祝 軍

(四川里伍銅業(yè)股份有限公司, 四川甘孜縣 626201)

里伍銅礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析

祝 軍

(四川里伍銅業(yè)股份有限公司, 四川甘孜縣 626201)

通過對里伍銅礦采空區(qū)的穩(wěn)定性及地壓的研究和分析,提出了控制礦區(qū)地壓的方法和措施,對該礦以后的開采具有很好的指導(dǎo)作用。

采空區(qū);地壓活動;穩(wěn)定性;強制放頂

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

里伍礦區(qū)出露地層為 1套泥沙質(zhì)沉積變質(zhì)巖系,屬志留泥盆系(SD)里伍帶(SD12-2),最大出露高度約 1000m,巖石類型簡單,有石英巖、片狀石英巖、片巖及變質(zhì)巖等。地層呈層狀、似層狀產(chǎn)出,傾向南東,傾角 20°～25°,單斜構(gòu)造,構(gòu)造中次級節(jié)理發(fā)育,西部比東部強烈。礦區(qū)斷裂構(gòu)造有正斷裂組,其延長規(guī)模不大,長 170～300m,產(chǎn)狀穩(wěn)定,斷距小,F3最大也僅 2m,破碎帶寬度小,最寬 3m。逆斷裂組,規(guī)模更小,產(chǎn)狀穩(wěn)定,斷距小,破碎帶寬度最大0.5m,斷層面呈弧形變曲并有分枝,遠(yuǎn)離礦體產(chǎn)出,對礦體無破壞。

銅礦床產(chǎn)于志留泥盆系(SD)里伍帶(SD12-2)的沉積變質(zhì)巖中,礦體呈群出現(xiàn),共有 26個礦體呈似層狀產(chǎn)出,礦區(qū)內(nèi)有上、下 2礦化帶。2礦化帶在23線一帶層間垂距達(dá) 400m,向西至 35線間距縮小至節(jié)理平形重疊產(chǎn)出。礦體單一,內(nèi)部構(gòu)造簡單。

礦體受江郎背斜控制,傾向南東。上部分布在35線以東的 A1、A2、A3、B1-1、B1、B2等礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定,傾向 95°～159°,傾角 20°左右;分布在 35線以西的 B3、B4、E5等礦體產(chǎn)狀變化較大,傾向 128°～226°,傾角 20°左右。下部礦體的傾向 109°～142°,傾角 18°～29°。

礦體位于侵蝕基準(zhǔn)面以上,地下水位之上,地形有利于自然排水,礦體的底板較穩(wěn)固,巖體結(jié)構(gòu)完整,工程地質(zhì)條件良好,水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件屬簡單類型。接近地表的巖石和礦石風(fēng)化較深,其礦巖穩(wěn)固性較差。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

2.1 影響采區(qū)地壓活動的因素

里伍銅礦采用全面法和房柱法采礦,到 2009年底,礦山已累計采出礦石 534.6萬 t,采出金屬量16.73萬 t。截止 2009年底已形成上部 4個中段(2860,2840,2820,2800)和下部 2個中段(2720,2700),共有 3處連續(xù)成片的采空區(qū),總體積達(dá) 26.7萬m3。按目前的生產(chǎn)規(guī)模估計,采空區(qū)體積將以每年 4萬 m3的速度增加。

由于在采礦過程中,后退式沿間柱用削采法回收了一半以上礦間柱,使連續(xù)礦間柱變成了尺寸較小的孤立點柱,也無連續(xù)的頂?shù)字?形成了大全面的采空區(qū)。礦體在礦區(qū)南緣和北緣的山腰出露,礦體采完后,使頂板和底板之間形成了北、西、南 3面懸空的大面積空區(qū),形成大的懸臂梁。加之有多層采空區(qū)和礦體的復(fù)合現(xiàn)象,例如:37～43線之間有 5層以上空區(qū),38～41線之間有多層礦體復(fù)合,采空區(qū)高度大,而礦柱仍然較小。

在其連續(xù)開采過程中,采空區(qū)暴露面積不斷增大,懸臂梁長度也隨著增大,應(yīng)力逐漸集中。多層礦體開采的多次擾動和削采法回收礦柱,使頂板穩(wěn)固性變差,礦柱尺寸縮小,特別是厚礦段的礦柱尺寸。這些因素使得某一礦柱和某一頂板中應(yīng)力超過了它們的強度,首先引起該礦柱或頂板的破壞,然后波及整個系統(tǒng),導(dǎo)致了空區(qū)大面積垮塌、巖體錯動、頂板下沉、底板開裂鼓起,巷道片幫折斷,地表開裂下陷,山體滑坡崩塌等一系列的地壓活動,導(dǎo)致礦山局部停產(chǎn),礦量損失,給礦山造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

總之,地壓活動發(fā)生的頻率越來越快、涉及的范圍越來越廣,給正在回采的生產(chǎn)中段和整個礦山生產(chǎn)系統(tǒng)造成了很大的安全威脅。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定及地壓研究的成果

(1)采空區(qū)周圍的巖體和采空區(qū)內(nèi)的礦柱出現(xiàn)了一定程度的巖體破損,采空區(qū)圍巖破損深度約為10～20m,大采空區(qū)內(nèi)的礦柱幾乎全部呈現(xiàn)出塑性屈服。從應(yīng)力狀況來看,最大剪應(yīng)力數(shù)值為 7.853 MPa,這一數(shù)值已經(jīng)接近或超過里伍礦區(qū)巖體的抗剪強度值,井下巖體因剪切而破壞的可能性極大。模擬計算結(jié)果顯示,地表出現(xiàn)了拉應(yīng)力,數(shù)值達(dá)0.462MPa,這種拉應(yīng)力的存在是導(dǎo)致地表開裂的重要原因。

