拉槽成型,可改為每排4孔布置,炸藥可在被爆巖體中均勻分布,布孔范圍與拉槽范圍相近。將排距由1.2m改為1.4m,利于拉槽成形,可改善對眉線的保護。

(3)根據礦巖性質合理調整排距。1420分段、1400分段穿脈回采進路與沿脈回采進路均采用相同的排距,對眉線保護并不科學,原因在于設計時未能根據現場礦巖性質改變排距,致使某些回采進路頂板破碎區(qū)域眉線保護相當困難,甚至眉線消失,導致后排炮孔全部被埋。基于該情況,將排距由此前的1.8m增大到2m或2.2m,可減小爆破對破碎區(qū)域后排的沖擊,達到保護眉線的目的。

3.3 控制爆破規(guī)模與單響最大起爆藥量

由于尖山采場大部分屬急傾斜礦體,且礦體可崩性較好,巖體結構面多而復雜,又處于地震活動區(qū),具有較高的地應力,爆破時相鄰巷道頂部礦巖體經常出現裂隙,其面積會立即擴大出現垮塌情況。

尖山地下采場各礦帶厚度穩(wěn)定,最小厚度超過19m、平均厚度超過42m,因此上、下分段回采進路呈“品”字型交錯布置[9],損傷破壞部位在鄰近巷道的頂板與邊墻交界部位(見圖8)。

圖8 相鄰回采巷道爆破作用

經分析,爆源中心約在斷面中心線距底板3/4段高處[10]。分段高度H＝20m,回采進路中心高度h＝2m,進路間距L＝18m,回采進路拱半徑RO2B＝1.8m,爆破作用的最小距離RAB可由公式(1)計算。

將尖山各相應參數帶入式(1)計算得RAB為21m。

根據《爆破安全規(guī)程》計算地下爆破振動安全允許距離R的公式,將其進行變換可得到計算爆破藥量Q的公式[11]:

按《爆破安全規(guī)程》規(guī)定,井下安全允許質點振動速度V取上限值30cm/s,尖山3類礦巖的K、α值均取上限值,分別為:堅硬巖體K＝150,α＝1.5,中硬巖體K＝250,α＝1.8,軟巖體K＝300,α＝2.0。由此計算不同礦巖條件下的最大藥量值分別為:Q硬＝370.44kg、Q中硬＝270.37kg、Q軟＝292.86kg。

尖山回采時的單排藥量在800kg左右,通過同排炮孔采用孔間多段微差爆破,將單響爆破藥量控制在上述藥量(取整)范圍以內,既是為了保護眉線,也使鄰近巷道不至過多受到爆破破壞。

3.4 采用孔底起爆更有助于眉線保護

根據表1統(tǒng)計,孔口正向起爆導致眉線破壞占比高達18.75%。因此,孔底起爆較孔口起爆,其爆轟波和疊加的高強度爆炸應力波衰減慢,使得孔內高壓持續(xù)時間更長、巖石受破碎作用更為充分,并使孔口部分沖擊能量相對減少而使其破壞更小[12]。采用孔底起爆既是改善破碎質量的因素,更是保護好眉線的一個重要措施。

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2017-04-25

魏大恩(1968－),男,重慶萬州人,副教授,主要從事采礦及計算機應用教學與科研工作,Email:24169332＠qq.com。

2016年度四川礦產資源研究中心項目(SCKCZY2016－ZC04).