馬國虎,李明潤,賈凱躍,梁博,魯旭,譚寶會(huì)

(1.金川集團(tuán)有限公司龍首礦,甘肅 金昌市 737100;2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽市 621010)

0 引言

無底柱分段崩落法因其機(jī)械化程度高、采礦成本低、采礦效率高以及安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外地下金屬礦山開采[1-2]。一般來說,無底柱分段崩落法主要應(yīng)用于礦巖穩(wěn)固的急傾斜厚大礦體的開采[3-4],近年來隨著礦產(chǎn)資源需求量的增加以及采礦技術(shù)的發(fā)展,無底柱分段崩落法也逐漸應(yīng)用于破碎難采礦體的開采[5-6]。但該方法應(yīng)用于破碎礦體開采時(shí)會(huì)出現(xiàn)諸多生產(chǎn)問題,例如回采進(jìn)路的穩(wěn)定性問題、切割拉槽問題以及眉線破壞問題等[7-9],尤其是眉線嚴(yán)重破壞后,會(huì)給后排炮孔的正常裝藥、礦石回采指標(biāo)以及采場生產(chǎn)安全性造成嚴(yán)重的影響[10-12]。

為解決破碎礦體條件下的眉線破壞問題,礦山工程領(lǐng)域的專家學(xué)者及技術(shù)人員開展了大量的研究。魏大恩[13]通過分析蘭尖鐵礦眉線破壞原因,提出了優(yōu)化堵塞長度、調(diào)整炮孔數(shù)目及排距等方法來保護(hù)眉線。涂旭東等[14]針對(duì)四方金礦回采巷道眉線破壞問題,通過優(yōu)化爆破參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)、加強(qiáng)巷道掘進(jìn)以及中深孔施工管理等措施,使眉線破壞率降低了46.6%。周宗紅等[15]針對(duì)長安金礦眉線破壞嚴(yán)重的問題,通過采用孔口交錯(cuò)裝藥,嚴(yán)格控制了孔口部分的裝藥量,成功地保護(hù)了眉線。劉全陽[16]通過分析北洺河鐵礦眉線破壞的原因,得到圍巖穩(wěn)固性差、節(jié)理裂隙發(fā)育、孔口正向起爆以及支護(hù)不到位等是眉線破壞的重要原因,并提出了采用孔底起爆、排內(nèi)微差起爆以及加強(qiáng)支護(hù)作業(yè)等一系列措施,有效地保護(hù)了眉線。

本文以龍首礦西二采區(qū)無底柱分段崩落法開采為工程背景,針對(duì)采場回采過程中出現(xiàn)的眉線破壞嚴(yán)重的問題,通過分析其破壞原因,最終從破碎礦體物理加固以及爆破損傷控制兩方面出發(fā),提出了相應(yīng)的眉線保護(hù)措施,并在現(xiàn)場進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn),改善了礦山眉線破壞情況。

1 工程背景

龍首礦西二采區(qū)礦石資源平均品位較低,屬于金川礦區(qū)的貧礦資源,同時(shí)圍巖的普氏系數(shù)僅為0.8～4.5,礦石的普氏系數(shù)僅為2.4～7,且礦區(qū)內(nèi)的節(jié)理裂隙發(fā)育,因此整個(gè)礦區(qū)的礦體及圍巖整體上比較破碎。

西二采區(qū)于2010年投產(chǎn),采用下向分層六角形進(jìn)路機(jī)械化膠結(jié)充填法進(jìn)行回采,采區(qū)布置有1554 m、1430 m 兩個(gè)回采中段,實(shí)行雙中段同時(shí)回采,截至2016年3 月,1554 m 中段已回采至1610 m 分段,1430 m 中段已回采至1494 m 分段16分層。由于2016年鎳礦價(jià)格大幅下跌,加之西二采區(qū)礦石品位較低,采用高成本的膠結(jié)充填法采礦導(dǎo)致礦山企業(yè)瀕臨虧損。為扭轉(zhuǎn)局勢,礦山將上部1554 m 中段轉(zhuǎn)為無底柱分段崩落法回采,共設(shè)1595 m、1580 m、1565 m 和1546 m 4個(gè)回采分段,進(jìn)路間距為15 m,崩礦步距為2.2 m。在崩落法回采過程中,回采進(jìn)路眉線發(fā)生了嚴(yán)重的破壞,導(dǎo)致爆堆將后排炮孔掩埋,造成后排炮孔裝藥困難。圖1展示了1580 m 分段4#進(jìn)路第32排炮孔爆破后,爆堆將第33排炮孔完全掩埋。此外,眉線破壞也導(dǎo)致礦石的回采指標(biāo)劣化,經(jīng)統(tǒng)計(jì),當(dāng)采場眉線發(fā)生嚴(yán)重破壞時(shí),進(jìn)路礦石平均回采率僅為60%,明顯低于預(yù)設(shè)80%的回采率指標(biāo)。