(2)隨著開采面積的增大,采區(qū)穩(wěn)定性隨之降低。開采向深部延伸,采區(qū)頂板暴露面積增大,地壓增大,垮塌將不斷向深部延伸。在里伍礦區(qū)開采技術(shù)條件下,當(dāng)留設(shè)的礦柱面積比為 8%時,采區(qū)極限暴露面積在 5萬 m2左右;無礦柱支撐時的采空區(qū)極限暴露面積為 3000m2左右。深部孤立穩(wěn)固性較好的礦體的采空區(qū),只要留有足夠的礦柱,可以長期敞空存在。需指出的是,這 2個數(shù)值是對完整巖體而言的,當(dāng)巖體完整性不好或有較大結(jié)構(gòu)面或多層采空區(qū)而且層間距又小時,采區(qū)極限暴露面積的數(shù)值肯定要小一些。例如:礦區(qū)南緣 B3、B2礦體出露地表與硫磺崖子大構(gòu)造相通,礦區(qū)北緣 B3-1、B4礦體出露地表與陰山崖子大構(gòu)造相通,礦區(qū)西部有部分含水層,均發(fā)生了較大規(guī)模的地壓活動。37～43線之間為多層礦體,采空區(qū)多達(dá) 5層,而且層間距較小,也發(fā)生了較大的地壓活動。

(3)采區(qū)地壓研究證明,小地壓活動是大地壓活動的前兆。當(dāng)采空區(qū)頂板局部冒落和部分礦柱破壞后,地應(yīng)力將向周圍頂板及礦柱轉(zhuǎn)移,使其單位承壓增加,出現(xiàn)新的更大的應(yīng)力變化。對該類采空區(qū),如果不進(jìn)行及時處理,將導(dǎo)致地壓活動的重復(fù)再現(xiàn),而且越來越大。同時證明,礦區(qū)南緣和北緣山體繼續(xù)滑坡是不可避免的。

(4)采空區(qū)頂板達(dá)到極限暴露面積后,必然自然冒落,當(dāng)冒落到一定面積后,部分地應(yīng)力被釋放和轉(zhuǎn)移,出現(xiàn)新的平衡拱,拱的前腳落在工作面的前方,拱的后腳落在崩落帶上。拱的前后腳即支承壓力帶,在工作面的上方形成壓力降低區(qū)。地應(yīng)力對采礦的影響降低。但當(dāng)大面積冒落時,有可能出現(xiàn)大的沖擊波危害。下一步開采時,隨著工作面向前推進(jìn),擬隔一定距離就對頂板進(jìn)行切斷,讓頂板巖層自然崩落處理采空區(qū)。用有限數(shù)值模擬計算方法和基于彈性力學(xué)的解釋法對頂板巖層崩落步距(即放頂距)進(jìn)行了分析計算,二者的結(jié)果較為一致,其有關(guān)結(jié)論是:在巖體完整性較好的地段,頂板巖層合理的崩落步距為 66m;當(dāng)巖體的完整性不太好時,崩落步距以 33m較為合適。

(5)當(dāng)多層緩傾斜礦體重疊且彼此間相距較近的時候,如果用空場法從上往下逐層開采的話,則最上一層礦開采時的穩(wěn)定性跟其它地方單層礦開采的情形一樣,回采可以較為順利地進(jìn)行,但余下礦層開采時,采場的穩(wěn)定性就變差了,且越往下穩(wěn)定性越差,其主要原因在于:每一次應(yīng)力擾動(即每層礦的開采)均不同程度地削弱了巖體的穩(wěn)定性。每層礦開采時均會在其底板巖層中產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū),且量值超過了一般巖體的抗拉強度,而上一層礦的底板就是下一層礦的頂板。對于多層礦體宜采用長壁式崩落采礦法,在采礦的同時,處理采空區(qū)。

(6)隨著礦柱高度的增加,礦柱內(nèi)無論是主應(yīng)力軸向應(yīng)力,還是剪應(yīng)力,均呈現(xiàn)出不斷增大趨勢,其中增加最明顯的是剪應(yīng)力。剪應(yīng)力的存在是高礦柱穩(wěn)定性變差的主要原因。從數(shù)值模擬計算的結(jié)果來看,當(dāng)?shù)V柱高度達(dá)到 6m之后(長寬均為 3m),礦柱的穩(wěn)定性已經(jīng)大為削弱,礦柱高度越大,其穩(wěn)定性越差。有鑒于此,在礦體厚度較大的地段,建議不要采用這種細(xì)長礦柱,而應(yīng)采用寬長比大一些的礦柱,或者采用別的方法開采。

(7)由于全面強制放頂處理采空區(qū)后,往往存在老頂二次來壓的問題,建議不要采取強制放頂?shù)姆绞?而僅采取切割頂板的方式,這樣做在經(jīng)濟(jì)上要劃算些,且效果不錯。至于切割高度,以挑頂堵塞巷道為原則,根據(jù)自然安息角、松散系數(shù)和切割巷道的寬度等進(jìn)行計算,并取一個大于 1的系數(shù)。

[1] 長沙礦山研究院,等.四川里伍銅業(yè)股份有限公司采空區(qū)處理技術(shù)的研究報告[R].2004.

[2] 《采礦手冊》編委會.采礦手冊 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[3] Gibowicz SJ,KijkoA.礦山地震學(xué)引論[M].北京:地震出版社,1998.

[4] 張吉龍,童 輝.夾溝礦不同跨度采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性分析研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2007,27(2):32～34.

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2010-08-06)

祝 軍(1970-),男,四川內(nèi)江人,總經(jīng)理,工程師,從事礦山管理工作。