王少林

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

銅坑礦復(fù)雜充填體下采場地壓監(jiān)測分析＊

王少林

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

銅坑礦 92#礦體開采條件復(fù)雜,在Ⅲ、Ⅴ盤區(qū)等區(qū)域已形成大范圍充填體,采場地壓監(jiān)測非常重要。進(jìn)行了周邊采空區(qū)與充填體現(xiàn)場調(diào)查,開展了系統(tǒng)的采場地壓監(jiān)測,為礦山安全生產(chǎn)提供了有力的科學(xué)依據(jù),最后提出了有效的地壓災(zāi)害防范措施。

采空區(qū);充填體;地壓監(jiān)測;聲發(fā)射

1 礦山工程地質(zhì)條件及開采概況

銅坑礦采區(qū)有細(xì)脈帶礦體、91#、92#礦體三大主要礦體,經(jīng)過 30多年的開采,井下已經(jīng)形成相互影響、錯綜復(fù)雜的開采格局。近幾年來對 92#礦體進(jìn)行連續(xù)大規(guī)?；夭?形成了約 100萬 m3的開采空區(qū),其中部分已采用廢石或膠結(jié)進(jìn)行了嗣后充填,形成了大范圍的充填體。隨著采礦作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行,大范圍充填體周邊巖層的穩(wěn)固性成為了礦山安全生產(chǎn)必須解決的重要問題。通過一系列的課題研究,著重以 92#礦體Ⅲ盤區(qū)作為巖層穩(wěn)固性分析對象,進(jìn)行地壓監(jiān)測研究。

92#礦體賦存于上泥盆統(tǒng)榴江組下段硅質(zhì)巖中,受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等多方面的影響,開采條件十分復(fù)雜。該礦體規(guī)模巨大,走向近東西,長 680m,傾向北,傾角 15°～25°,傾向延伸 830m。92#礦體與其上覆的 91#礦體中心部位相連重疊,其余部分均有巖體相隔,其平均垂直厚度為 16.57m,最大垂直厚度達(dá) 40m。91#礦體采空區(qū)采用棒磨砂膠結(jié)充填、塊石膠結(jié)充填和廢石充填 3種充填方法進(jìn)行了全面的充填。92#礦體自開采以來,已對較大的采空區(qū)進(jìn)行了充填,其Ⅲ盤區(qū)和Ⅴ盤區(qū)有較大面積的充填體。由于充填方式、充填膠結(jié)程度及強度的不同,使得充填體下部區(qū)域及相鄰區(qū)域周邊巖體質(zhì)量產(chǎn)生差異,導(dǎo)致采場圍巖穩(wěn)固性也會產(chǎn)生不同程度的變化。且在開采過程中,采場局部應(yīng)力集中并轉(zhuǎn)移,引起采場頂板和礦柱破壞,頂板圍巖和充填體穩(wěn)固性也會受到影響。因此,只有合理的回采,同時加強綜合地壓監(jiān)測分析,才能保證高效、安全、全面的回收礦石資源。

92#礦體與 91#礦體部分上下重疊。重疊區(qū)和非重疊區(qū)采礦方法不同,采礦工藝也有所不同。重疊區(qū)的礦體采用組合式崩落法,即空場法采礦,嗣后誘導(dǎo)崩落頂板以釋放地壓。采場礦房寬為 20～25m,長為 70～80m,礦柱寬為 12～15m。采準(zhǔn)切割工程依照分段空場法布置,并采用大直徑深孔或上向中深孔分段鑿巖崩落礦石。

非重疊區(qū)采用連續(xù)礦柱空場法回采。礦體以盤區(qū)劃分,盤區(qū)寬為 100m。盤區(qū)礦柱寬為 20m,盤區(qū)內(nèi)劃分礦房,其礦房寬為 25m,礦柱寬為 16m。采準(zhǔn)工程依照空場法布置,并采用大直徑深孔、上向大孔豎條崩礦,出礦均采用電耙漏斗出礦。

92#Ⅴ盤區(qū)及部分Ⅲ盤區(qū)屬于重疊區(qū),Ⅲ盤區(qū)內(nèi)近年來多次發(fā)生較大面積的頂板冒落、片幫垮落等地壓活動。隨著盤區(qū)內(nèi)開采范圍的擴(kuò)大,可能會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中,從而引起頂板和礦柱的破壞。目前在 Ⅲ盤區(qū)內(nèi),T310、T311、T312、T313、T314、T317采場,均已進(jìn)行充填作業(yè),充填體體積約為 60萬m3。

