有色金属科学与工程  2017, Vol. 8 Issue (1): 122-126
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某黑钨矿采区地压控制技术[PDF全文]
曾凡珍    
赣州有色冶金研究所,江西 赣州341000
摘要:矿山开采必然引起采区地压活动,它影响矿区的安全生产和资源的有效回收.通过对某黑钨矿采区地压活动的研究,揭示矿区开采地压显现的基本规律及其破坏特征,并提出控制矿区地压活动的综合性预防措施,通过这些措施的实施,有效抑制采区地压活动,解决矿区回采过程中安全性差和矿石贫化、损失率大等难题,取得良好效果,为矿山安全、高效和稳定的生产提供保障.
关键词黑钨矿床    破碎带    采区地压    地压控制    
Ground pressure control technology in a wolframite mine
ZENG Fanzhen    
Ganzhou Nonferrius Metallurgy Research Institute, Ganzhou 341000, China
Abstract: The mine exploitation would inevitably lead to mining area ground pressure, which affects the effective recovery of mine safe production and resources. Through the research on a wolframite mining area ground pressure area, the basic laws of mining ground pressure behavior and failure characteristics were revealed. A series of preventive measures were proposed to control the activities of mining ground pressure. The implementation of these measures effectively inhibits the mining area ground pressure increase, which ensures safe and efficient production.
Key words: wolframite deposit    broken zone    mine ground pressure    ground pressure control    

矿山开采过程中,由于岩体的开挖引起工程围岩应力的平衡失调, 使原来处于平衡状态的应力在岩体内部重新分布,并因此产生应力的集中与释放等情况, 从而引起围岩的变形、移动乃至破坏,这就是矿山地压活动[1-2].其范围、规模以及危害程度,与矿山岩体工程地质条件、生产工艺、生产规模以及采掘强度等有直接的关系.有效控制矿山地压,避免或减少地压活动对矿山的危害是保障企业安全、高效和稳定生产的关键[3].

1 矿山概况

某黑钨矿床属岩浆期后气化--高温热液黑钨矿床.矿体赋存于变质岩覆盖下的岩体接触面内带的云英岩带内,矿带长800 m、宽90 m左右,厚20~30 m, 共有14条矿带组成.矿体平面上呈窄长带状,具分枝、膨缩、平行交替现象和剖面上的不连续带状特征.矿体倾向N W30 °、倾角55°~75°.矿区采用平窿加盲斜井联合开拓,陆续形成了770 m、720 m、670 m和620 m等4个开采水平(见图 1),中段高为50 m,目前主要生产水平是720 m和770 m水平(其中770 m水平大部分采场已结束正常作业),670 m和620 m水平正在进行开拓,生产处理能力为400 t/d, 采矿方法主要有全面法、浅孔留矿法(小采)和分段凿岩阶段矿房法(大采).

图 1 矿区开拓系统示意 Fig. 1 Mine exploration system diagram

相对于赣南其它钨矿山, 该矿区是一开采时间较短的矿区,不仅矿脉少、矿石储量小,目前所形成的采空区也较小,并且其空间关系相对简单.按常理矿区地压活动应该不会明显, 但由于矿体上盘赋存有一与矿体走向基本一致、厚度大致相同的F1构造破碎带(见图 2),易导致矿体开采过程中上盘构造带的垮塌与冒落,造成矿石的损失与贫化,威胁井下的生产安全.随着矿区开采水平的向下延伸和采空区量的逐步增大,这一问题将日益突出,极有可能造成上盘围岩的大面积冒落,诱发区域性的地压活动,制约矿山的健康发展.

图 2 12号勘探线剖面 Fig. 2 12 prospecting line profile map

2 地压活动原因分析

矿山地压活动是矿体开采的必然结果, 影响因素众多,概括起来可分为2个方面,即自然因素和生产因素.自然因素包括矿岩岩性、矿体赋存深度、矿体倾角与厚度及构造发育情况等;而生产因素则包括采矿方法、回采顺序、采空区的处理、施工管理及总体工程布局等.总之,地压活动的发生是众多因素综合影响的结果[4].

就该矿区而言,导致矿区地压活动的主要因素是F1破碎带的不良影响以及采矿方法的不合理.

