急傾斜中厚破碎礦體空場嗣后充填安全開采技術(shù)研究

張東杰 拓明軒 劉樹新 王健多

(1.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院,內(nèi)蒙 古包頭 014010;2.中國石油遼河油田公司,遼寧 盤錦 124010)

急傾斜破碎中厚礦體開采易導致采場頂板冒落 及圍巖片落危害[1-4],以及礦石損失與貧化大等問題[5-7]。因此,需充分考慮礦巖條件,研究適宜的安全高效開采技術(shù)[8]。潘承武等[9]研究提出了無底柱中深孔分段鑿巖階段出礦空場法開采技術(shù);馬姣陽等[10]通過物理相似試驗研究了急傾斜中厚破碎礦體誘導冒落法開采中最佳進路位置的確定方法;馬元軍等[11]采用模擬環(huán)境再造的手段系統(tǒng)研究了某銻礦急傾斜中厚破碎礦體分區(qū)開采方案;趙鉞[12]通過物理相似試驗系統(tǒng)研究了尖山礦區(qū)無底柱分段崩落法開采急傾斜中厚礦體中礦石損失貧化的內(nèi)在原因;羅周全等[13]從安全與經(jīng)濟角度利用多目標決策理想點法優(yōu)化了某礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過上述分析可知,現(xiàn)階段業(yè)內(nèi)對于這類礦體的研究主要集中于空場法及崩落法開采技術(shù),以及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面,對于礦巖可冒性、空場嗣后充填法開采工藝,以及頂板冒落沖擊災害防控方面的研究涉及較少。

本研究針對急傾斜中厚破碎礦體條件,在前人研究成果的基礎(chǔ)上,以錫林浩特螢石礦為研究背景,針對原用淺孔留礦法存在的片幫冒落及礦石損失貧化大等問題,提出空場嗣后充填法改進工藝,并給出防治冒落沖擊災害的安全散體墊層鋪設方法,以實現(xiàn)急傾斜中厚破碎礦體安全高效開采。

1 工程背景

錫林浩特螢石礦為中低溫熱液型礦床,螢石礦體呈脈狀、層狀—似層狀產(chǎn)出,礦巖接觸帶圍巖主要為蝕變閃長巖,有0.6～1.2 m的蝕變現(xiàn)象,較為破碎,近礦圍巖主要為黑云母斜長石花崗巖。螢石品位平均為63.21%,傾角為80°～90°,礦體平均厚7 m,沿走長約480 m,屬于典型的急傾斜中厚破碎礦體,礦山采用兩翼豎井開拓方式,淺孔留礦法采礦,階段高度為40 m。

由于礦體較破碎,在礦巖接觸帶還存在一定厚度的蝕變區(qū)域,淺孔留礦法開采中,普遍存在著巷道片幫冒落情況(圖1)。一方面,對采場作業(yè)人員人身安全造成威脅;另一方面,導致礦石回采率低,貧化率高,回采率與貧化率分別為82.01%與17.98%。因此,需根據(jù)礦巖的穩(wěn)固性條件,改進采礦方法與優(yōu)化采場結(jié)構(gòu),提高采礦安全作業(yè)條件。

圖1 邊壁巖體片落情況Fig.1 Spalling of the rock mass on the side wall

2 礦巖可冒性分析

巖體的冒落與開采跨度、礦體埋深、側(cè)壓力系數(shù)等因素密切相關(guān),并且冒落線的形狀能夠較好地接近于拱形[14],力學分析模型如圖2所示。

圖2 冒落拱力學分析模型Fig.2 Mechanics analysis model of caving arch

本研究以左半拱作為分析對象,根據(jù)力系平衡原理,得到的應力關(guān)系表達式為

礦山采用淺孔留礦法開采時,預留10 m厚頂柱,分層回采高度4 m,該中段采礦底板標高位于+1 060～+1 090 m水平,礦體抗壓強度為14.67 MPa,礦石密度為3.18×103kg/m3,側(cè)壓力系數(shù)λ=0.16,代入式(6)得到極限冒落跨度值為5.4～6.4 m。由于螢石礦脈的平均厚度為7 m,大于極限冒落跨度,作業(yè)人員直接在頂板暴露下進行采礦作業(yè)存在冒落事故風險,需改進采礦方法。