2 地壓監(jiān)測

2.1 地壓監(jiān)測手段

現(xiàn)場地壓監(jiān)測分井下與地表兩個部分。地表監(jiān)測主要是進(jìn)行巖移監(jiān)測,采用經(jīng)緯儀前方交會法和三角高程法測量地表水平和垂直位移。井下地壓監(jiān)測方法有巖體聲發(fā)射監(jiān)測、水準(zhǔn)測量、現(xiàn)場巖層破壞檢查、巖層應(yīng)力測量等。

(1)巖體聲發(fā)射監(jiān)測方法在銅坑礦的應(yīng)用較早,目前根據(jù)采礦作業(yè)的現(xiàn)狀,對井下主要工作區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測網(wǎng)的調(diào)整。采用以 24通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)為主的地壓監(jiān)測網(wǎng),對 91#、92#礦體圍巖實行每天24h不間斷監(jiān)測。采集聲發(fā)射波形后,通過自動統(tǒng)計、人工確認(rèn),并通過儀器記錄的能量值、事件率、波形圖等來分析井下監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的典型地壓活動特性。通過聲發(fā)射監(jiān)測,可以清晰地掌握巖體內(nèi)部變形或局部產(chǎn)生微裂隙破壞的信息,從而監(jiān)測到盤區(qū)內(nèi)巖體的變形和破壞過程,而形成大范圍地壓活動是這些微觀破壞的綜合表現(xiàn)。

(2)水準(zhǔn)測量是根據(jù)盤區(qū)內(nèi)巖體下沉量,來確定巖體的破壞和巖層移動趨勢,是采場圍巖及頂?shù)装宸€(wěn)固性研究的重要參考依據(jù)。對各沉降監(jiān)測點的測量周期是 1～2個星期。

(3)現(xiàn)場巖層破壞檢查。每日對井下各主要監(jiān)測區(qū)域的巷道圍巖和采場頂?shù)装暹M(jìn)行現(xiàn)場檢查,具體記錄具有地壓顯現(xiàn)的地壓活動特征,并對近期地壓監(jiān)測的現(xiàn)場情況進(jìn)行分析總結(jié)。

2.2 地壓監(jiān)測結(jié)果

充填體圍巖地壓條件的變化,必定會影響到充填體的穩(wěn)固性。部分采場長期不間斷的地壓監(jiān)測的典型結(jié)果見表1和圖1、圖2、圖3。

表1 現(xiàn)場地壓檢查記錄

圖1 455m水平 T311東聲發(fā)射事件數(shù)曲線

圖2 T311采場總事件率曲線

圖3 Ⅲ盤區(qū) 455水平 0#～203#線水準(zhǔn)沉降測量曲線

從采場聲發(fā)射事件數(shù)曲線來看,采場周邊巖體,出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中,聲發(fā)射事件數(shù)持續(xù)增大;當(dāng)巖體內(nèi)部微破壞發(fā)生后,應(yīng)力轉(zhuǎn)移已完成,巖體聲發(fā)射事件數(shù)又急劇減少。從巖體本身來看,這正是巖體發(fā)生破壞的一個過程。

2.3 地壓監(jiān)測分析

(1)Ⅲ盤區(qū)中腰 505水平 8#線 T316-317東側(cè)段系統(tǒng)監(jiān)測巖音最高事件數(shù)為 385次/d,平均事件率為 150次 /d,較前期波動不大,但巷道頂板脫層仍在持續(xù)緩慢擴(kuò)展;6#線南面 T318段近期頂板沉降觀 測結(jié)果變化不大,巷道周邊無應(yīng)力破壞加速現(xiàn)象;Ⅲ盤區(qū)底部 455水平 201#線 T311-T312段周邊無新的破壞現(xiàn)象,系統(tǒng)監(jiān)測巖音平均事件率僅為 50次 /d;201#線南面 T317-T318段仍在繼續(xù)緩慢破壞,但無加速現(xiàn)象,該段系統(tǒng)監(jiān)測巖音最高事件率為87次 /d,平均事件率為 72次 /d。

(2)Ⅴ盤區(qū)前期應(yīng)力加載破壞區(qū)域周邊破壞較平緩;560m水平上盤 6#線Ⅴ盤區(qū)頂部垮落區(qū)邊緣破壞較緩慢,現(xiàn)場監(jiān)聽巖音事件亦不多;505水平上盤 6#線 T507-T508西側(cè)有軌運巷鋼架支護(hù)段邊幫有新的少許破碎現(xiàn)象;494水平 91#西南區(qū)(T507-T508對應(yīng)部位)段近期周邊無新的冒落破壞。