1)破碎带的影响:岩体中的地质构造,特别是断裂与层间弱面构造是造成地压活动的一个主要因素,断裂构造使得原岩应力转移引起局部岩体应力集中,其本身切割岩体,破坏岩体的完整性,使岩体承载强度下降,大量现场实例说明断层发育地带是地压活动极为频繁的区域,也是灾害性地压的突破口[5-8].

该矿区矿岩属中等稳固以上的岩体,深部岩石条件更好,并且整个矿区地质构造总体不发育,就此一定程度上抑制了地压活动的发展.但是,由于该矿区属于浸染状矿床,产状复杂,矿体各方向上分枝、复合现象频繁,尤其是受矿体直接顶板上覆F1构造破碎带的影响,该破碎带节理、裂隙发育,局部地段有高岭土化现象,遇水或受潮易呈疏松的碎状、角砾状甚至泥状,力学性能极差,岩体被切割成众多棱形块体,使其自撑能力降低,总体稳固性变差.当开采后周边形成空区时,易造成采场的垮坍和失稳.

2)采矿方法的影响:针对不同矿段,矿区分别采用全面法、浅孔溜矿法和分段空场法等采矿方法.其中全面法主要用于矿岩中等稳固以上的缓倾斜薄矿体;浅眼留矿法用于矿岩中等以上稳固的倾斜、急倾斜薄矿体;而分段凿岩阶段矿房法则用于矿岩稳固的急倾斜中厚矿带(体) 或倾斜的厚矿体[7].

通过对矿区开采技术条件的分析和现行采矿方法的研究,认为现行的开采方法基本上是可行的:对于矿岩中等稳固或稳固的缓倾斜薄矿体和倾斜薄矿体,采用全面法和浅眼留矿法是钨矿山多年沿用的传统采矿方法.这种采矿方法经多年的生产实践检验是可行的,它不仅生产工艺较简单,而且具有采准切割工程量较小、劳动生产率较高和经济效益较明显等优点,能满足矿区生产能力的要求;分段凿岩阶段矿房法具有回采强度大、采矿成本低、回采作业相对安全等优点,用于矿岩稳固的急倾斜中厚矿带(体) 或倾斜的厚矿体也是合适的.

但对于临近破碎带的急倾斜中厚矿带(体) 或倾斜的厚矿体,采用分段凿岩阶段矿房法则是不合适的,因为根据目前矿区的开采技术条件,此地段采用空场法回采易导致采场上盘的垮塌和冒落,从而产生局部的地压活动现象,不能保证空区作业的安全,也易造成采场矿量的严重贫化和损失,影响矿产资源的有效回收.因此,从地压控制和资源的有效回收角度考虑,采用分段凿岩阶段矿房法是不太适宜的,必需寻找一种适合矿区地压分布特点的新型采矿方法.

3 地压活动表现形式及其危害

通过现场调查发现,矿区地压活动的重点区域是F1断层破碎带及其周边地段,主要表现形式为采场的上采困难,如有的采场上采到一定高度时(往往在采高一半左右)上盘压力明显增加,迫使天井支柱变形、弯曲断裂、上盘严重片帮和垮塌,并逐渐发展为冒落,有的采场甚至无法正常回采;其次是受矿区地质构造等诸多因素的影响,岩块在自重应力作用下,受爆破振动和采动影响,克服原有的黏合力和摩擦力,不稳定岩体脱离母体沿地质结构弱面向密集空场分块段滑移、下沉[8],区内岩体变形破坏,进而向空区崩塌仍是一种不可避免的趋势,所以小范围的岩移也将是地压活动的另一种主要形式,表现为巷道龟裂、变形、片帮,底板下沉或上拱和支柱折断,矿柱、采场夹墙开裂及垮塌等地压现象.

地压活动对矿区的危害主要表现为以下3个方面:①影响矿山安全生产,使生产作业安全程度降低,对矿区井下人员、设备和生产设施带来重大威胁;②增加回采作业难度,易造成采场矿量的严重贫化和损失,影响矿产资源的有效回收;③将增大地压处理投入和矿体生产成本,影响企业的经济效益.