圖1 1580 m 分段4#進(jìn)路第32排炮孔爆破后的爆堆狀態(tài)

因此,有必要對(duì)西二采區(qū)眉線破壞問題進(jìn)行深入分析,探明眉線破壞的原因并提出相應(yīng)的保護(hù)措施,解決西二采區(qū)眉線破壞問題,確保采場生產(chǎn)的正常進(jìn)行,并為類似礦山解決眉線破壞問題提供技術(shù)參考。

2 眉線破壞原因分析

2.1 礦巖體較為破碎

西二采區(qū)礦體普氏系數(shù)僅為2.4～7,且礦體內(nèi)存在大量的斷層構(gòu)造以及節(jié)理裂隙。礦體頂?shù)装迮c邊緣破碎帶接觸,在空間分布上很不穩(wěn)定,多組節(jié)理交叉,礦巖整體上比較破碎,如圖2所示。

圖2 西二采區(qū)崩落法采場揭露的破碎礦巖

由于西二采區(qū)礦巖體比較破碎,因此在爆炸作用下,礦巖體中形成的爆炸損傷范圍以及破壞范圍也會(huì)比較大。同時(shí),西二采區(qū)采用的是扇形中深孔爆破,扇形炮孔在孔口處比較密集,容易導(dǎo)致孔口附近的炸藥能量比較集中,造成孔口處的礦石發(fā)生大范圍的破壞,進(jìn)而影響到眉線的完整性。特別是當(dāng)孔口附近存在較長的貫通節(jié)理裂隙時(shí),在爆破后沖作用下,孔口附近的礦石極易沿著節(jié)理裂隙面被撕裂下來,進(jìn)而導(dǎo)致眉線發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

2.2 扇形孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理

根據(jù)西二采區(qū)現(xiàn)場實(shí)際情況,采場前期生產(chǎn)中扇形炮孔主要采用了兩種裝藥參數(shù),如圖3所示,圖中孔口附近的數(shù)字代表孔口不裝藥長度。對(duì)于孔口不裝藥長度為2 m、3 m 交錯(cuò)布置的裝藥參數(shù)來說,由于西二采區(qū)采用的是扇形中深孔爆破,孔口處的炮孔最為密集,孔口距最小,僅有0.275 m,因此在這種裝藥參數(shù)下,孔口處的炸藥能量比較集中,造成孔口礦石發(fā)生損傷或者破壞的范圍也就更大,進(jìn)而對(duì)眉線的完整性影響也就更大。而對(duì)于中間七個(gè)炮孔孔口不裝藥長度為6 m、8 m 交錯(cuò)布置的裝藥參數(shù)來說,由于孔口大面積的不裝藥,炸藥能量嚴(yán)重不足,爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波并不能直接地引起礦石發(fā)生破壞,而是當(dāng)應(yīng)力波傳播至進(jìn)路自由面發(fā)生反射時(shí),進(jìn)路頂板處的礦石受到反射應(yīng)力波的作用而發(fā)生拉伸破壞。由于采區(qū)內(nèi)的節(jié)理裂隙發(fā)育,孔口處的礦石容易在反射拉伸應(yīng)力波的作用下沿著節(jié)理裂隙面發(fā)生破壞,導(dǎo)致眉線的完整性受到嚴(yán)重的破壞。

圖3 西二采區(qū)前期所采用的兩種裝藥參數(shù)(單位:m)

2.3 炸藥單耗過大

西二采區(qū)崩落法采場目前所采用的炮孔數(shù)目為11個(gè),根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際裝藥量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,單排炮孔總裝藥量為450～500 kg,炸藥單耗達(dá)到了0.38～0.40 kg/t,而類似破碎礦巖礦山如北洺河鐵礦單耗為0.28 kg/t,西石門鐵礦單耗為0.32 kg/t。對(duì)比類似礦山扇形中深孔炸藥單耗可知,西二采區(qū)目前采用的11孔爆破方案,其炸藥單耗明顯偏大,過量炸藥不僅使原本就比較破碎的礦體被過度破碎,產(chǎn)生大量粉礦,而且強(qiáng)大的爆破后沖作用也使眉線嚴(yán)重破壞,如圖4所示。

