黃道欽,韋建宏,毛建華

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦, 廣西河池市 547207;2.長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

92號(hào)礦體圍巖穩(wěn)定性分析與頂板管理措施探討＊

黃道欽1,韋建宏1,毛建華2

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦, 廣西河池市 547207;2.長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)銅坑礦92號(hào)礦體目前主要生產(chǎn)區(qū)域圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),采用工程地質(zhì)調(diào)查分析評(píng)價(jià)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地壓活動(dòng)觀測(cè)結(jié)果,綜合判斷作業(yè)區(qū)域工作面、采場(chǎng)和空區(qū)頂板安全狀況,并提出了安全隱患排查、監(jiān)測(cè)、防治等對(duì)策與安全管理措施,該套保障圍巖穩(wěn)定的方法和安全管理措施在生產(chǎn)實(shí)際中得到成功應(yīng)用,取得了良好實(shí)效。

圍巖穩(wěn)定性;礦山地壓;安全管理;頂板管理;安全措施

0 前 言

廣西大廠礦區(qū)位于河池市南丹縣境內(nèi),為賦存有錫、銻、鉛、鋅、銦、銅等多金屬的大型礦床,與我國(guó)其他有色金屬礦山相似,同樣普遍存在工作面和空區(qū)頂板的圍巖失穩(wěn)安全問(wèn)題。其中92號(hào)礦體等厚大礦體因開(kāi)采規(guī)模巨大,圍巖穩(wěn)定性與頂板管理問(wèn)題尤其突出。

92號(hào)礦體多金屬礦石儲(chǔ)量達(dá)3000多萬(wàn)噸,上部重疊有急傾斜產(chǎn)出的細(xì)脈帶礦體、緩傾斜產(chǎn)出的91號(hào)礦體。其中,細(xì)脈帶礦體在各階段分別采用無(wú)底柱分段崩落法、分段空?qǐng)霾傻V法、大直徑深孔階段空?qǐng)龇ê统涮罘ú傻V;91號(hào)礦體主要采用嗣后充填的分段空?qǐng)龇ɑ虼罂组_(kāi)采,采用水砂膠結(jié)充填和塊石膠結(jié)充填。92號(hào)礦體與91號(hào)礦體有很大部分在水平投影上重疊,92號(hào)礦體在重疊區(qū)采用組合式崩落法回采,非重疊區(qū)采用留連續(xù)礦柱空?qǐng)龇ê晚敯逭T導(dǎo)崩落連續(xù)采礦。由于礦山開(kāi)采規(guī)模大,受多重開(kāi)采擾動(dòng)及高大采空區(qū)的影響,大范圍頂板和圍巖如有失控則易造成對(duì)井下作業(yè)人員及設(shè)備的危害,這也是我國(guó)金屬礦山開(kāi)發(fā)普遍遇到的技術(shù)難題。

為杜絕采場(chǎng)或巷道頂板突發(fā)性冒落而導(dǎo)致礦山經(jīng)濟(jì)損失和安全事故的發(fā)生,針對(duì)92號(hào)礦體頂板管理,須進(jìn)行采場(chǎng)頂板巖層穩(wěn)定性分析,采用科學(xué)的頂板管理與控制技術(shù)方法,才能達(dá)到安全、高效的安全生產(chǎn)技術(shù)目標(biāo)。因此,銅坑礦多年來(lái)致力于礦山安全技術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用。在92號(hào)礦體圍巖工程地質(zhì)調(diào)查研究基礎(chǔ)上,應(yīng)用工程地質(zhì)穩(wěn)定性分析、巖體力學(xué)與壓力拱原理、面積承載理論與數(shù)值模擬等理論方法,綜合分析圍巖穩(wěn)定性,落實(shí)了一套頂板管理綜合技術(shù)方法,結(jié)合先進(jìn)的監(jiān)控手段,為井下生產(chǎn)作業(yè)提供了安全技術(shù)保障。

