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(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(nèi),原巖體是連續(xù)的密實體,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,圍巖會出現(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)),礦巖堅固系數(shù)F=10—14。主要含礦巖性為堅硬半堅硬石榴黑云變鈉質(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,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(jié)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(yīng)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(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。

多次爆破后長時間的空區(qū)頂板暴露,致使地壓顯現(xiàn)活動加劇。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,空區(qū)不能及時進行充填,從采供開始空區(qū)一般都長達8個月左右,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,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(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,對大紅山銅礦連續(xù)回采工藝繼續(xù)進行試驗和研究。

3一般說來采場地壓管理任務(wù)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(yīng)力變化規(guī)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(fā)正確選擇地壓管理方法及有關(guān)參數(shù),保持一定時間內(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問題,如構(gòu)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(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(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(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?shù)V房回采結(jié)束后立即進行頂?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。如640中段I3礦體56-I盤區(qū)大爆破后對電耙聯(lián)道的破壞很嚴重,聯(lián)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(qū)立即采用架箱的方法,對整個電耙聯(lián)道進行支護;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?；蛘叽蟊坪笤賮碇ёo,那支護費用更高,難度更大。就此,經(jīng)過技術(shù)部和工區(qū)領(lǐng)導對現(xiàn)場情況的剖析后,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,具體辦法:用混泥土把原來設(shè)計的斗穿模型澆灌出來即包七字。據(jù)實踐此法案較合理,如果現(xiàn)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(xiàn)在須在大爆破前就支護。即得到的經(jīng)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(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)計時考慮到地壓管理,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(guān)系到礦山經(jīng)濟效益的優(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(shù)政策和安全規(guī)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(chǎn),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(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。國外有將閉坑礦井改造成為地下療養(yǎng)院或倉庫等,并獲得很好的經(jīng)濟效益。影響采空區(qū)地壓活動的因素有:大量未處理的采空區(qū)是導致礦山大規(guī)模地壓活動的根本原因。國內(nèi)外礦山有許多實例證明,大規(guī)模地壓活動往往造成嚴重的礦山災(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也可能導致生產(chǎn)失調(diào)和資源損失。影響采空區(qū)地壓活動的因素主要有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時間因素。⑤巖石的物理學性質(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)力場的相互影響并消除它們相疊加的條件。

9結(jié)語

地壓管理很多時候不能用經(jīng)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(jù),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(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)濟效益具有重要的現(xiàn)實意義。為此可為礦山每年帶來上百萬的經(jīng)濟效益 。

參考文獻

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