92#礦體Ⅲ盤區(qū)的采場,由于長期持續(xù)開采,采場邊界和頂板圍巖微破壞持續(xù)發(fā)生,導(dǎo)致承載力下降。在復(fù)雜充填體下的采場,受頂板移動的影響,且影響采場頂板及圍巖穩(wěn)固性的參數(shù)不確定。礦房頂板失穩(wěn),礦柱的承載力下降,導(dǎo)致盤區(qū)兩端礦柱的拉應(yīng)力逐漸增大,圍巖的穩(wěn)固性降低,直接影響到整個盤區(qū)的充填體及空區(qū)的穩(wěn)固性。

3 地壓控制措施

通過對采場地壓監(jiān)測資料的整理和總結(jié)得出,不同的回采順序?qū)r層破壞的影響是不同的。最佳開采順序能使待采礦的采場處于比較好的地壓條件下,從而保證在大范圍充填體下采場的安全、高效生產(chǎn)。為優(yōu)化開采工藝和回采順序,對充填體下的采場回采和空區(qū)處理方式進(jìn)行了調(diào)整,主要措施如下:

(1)在盤區(qū)內(nèi),回采順序采取由西往東和以崩落區(qū)中心向外后退的方式回采。

(2)增加保留礦柱的厚度,以分割較大的采空區(qū),減少礦柱的局部承載力,保證頂板的穩(wěn)固性。

(3)在頂板開裂處,采取合適的頂板處理措施,對頂板進(jìn)行保護(hù),或者在頂板承壓較大的區(qū)域采取誘導(dǎo)崩落頂板的方式來處理采空區(qū),以避免由于頂板造成的地壓災(zāi)害。

(4)開采后期,采用礦塊階段強制崩落法,連續(xù)后退式回采和放礦。

(5)采用合理的爆破順序,以減少對礦房礦柱穩(wěn)固性的破壞和影響。

(6)采用錨栓等增強充填體的抗變形能力,防止充填體失穩(wěn)。

4 結(jié) 論

通過對 92#礦體Ⅲ盤區(qū)等區(qū)域的采場地壓進(jìn)行長期監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)充填體在圍巖應(yīng)力與位移發(fā)生變化的情況下,會產(chǎn)生自身失穩(wěn),導(dǎo)致周邊圍巖和采場的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)急劇變化,從而產(chǎn)生一系列的地壓活動現(xiàn)象。主要結(jié)論如下:

(1)以聲發(fā)射監(jiān)測作為 92#礦體采空區(qū)地壓監(jiān)測的主要技術(shù)手段,依靠監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測,可以掌握整個監(jiān)測區(qū)域巖體破壞的信息。

(2)以水準(zhǔn)測量、應(yīng)力測量等多種其它監(jiān)測手段為輔助,針對充填體下復(fù)雜難采的礦體進(jìn)行全方位的地壓監(jiān)測,有利于全面控制礦體采動過程中的地壓變化。

(3)導(dǎo)致復(fù)雜充填體下采場巖層破壞的主要原因是充填體自身失穩(wěn),優(yōu)化采場的開采工藝和回采順序是防范充填體下采場地壓災(zāi)害的有效措施。

[1] 韋方景,黃道欽,毛建華.銅坑礦厚大礦體安全開采與大范圍地壓監(jiān)測[J].采礦技術(shù),2009,9(3).

[2] 文衍瑜,劉湘平,羅一忠.大廠銅坑礦地壓監(jiān)測預(yù)報與控制技術(shù)[J].采礦技術(shù),2008,8(9).

[3] 王文星.巖石力學(xué)[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[4] 葉粵文,羅一忠.高峰錫礦 100#礦體地壓監(jiān)測與控制技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),1998,18(4).

[5] 毛建華,蘇家紅,余陽先.銅坑礦主礦體多層開采宏觀地壓監(jiān)控技術(shù)研究[J].采礦技術(shù),2004,4(12).

[6] 高 峰,周科平,胡建華,等.充填體下礦體開采安全頂板厚度數(shù)學(xué)預(yù)測模型[J].巖石力學(xué),2008,(1).

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2008BAB32B02).

2010-02-28)

王少林(1982-),男,江西萍鄉(xiāng)人,助理工程師,在讀研究生,從事礦山安全科研工作,Email:robbyybaby@163.com。