4 地压活动控制措施

为防止地压活动对矿区安全生产带来危害和有效回收矿产资源,针对诸多影响因素,除应选择正确的回采方式外,还应从总体工程布局、矿区回采顺序、采空区处理、各工艺结构参数的优化和施工管理等诸多方面进行综合预防与治理,方能达到控制采区地压活动,保障矿山安全生产的目的[9].

4.1 调整采矿方法

针对该矿矿体的赋存特点和地压分布特征,除沿用现有的分段凿岩阶段矿房法、浅孔留矿法和全面法3种采矿方法外,对于矿体中间段矿体厚度相对较大、规则和构造发育、围岩不太稳固的区段,则采用中深孔分段崩落法进行回采(结构示意图见图 3).

图 3 分段崩落法开采结构示意 Fig. 3 Schematic sublevel caving

中深孔分段崩落法采场布置4个分层,各分层采用联络巷的方式与人行设备井、下矿井沟通.分层高均为12~13 m,分层联络巷布置在矿带的东西两端,分层联络巷的规格为2.4 m×2.2 m,分层凿岩巷规格为2.8 m×2.8 m.

采用YZQ-90钻机凿上向扇形中深孔,孔径φ60~70 mm,孔底距1.8~2.2 m,排距1.2~1.5 m;BQ-100型装药器装粉状炸药,非电起爆,侧向挤压爆破.

采用平底部结构,在矿体下盘布置一装矿运输巷,由装矿运输巷每隔7 m布置一条装矿进路,规格均为2.4 m×2.2 m,装岩机出矿.

矿带中间段实施分段崩落法回采,回采过程中,由于上盘破碎带稳定性差,随着回采工作面的推进,破碎带岩体不断冒落,随覆盖岩层充填空区,即使没能完全消除采空区,因为有足够厚的缓冲层,也不致于出现大的冲击性地压,因而能确保采场的安全.同时,崩落法回采使矿区中间段矿脉密集地段承压带卸载,使采场应力场应力向围岩内部及周边转移, 从而有效地抑制了地压活动的显现, 整个采区区域性的地压活动得到有效控制,局部地压活动现象明显减少,极大地改善了相邻矿块的回采条件.

4.2 理顺开采顺序

在矿体的回采过程中,岩体应力不断起变化,地压的分布与转移随开采空间的变动而变化.通过合理的回采顺序调整,可使开采二次应力的分布较为合理,应力集中的程度得到改善,从而有利于相邻矿块的回采[10]:①在同一水平矿脉的开采中,横向上(沿矿体走向方向),以矿体中央为开采起点线, 回采工作面向东西两翼推进,形成中央部位的卸载区域,同时做好地压区隔离工作;②纵向上(上下水平),采取从上至下的开采顺序,当上下水平同向回采同一矿脉时, 上水平的回采应超前下水平的水平距离不小于100 m, 以减少二次应力的迭加影响;③在开采两条平行矿脉时,原则上先上盘后下盘的顺序进行,下盘采场的回采宜错开上盘采场回采引起的岩移峰值期, 一般要求同向水平距离不小于50 m,否则将造成下盘采场的应力集中,从而使其回采或放矿变得更加困难;④遵循上述顺序的同时,可根据具体条件,先回采矿脉密集、品位较高和矿岩条件相对较差、处于矿脉中高应力区的地段,以及用小采回采的矿脉.

18号勘探线是矿体的相对中心部位,也是矿体厚度最大的地段,是影响开采二次应力分布集中的关键部位,对开采应力在沿走向上的合理控制具有重要作用.

因此矿区合理的回采顺序是由矿带中间偏西部位(18号勘探线) 开始为起始线,总体以中部-东部-西部的开采顺序,向东西两端推进.同时可回采东西两端部用小采回采的矿脉.

4.3 合理处理采空区

实践证明,长期未作处理的大量空区是地压灾害的隐患所在,能否正确合理处理采空区, 关系到矿区的生产安全、矿产资源的有效利用以及企业的经济效益[11].