圖4 炸藥單耗過大爆破后形成的大量粉礦

綜合以上分析可知,西二采區(qū)眉線破壞嚴(yán)重的原因如下:一是礦巖本身比較破碎,二是裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理,三是炸藥單耗過高。由此分析可知,在破碎礦巖條件下,通過減少炮孔數(shù)目來減少單排裝藥量應(yīng)該會(huì)減輕眉線破壞情況。然而,在西二采區(qū)這種破碎礦巖條件下,前排中深孔爆破后,后排炮孔經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重變形和錯(cuò)孔,導(dǎo)致后排炮孔裝藥困難甚至無法進(jìn)行裝藥,因此貿(mào)然減少炮孔數(shù)目很可能會(huì)導(dǎo)致無法有效地崩落礦巖。因此,本文重點(diǎn)從破碎礦體物理加固以及爆破損傷控制兩個(gè)方面來改善礦山的眉線破壞情況。

3 眉線保護(hù)措施

3.1 “薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案

西二采區(qū)眉線發(fā)生嚴(yán)重破壞的主要原因之一是礦巖條件比較破碎,在爆破作用下孔口處的礦石很容易發(fā)生大面積的破壞。因此,針對(duì)西二采區(qū)眉線破壞問題,研究提出采用“薄鋼板+管縫式錨桿”方案加固孔口處的破碎礦巖,從而實(shí)現(xiàn)眉線的加固和保護(hù)。在該方案中,將5～7根帶托盤的管縫式錨桿穿過一條寬20 cm 左右、厚0.5～1 cm 的弧形鋼板,其中管縫式錨桿長度不小于回采進(jìn)路正常支護(hù)所使用的錨桿長度,鋼板長度不小于進(jìn)路頂板弧長。鋼板上的錨桿孔眼均勻分布,鋼板弧度應(yīng)接近于回采進(jìn)路頂板弧度,使該裝置安裝在進(jìn)路頂板后鋼板盡可能地與進(jìn)路頂板相貼合,以獲取更佳的加固效果。

在該方案中,之所以建議采用管縫式錨桿,是因?yàn)槠胀ㄉ皾{錨桿在圍巖移動(dòng)時(shí)容易失效,而管縫式錨桿在破碎巖體加固方面則有著更優(yōu)秀的加固性能,主要體現(xiàn)在:管縫式錨桿安裝后便可立即在全長范圍內(nèi)對(duì)孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力,加上錨桿托盤的承托力,從而使圍巖處于三向受力狀態(tài)。尤其是在爆破振動(dòng)圍巖錨移等情況下,后期錨固力明顯增大,也就是說即便進(jìn)路頂板發(fā)生了顯著位移,管縫式錨桿也不會(huì)失去其支護(hù)抗力。即便在爆破后或出礦過程中有個(gè)別錨桿失效,但由于鋼板的存在,已經(jīng)將這些管縫式錨桿串聯(lián)在一起,與鋼板共同構(gòu)成了一個(gè)整體的加固系統(tǒng),此時(shí)依然可以借助剩余錨桿的錨固力對(duì)眉線起到加固支護(hù)作用。

現(xiàn)場應(yīng)用時(shí),根據(jù)礦巖破碎情況及崩礦步距大小,在前、后相鄰兩排中深孔之間的進(jìn)路頂板部位,等間距安裝1～3排加固裝置。當(dāng)前排中深孔爆破時(shí),這些加固裝置便可減小爆破沖擊及振動(dòng)等作用對(duì)后排孔眉線的破壞程度,同時(shí)減輕放礦過程中礦巖塊體流動(dòng)對(duì)眉線的機(jī)械沖擊破壞,從而對(duì)破碎礦巖條件下分段崩落法眉線起到加固和保護(hù)的作用,該方案如圖5所示。

圖5 “薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案

3.2 “孔口緩沖爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”方案

西二采區(qū)采用的扇形中深孔炮孔數(shù)目為11孔,加之扇形炮孔孔口部位本身炮孔密集系數(shù)較大,容易出現(xiàn)炸藥能量集中,從而造成眉線破壞。為了減小孔口處炸藥能量集中對(duì)眉線產(chǎn)生的破壞,研究提出“孔口緩沖爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”眉線保護(hù)方案,在該方案中需要在各裝藥長度較大的炮孔孔口部位塞入一根2～3 m 的PVC塑料管實(shí)現(xiàn)緩沖爆破?？紤]到中深孔直徑為76 mm,建議實(shí)際采用直徑為50～60 mm 的PVC 塑料管進(jìn)行套孔緩沖爆破。同時(shí)為了在爆破時(shí)使各炮孔間起到橫向切割爆破作用,減少對(duì)后排眉線的破壞,還可在原中深孔相鄰炮孔之間增加一個(gè)長度為3 m 左右的小直徑淺孔。炮孔直徑建議取40～50 mm 左右,該炮孔的作用在于加強(qiáng)炮排孔口位置礦體的橫向切斷作用,可起到爆破導(dǎo)向作用,從而減輕后沖破壞作用。在試驗(yàn)過程中,可以分別對(duì)淺孔進(jìn)行裝藥和不裝藥,以觀察該方案保護(hù)眉線的效果,若對(duì)其進(jìn)行裝藥時(shí),則可考慮采用微差爆破,使淺炮先于正常中深孔起爆?！翱卓诰彌_爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”方案見圖6所示。

