柴方玉

(杭州建銅集團有限公司)

一、地質(zhì)概況及回采影響

杭州市建德銅礦Ⅱ號銅鋅硫礦體主要賦存在-180m至+24m之間(3l線向斜北西翼),傾向北東,傾角約30°。礦體賦存于黃龍組下段灰質(zhì)白云巖地層中,底板為珠藏塢質(zhì)砂巖,受F23斷層控制,空間上主要產(chǎn)于向斜核部。

Ⅱ號銅鋅硫礦體礦石構(gòu)造：主要為致密塊狀高硫礦石,膠結(jié)緊密,但礦體厚大地段多因F23斷層上盤大幅斜落,使斷層上盤容礦層變厚,向斜虛脫空間加大,構(gòu)造發(fā)育使礦體破碎,且部分黃鐵礦松散膠結(jié)呈粉末狀。礦體穩(wěn)固性差、不穩(wěn)定、易塌陷。

采礦方法采用向上水平層膠結(jié)充填采礦法,采用“一采一充”的回采工藝,即分層回采高度為2.5m,采場空頂高度為4.5m,每次充填高度為2m,充填后的空頂高度為2.5m,充填料采用棒磨砂和水泥混合料。每分層澆面厚度為0.4m,灰砂配比1∶4,下部灰砂配比1∶8。

Ⅱ號銅鋅硫礦體在實際生產(chǎn)過程中頻繁性地發(fā)生局部頂板冒落的現(xiàn)象,局部曾經(jīng)冒落高度在8m左右,冒落后只是對頂板進行簡單的排險處理,仍存在重大的安全隱患。

1992年井下曾經(jīng)發(fā)生過采場頂板冒落致人死亡事故。由于在現(xiàn)場救援過程中沒有采取合理可靠的救援措施,當時只是急著救援被壓埋人員,結(jié)果采場頂板發(fā)生二次冒落,又導致多人被埋死亡。冒落后當時采場懸頂高度在6m左右,導致救援無法進行,最后專業(yè)救援隊伍進入后采取專業(yè)的救援手段才將遇難人員救出。

二、頂板冒落機理分析

Ⅱ號銅鋅硫礦體在回采過程中,由于粉狀礦體在回采時受采動影響,破壞了原始應力平衡狀態(tài),巖體中的應力重新分布,產(chǎn)生了次生應力場,使采場頂板及圍巖產(chǎn)生變形、移動和破壞,這種情況下極易導致冒頂片幫事故發(fā)生。冒頂片幫事故不僅會造成生產(chǎn)無法正常進行,更嚴重的是直接危及作業(yè)人員的安全。

因此,系統(tǒng)全面地研究分析采場頂板冒落機理,提出預防頂板冒落的技術(shù),對防止采場頂板冒落,保障回采安全和資源的高效回收,具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

(一)地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落

由于地質(zhì)構(gòu)造因素,礦巖層在形成的中后期地質(zhì)變化形成的弱面,對頂板穩(wěn)定性有很大影響。

有的弱面使頂板組合結(jié)構(gòu)、巖性發(fā)生變化,有的弱面破壞頂板完整性,導致頂板強度降低,造成冒落。如層理、裂隙等構(gòu)造發(fā)育時,小規(guī)模冒頂較頻繁,極端情況下采場頂板會大面積冒落。由此形成的層理弱面,使頂板組合結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,其對巖體的破壞主要表現(xiàn)為巖石容易沿層理出現(xiàn)離層裂隙,使巖層與母體分離,造成頂板巖體強度降低,失去穩(wěn)定性而離層冒落,水平層理比斜交波狀層理頂板穩(wěn)定性差；層理面平整光滑較粗糙不平的頂板穩(wěn)定性差；巖石抗壓強度相同時,巖層厚度越小的層理弱面,頂板越易失穩(wěn)。裂隙形成的弱面,對頂板穩(wěn)定影響也較明顯。雖然頂板結(jié)構(gòu)、巖性都沒有改變,但頂板完整性受到破壞,強度與穩(wěn)定性大大降低。節(jié)理裂隙形成的弱面尤其突出,在節(jié)理裂隙發(fā)育地帶,頂板抗壓強度較低,受壓后極易破碎,若支護不當,常引起局部冒頂。

應力集中造成冒落；地下采場開挖前,原巖應力處于自然平衡狀態(tài)；開挖后,原巖自然平衡狀態(tài)被擾動,使一定范圍內(nèi)的原巖應力狀態(tài)發(fā)生變化,產(chǎn)生應力重分布。隨著工作面的推進,每步回采都會使原巖應力改變其原有的分布狀態(tài)而產(chǎn)生新應力場,其結(jié)果在采場頂板中產(chǎn)生應力集中。

根據(jù)“自然平衡拱學說”,回采空間形成后,由于應力集中,頂板冒落拱范圍內(nèi)巖體的力系將失去原有平衡,頂板巖層必然出現(xiàn)彎曲、下沉,采場中央部位出現(xiàn)拉應力。當拉應力超過巖石抗拉強度時,頂板巖層將產(chǎn)生拉裂縫,加上時間效應,拉裂縫延伸擴大導致頂板冒落。

(二)能量釋放造成冒落

在強大的自重應力和構(gòu)造應力作用下,礦巖體的體積和形狀均會發(fā)生變化,從而產(chǎn)生了彈性能聚積。俄國學者阿維爾申教授認為,礦巖體內(nèi)的彈性能是由體積變化產(chǎn)生的體變彈性能U v、形狀變化產(chǎn)生的形變彈性能U f和頂板彎曲下沉產(chǎn)生彎彈性能U w組成,能量的聚積是隨采深、采空區(qū)面積,即懸頂長度的增加而增大。當圍巖中的能量積聚到足夠大時,所產(chǎn)生的應力超過了頂板礦巖體本身強度,則彈性能突然釋放,使礦巖體猛烈破壞,或產(chǎn)生礦巖的彈射和突出等沖擊礦壓現(xiàn)象,在工作面或巷道中造成災害。