针对矿区不同的回采工艺和空区形态,采空区的处理方式也不尽相同.对于全面法、浅眼留矿法所形成的面积小、连续性差、围岩相对稳固的空场或地处边远地区的孤立的空场,主要采取“空”的方式进行处理;对于主平窿标高以上空区体积较大、围岩稳固性相对较差的空场,其采空区处理以“崩”为主,以“充”为辅;对于主平窿标高以下空区体积较大、围岩稳固性相对较差的空场,其采空区处理以“充”为主,以“崩”为辅[12-13]. ①720 m水平以上采空区处理:中间段空区相对较大的采场,采取崩落采场间夹墙、顶底柱及上盘围岩的方式来处理采空区, 以消除矿柱周围承压带的应力集中,使承压带卸载, 达到控制地压活动的目的;而对于矿区东西两端空区范围相对较小的采场,则采取封闭的方式让其自然崩落. ②720 m水平以下采空区处理:对于矿区东西两端全面法采场留下的空区,由于较稀疏和开采范围小、所形成的空场连续性差、围岩相对稳固且又地处边远地区,采取封闭的方式处理;而留矿法采场留下的空区,虽然其围岩相对稳固,但空区相对较大,空场连续性较好,采取崩落采场间夹墙及顶底柱的方式来充填采空区,或利用井下废石充填采空区,为一般性充填区域,充填系数要求达到0.3~0.4;对于中间段分段空场法采场留下的空区,空场暴露面积大,且矿房回采时留有大量的顶底柱及间柱, 采后易形成应力集中,采取崩落采场间夹墙及顶底柱的方式来充填采空区、使承压带卸载,或利用井下废石来充填采空区,为重点充填区域,充填系数0.6~0.7.

采用干式废石充填采空区,即消除了大量空区,又改善了围岩(或矿柱)的受力状态,能较好地起到延缓岩移过程、减少岩石移动量的作用,对维持夹墙及巷道的稳定性具有明显的效果,此外, 充填体还可起到垫层的缓冲作用, 对可能产生的冒落起到缓冲作用, 这对防止大面积冲击性地压灾害对井下人员和设备的危害是有很大作用的[14-15].

目前,黑钨地下矿山大部分已进入深部开采,采空区也不同程度地进行了废石充填处理,实践表明,合理与规范性地充填矿区,不仅能对控制采区地压活动起到明显效果,还可减少工业废料排放[16].

4.4 地压控制其他技术措施

其他地压控制措施主要有:①严格按合理的开采方法和回采顺序进行生产作业,防止地压活动的发生;②优化采场结构及参数, 合理确定采场断面形状及矿房矿柱尺寸,充分发挥岩体自承载能力,维护采区的稳定;③优化爆孔参数,如针对矿体上盘有一大的构造破碎带,采取预留矿柱和减小一次崩矿量等技术措施, 减少爆破震动效应导致的采场上盘垮塌和冒落等地压活动的发生;④水是影响岩体稳定性的一个不利因素,应加强采区的排水、完善各水平的排水设施,减少地压活动的发生[17];⑤建立和完善采区重点区域的地压监测体系,对采区可能产生的地压活动起到预警和预报作用[18];⑥加强技术管理、增强地压管理意识和水平,确保矿山安全生产.

5 地压控制措施实施效果

各项地压控制措施在矿区得到逐步实施,尤其是矿带中间段厚大不稳定矿体实施中深孔分段崩落法回采后,整个矿区区域性的地压活动得到有效控制,局部地压活动现象明显减少,采场上采困难等现象也得到明显改善,大部分采场都能上采到设计高度.

在这期间,矿区采用分段凿岩阶段矿房法顺利回采1个采场、采用中深孔分段崩落法回采1个采场、采用全面法回采1个采场、采用浅孔留矿法回采2个采场,采出矿石量共计12.85万t,矿石综合贫化率由23 %降低到18 %, ;矿石综合损失率由20 %减少到16 %.

6 结论

1)矿山地压活动是由开采引起的,既有主观因素(生产因素),也有客观因素(自然因素),是众多因素共同影响的结果,处理不及时或处理不当会给矿山安全生产和资源回收带来不利影响;

2)采取综合性的地压控制措施,能取得良好的效果.如废石充填采空区、调整回采工艺进行缷压等,能有效控制采区地压活动;

3)地压活动控制好了,能极大地提高矿山的安全生产水平和资源的有效利用率,降低矿石综合贫化率和损失率,这对提高企业的经济效益、保护生态环境,以及促进企业的可持续发展具有重要作用.

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