3 采礦方法改進

3.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

根據(jù)礦巖可冒性分析結(jié)果,并結(jié)合礦山原采用的淺孔留礦法存在的不足,提出了以垂直深孔落礦階段礦房法為主的空場嗣后充填法(圖3),階段高度取80m,中段高度40m,分段高度20m。礦體沿走向長約420 m,將整個礦體劃分為3個礦塊,礦塊間留2個7 m厚的間柱,每個礦塊分為3個采場,即兩側(cè)大采場長53 m,中間為小采場長30 m,在階段頂板留10 m厚頂柱,用于防止頂板覆蓋層冒落。

圖3 空場嗣后充填采礦方法原理Fig.3 Principal of open stoping with subsequent filling mining method

為防止采場內(nèi)邊壁圍巖片幫造成較大的礦石損失與貧化,在階段回采過程中,采取分段鑿巖不出礦、只在中段及階段水平出礦的方式,這樣可以利用分段崩落的礦石散體支撐邊壁圍巖,利用散體的側(cè)向支撐作用限制邊壁圍巖的片幫發(fā)展[15],在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù),將礦石損失貧化降到最低[16-17]。由于巷道采取單沿脈布置方式,崩礦步距成為影響礦石損失貧化的最主要因素,故需進行深入研究。

采用垂直深孔落礦時,沿進路方向的放出體方程式為

錫林浩特螢石礦散體流動參數(shù),沿進路方向α1=1.712,β1=0.125;放出體高度d=40m,夾角 θ=78°,松散系數(shù)k=1.5。根據(jù)式(9)計算得到合理的崩礦步距B=1.56 m。

3.2 采切工程布置

在980m階段水平,于礦體上盤掘進階段脈外運輸巷及階段出礦穿脈巷,在脈內(nèi)沿礦房長軸方向掘進脈內(nèi)拉底巷道,以該巷道為自由面進行擴幫,將礦房底部拉底至礦體兩側(cè)邊界。切割工程方面,各個分段的沿脈采準工程完成后,以礦塊為單位,在每個采場端部開掘切割井,切割井規(guī)格為1.5 m×2.0 m,在切割天井兩側(cè)鉆鑿切割炮孔,每排布置5個炮孔(圖4),以切割天井為自由面拉開切割槽。

圖4 切割工程布置Fig.4 Layout of the cutting engineering

3.3 回采及充填

采場的回采順序為:第1步先開采礦塊中小采場(30 m長的采場),采用尾砂膠結(jié)充填;第2步開采大采場(53 m長的采場),進行高濃度尾砂充填,采取按中段由下向上的回采方式?；夭蓵r應注意當小采場回采完準備回采兩側(cè)的大采場時,其回采順序應從中間的小采場邊壁向兩端的間柱方向進行退采,以避免分段脈內(nèi)崩礦巷道在開采過程中被封堵。當整個采場回采完后,從中段穿脈巷道向下開掘一條充填斜井,將充填管道由此處下放至空區(qū)進行充填接頂。

4 采空區(qū)頂板冒落危害防控措施

充填作業(yè)前,在預留的安全頂柱下方會形成一定規(guī)模的采空區(qū),由于空區(qū)預留頂柱上方積壓大量散體,在散體自重作用下,空區(qū)頂板礦柱突然大規(guī)?？迓?形成沖擊氣浪危害,故需采取相應的管控措施消除空區(qū)存在時可能帶來的冒落沖擊危害[18-19]。

4.1 冒落沖擊風險分析

4.1.1 巖塊下落時沖擊氣流計算

采空區(qū)頂板巖塊冒落過程中將產(chǎn)生一定量的氣流,最大風流速度計算公式為

式中,vmax為巖塊冒落產(chǎn)生的最大風流速度,m/s;ρ為覆巖密度,kg/m3;v為巖塊冒落產(chǎn)生的風流速度,m/s;C為空氣阻力系數(shù),取1.2;g為重力加速度,9.8 m/s2;S為冒落的等價圓面積,m2;A為下落巖塊最大面積,m2;h1為覆巖冒落高度,m。