圖6 “孔口緩沖爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”眉線保護(hù)方案

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證研究所提出的眉線保護(hù)方案的效果,礦山在1580 m 分段11#進(jìn)路19排與20排炮孔之間進(jìn)行了“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案的現(xiàn)場試驗(yàn)。限于現(xiàn)場實(shí)際條件及材料,最終采用“鐵皮板+螺紋錨桿”來代替研究方案中所提的“薄鋼板+管縫式錨桿”,該加固套備安裝于19排炮孔后方大約0.7 m 處,現(xiàn)場安裝情況如圖7所示。由于11#進(jìn)路第17排炮孔完全破壞且無法找出,只能在第18排進(jìn)行裝藥爆破,相當(dāng)于裝了一排藥崩、兩排礦石,崩礦步距的加大使得爆破后沖作用更加明顯,爆破后第19排炮孔孔口部位發(fā)生破壞抬高,但炮孔能夠?qū)崿F(xiàn)裝藥,同時(shí)第20排炮孔孔口部位完好,相較于未采用該加固方案時(shí),加固后眉線破壞情況有所改善。

圖7 “薄鋼板+錨桿”加固眉線方案的現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,盡管本次試驗(yàn)取得了一定成效,但并未達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)效果,分析認(rèn)為主要原因如下。

(1) 眉線物理加固方案中要求在前后兩排炮孔之間應(yīng)有2～3排加固結(jié)構(gòu),而在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)僅布置了1排加固結(jié)構(gòu),導(dǎo)致加固效力不夠。

(2) 方案中要求采用的錨桿為管縫式錨桿,且每一排至少應(yīng)包含5～7根錨桿進(jìn)行加固,而現(xiàn)場試驗(yàn)所采用的是非金屬砂漿錨桿,數(shù)量僅有4根,導(dǎo)致加固作用不夠。

(3) 方案中要求所采用的薄鋼板厚度至少為5～8 mm,而現(xiàn)場試驗(yàn)方案中所采用的是厚度僅為2～3 mm 的鐵皮,且為分段焊接而成,強(qiáng)度和剛度均不足,不能將錨桿有效連接成一個(gè)整體,因此不能為破碎礦體提供足夠的加固支撐作用。

(4) 在本次試驗(yàn)中僅對(duì)第18排炮孔裝藥,第17排炮孔未能裝藥,相當(dāng)于將原2.2 m 崩礦步距增大為4.4 m,崩礦步距增大后使爆破后沖作用加大,對(duì)后排孔眉線產(chǎn)生了強(qiáng)烈破壞作用,削弱了眉線加固作用。

綜上所述,在后期試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格按照研究方案提出的技術(shù)參數(shù)要求,采取符合要求的加固材料,繼續(xù)進(jìn)行“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案的現(xiàn)場試驗(yàn)。此外,同時(shí)開展“孔口緩沖爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”眉線保護(hù)方案的現(xiàn)場試驗(yàn),最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擇優(yōu)進(jìn)行推廣使用。

5 結(jié)論

(1) 西二采區(qū)無底柱分段崩落法采場發(fā)生眉線嚴(yán)重破壞的主要原因有三個(gè),一是礦巖較為破碎,二是扇形孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理,三是炸藥單耗過大。

(2) 針對(duì)西二采區(qū)破碎礦巖條件下眉線破壞問題,從破碎礦體物理加固以及爆破損傷控制兩個(gè)方面,研究提出“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案以及“孔口緩沖爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”眉線保護(hù)方案。

(3) 在后期試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格按照研究方案提出的技術(shù)參數(shù)要求,繼續(xù)進(jìn)行“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案的現(xiàn)場試驗(yàn)。此外,同時(shí)開展“孔口緩沖爆破+淺孔導(dǎo)向爆破”眉線保護(hù)方案的現(xiàn)場試驗(yàn),最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擇優(yōu)進(jìn)行推廣使用。