(三)“關(guān)鍵塊體”造成冒落

堅硬和半堅硬地層中,巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下,這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)。工程開挖后,塊體失去了原有的支承,使得臨空面上的某些塊體首先失去平衡,沿著結(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn)。我們稱之為“關(guān)鍵塊體”。

“關(guān)鍵塊體”是采場頂板的薄弱環(huán)節(jié),也是保持采場頂板整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分。當采場頂板某“關(guān)鍵塊體”冒滑后,相鄰塊體得到了釋放的機會,引起連鎖反應產(chǎn)生一系列的冒滑,最終導致采場頂板失穩(wěn)、冒落。

(四)地下水造成冒落

當?shù)V體圍巖大部分為可溶性巖體時,受構(gòu)造裂隙水和井下充填富余水的影響,圍巖的物理力學性能減弱,導致采場頂板礦巖體的相互作用力下降,從而造成頂板冒落。

三、長錨索預先支護控頂技術(shù)

針對以上冒頂事故,能制約頂板頻繁冒落的有效辦法就是將關(guān)口前移,將采場頂板預先采取錨索加強支護的方式控制起來,先向采場頂部鉆孔8—14m,然后將疏松的粉狀巖體用錨索+樹脂錨固劑進行錨固,使其牢固地與上方頂板連接在一起,有效地控制采場頂板防止其冒落。

(一)支護材料

錨索(材質(zhì)為鋼絞線)長度可根據(jù)礦區(qū)域柱狀巖性圖決定(8—14m)。

1.鎖具

錨索錨注后通過錨索機將鎖具鎖牢,以達到要求的預緊力。

2.錨索盤

有足夠的強度,在用錨索機鎖住鎖具時可以阻擋鎖具鉆入頂板巖石中。

3.接長式錨索鉆桿

在金屬礦山傳統(tǒng)的鉆桿上加以改進,可以在受限制的空間內(nèi)進行鉆孔連接,連接長度可超過傳統(tǒng)鉆桿長度(6—15m),為深度錨固創(chuàng)造有利條件。

4.樹脂錨固劑

打破傳統(tǒng)水泥錨固的方式,錨固強度好而且使用方便價格低廉,短時間內(nèi)就可達到要求的錨固強度。

(二)錨索安裝工藝

采用YSP45上采鑿巖機配中空六角接長式錨桿和φ40一字形轉(zhuǎn)頭濕式鉆孔。為保證孔深準確,在轉(zhuǎn)桿上用白色油漆標出終孔位置。

使用樹脂藥卷前,必須檢查其質(zhì)量,以手感柔和為合格。

錨索使用前,必須將錨固段的水、巖屑等吹干凈,確保錨固質(zhì)量。

錨索頂住錨固劑緩緩送入底孔,不能反復抽拉錨索,確保錨固劑全部送入孔底。

YSP45上采鑿巖機不少于兩人操作,邊推進邊攪拌,前半程用慢速旋轉(zhuǎn),后半程快速旋轉(zhuǎn),攪拌時間控制在35秒以上。

停止攪拌后,要繼續(xù)保持YSP45上采鑿巖機的推力約3分鐘,然后退下鑿巖機。

將液壓拉拔計套在錨索上,并用手托住托盤、鎖具。開泵進行張拉,觀察壓力表的讀數(shù),達到設(shè)計的預緊力120—130KN時(約30噸),迅速換向回程。

(三)回采期間錨索錨固順序

按采場面積設(shè)計錨索間排距為2×2m,在采準做好后未正式回采前將采場頂板按設(shè)計進行加強錨固。每一根錨索均要達到要求預緊力才能正式回采。

待向上回采1個分層后(2m),退下原有的錨具和錨索盤繼續(xù)貼頂板進行錨固。向上回采高度距離樹脂錨固劑約2m時重新向上鉆孔進行下一循環(huán)的錨索錨固。

四、結(jié)語

采場頂板穩(wěn)定、安全是保證采場正常有效回采的前提。頂板失穩(wěn)、冒落的原因是多方面的、復雜交錯的。在回采過程中,必須根據(jù)礦巖性質(zhì)、采準布置及其他因素,選擇合理的控頂措施。對于一些頂板支護難度大、單一措施無法有效控頂?shù)那闆r,應考慮采用多種控頂措施聯(lián)合作用的方式,達到控制頂板變形、提高頂板穩(wěn)固的目的。

建德銅礦先前所采用的控頂措施是采用水泥、砂石等材料人工澆筑頂板支護礦柱。該控頂方式經(jīng)濟費用較高,耗工時較多,不可回收,而且對于采場頂板支護只能做到“點”支護而不能做到“面”支護。綜合來看,這種“人工礦柱”支護尚存在缺陷。

采用長錨索預先支護控頂技術(shù),其使用材料如錨具、錨盤均可回收且經(jīng)濟投入較低,工時低,最主要的是可以對整個采場的頂板全面加強控頂,做到了“面”支護控頂。

“長錨索預先支護控頂技術(shù)”合理利用可完全控制Ⅱ號銅鋅硫礦體頂板的頻繁冒落,減少和杜絕冒頂片幫傷害事故的發(fā)生。

長錨索超前控頂示意圖