通過對采空區(qū)的存在狀態(tài)進行分析,錫林浩特螢石礦采空區(qū)寬8m,中段空區(qū)高度40m,將h1=40m,S=32.15 m2,A=1.5×2=3 m2,g=9.8 m/s2,C=1.2,代入式(11),計算得:vmax=6.96 m/s。

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2020)要求,井巷內(nèi)平均風速最高不應超過12 m/s。通過計算分析,單巖塊從母體脫離下落過程中所產(chǎn)生的風流不會對人員造成傷害。

4.1.2 巖塊落地后沖擊氣流計算

將最大巖塊的幾何形狀簡化為橢球體,則巖塊落地后沖擊氣流速度的計算公式為

式中:a為橢圓長半軸,m;b為橢圓短半軸,m;hc為巖塊離地高度,m。

對于單個塊體零星冒落而言,將a=1.5 m,b=1 m,hc=1.5 m,h=40 m等參數(shù)值代入式(12),可得:u=28 m/s。

最終,巖塊下落形成的沖擊氣浪值由最大風流速度值與沖擊氣流速度值兩者共同構(gòu)成,通過計算確定為34.96 m/s,遠遠超過了安全規(guī)程規(guī)定的數(shù)值,必須采取安全措施。

4.2 冒落沖擊防控方法

為防止采空區(qū)冒落沖擊危害的發(fā)生,需設置合理的安全墊層厚度。散體墊層主要由邊壁片落巖石構(gòu)成,當墊層厚度不能滿足要求時,需通過上階段水平充填斜井進行廢石散體補充充填。針對采場出礦條件,可以分為2種散體墊層留設方式。當采空區(qū)暴露跨度達不到極限冒落跨度時,空區(qū)底板散體墊層厚度高出鑿巖巷道頂板一定高度即可(端部出礦口封堵),如圖5(a)所示。

圖5 散體墊層留設方式Fig.5 Layout method of the granular media cushion

當采空區(qū)暴露跨度達到極限冒落跨度時,空區(qū)底板散體墊層厚度必須將鑿巖巷道端部封堵。文獻[20]提出的空區(qū)底板合理散體墊層厚度的計算式公式為

式中,L為極限冒落跨度值,m;L0為散體墊層基礎(chǔ)穩(wěn)固性補償量,一般取1.5～2.0 m。

將L=6.4 m,h1=40 m,L0=2 m代入式(13),計算得到散體安全墊層厚度為3.3 m(圖5(b)),可以保障采場避免遭受冒落沖擊威脅。

5 現(xiàn)場試驗效果分析

通過現(xiàn)場試驗,回采礦石塊度均勻,采場安全作業(yè)條件良好。采礦方法改進前后,礦石回采率與貧化率統(tǒng)計情況見圖6。采礦方法改進后,礦石回采率為89.32%,貧化率為10.23%,回采率提高了7.31%,貧化率降低了7.66%,現(xiàn)場工業(yè)試驗取得了良好效果。

圖6 采礦方法改進前后礦石回采率與貧化率變化情況Fig.6 Variation ore recovery rate and dilution rate before and after the improvement of mining method

6 結(jié) 論

(1)從可冒性角度出發(fā),構(gòu)建了巖體冒落力學模型,提出了以垂直深孔落礦階段礦房法為主的空場嗣后充填開采工藝,給出了采場結(jié)構(gòu)布置及參數(shù)優(yōu)化方法,并提出了防治冒落沖擊災害的安全散體墊層鋪設方法,有助于實現(xiàn)急傾斜中厚破碎礦體安全高效開采。

(2)通過可冒性分析,錫林浩特螢石礦礦體極限冒落跨度為5.4～6.4m,存在頂板冒落風險。據(jù)此改進了采礦方法,確定的最佳崩礦步距為1.56 m,該參數(shù)可有效降低礦石損失貧化。在此基礎(chǔ)上分析了頂板冒落沖擊危害,確定的散體安全墊層厚度為3.3 m。通過現(xiàn)場工業(yè)試驗,采場作業(yè)安全,回采率提高了7.31%,貧化率降低了7.66%,經(jīng)濟效益顯著。

(3)對于該類礦巖特性,進行了可冒性理論分析,但對于冒落機理未進行闡述,后續(xù)工作中將采用數(shù)值方法對其進行深入研究,進一步細化冒落發(fā)展特征,實現(xiàn)采空區(qū)冒落精準防控。