1 圍巖穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

1.1 工程地質(zhì)調(diào)查與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

92號(hào)礦體賦存在570～255m水平之間,礦床水平分布面積約1km2,礦體頂板圍巖為寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r及部分硅質(zhì)巖。礦床水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,坑道涌水量主要以裂隙構(gòu)造水為主。根據(jù)92號(hào)礦體各巖層的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)開(kāi)挖后頂板的穩(wěn)定程度及發(fā)生冒落的危險(xiǎn)性進(jìn)行頂板安全分類。針對(duì)細(xì)脈帶、91號(hào)和92號(hào)礦體和圍巖進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查,在635～570,531,505,455,405,386,374m水平等區(qū)段揭露采區(qū)進(jìn)行了節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)。采用RMR及Q系統(tǒng)分級(jí)方法對(duì)92號(hào)礦體及圍巖的巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上對(duì)不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的頂板和礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果,92號(hào)礦體及圍巖的RMR分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表1,結(jié)果表明:92號(hào)礦體及圍巖的質(zhì)量為中等巖體～好巖體。

92號(hào)礦體及圍巖的Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2,分類結(jié)果表明:92號(hào)礦體及圍巖的質(zhì)量為中等巖體～良好巖體。

表1 銅坑礦巖體RMR分級(jí)結(jié)果

表2 Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果

1.2 92號(hào)礦體圍巖穩(wěn)定性計(jì)算分析

采用多種方法對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。根據(jù)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果和室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)成果,選取的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山設(shè)計(jì)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和初步試算結(jié)果,采用位移不連續(xù)法三維數(shù)值模擬對(duì)礦房頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果表明:

(1)細(xì)脈帶開(kāi)采結(jié)束后,地表發(fā)生垮落,塑性區(qū)大多在頂板中心位置,大面積呈現(xiàn)剪切破壞,局部為拉伸破壞,細(xì)脈帶所留礦柱處于嚴(yán)重的剪切塑性狀態(tài);

(2)91號(hào)礦體開(kāi)采結(jié)束后,細(xì)脈帶與91號(hào)礦體重疊區(qū)塑性區(qū)連通,出現(xiàn)大范圍應(yīng)力轉(zhuǎn)移,細(xì)脈帶東北區(qū)地表以下幾十米范圍均出現(xiàn)塑性區(qū),91號(hào)礦體的空區(qū)頂板與細(xì)脈帶空區(qū)底板塑性區(qū)連通;

(3)由于92號(hào)礦體的開(kāi)采,在重疊區(qū)92號(hào)礦體圍巖及上覆巖層中產(chǎn)生大面積塑性區(qū),重疊區(qū)中的塑性區(qū)逐步連通至地表;92號(hào)與91號(hào)礦體的隔離巖層處于塑性破壞狀態(tài),整體穩(wěn)定性差。

考慮礦區(qū)地壓活動(dòng)等方面因素,采礦范圍擴(kuò)大和礦柱回采過(guò)程中應(yīng)特別注意空區(qū)頂板管理。

2 安全對(duì)策措施

2.1 各階段安全隱患排查和綜合分析

影響圍巖穩(wěn)定性的因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、礦山開(kāi)采和井下采空區(qū)充填等。92號(hào)開(kāi)采的地壓活動(dòng)大部分由采空區(qū)引起,整體上主要表現(xiàn)為礦柱破壞、頂板冒落、巖層移動(dòng),以及局部的巖層破裂,伴有隨采空區(qū)的擴(kuò)大、地應(yīng)力調(diào)整和應(yīng)力轉(zhuǎn)移過(guò)程中造成的局部區(qū)域的地壓活動(dòng)。目前地壓活動(dòng)范圍主要發(fā)生在采空區(qū)上方及鄰近的周邊區(qū)域,部分波及到地表,規(guī)模從較小至中等。針對(duì)倒三角楔體垮落、沿?cái)鄬悠扑閹奥?、巖層面滑移、脫層、松散體冒落、幫壁“鼓起”、采場(chǎng)充填體壓壞開(kāi)裂、采場(chǎng)側(cè)壁脫層開(kāi)裂等頂板圍巖失穩(wěn)的主要類型,需采取相應(yīng)的對(duì)策措施。

2.2 加強(qiáng)礦山壓力控制與支護(hù)

針對(duì)92號(hào)礦體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力環(huán)境條件,實(shí)行了以下地壓控制和處理措施。

(1)按照三大礦體合理的回采順序,先完成上部細(xì)脈帶和91號(hào)殘留礦體開(kāi)采,逐步優(yōu)化回采92號(hào)礦體。遵循分區(qū)開(kāi)采的原則,實(shí)行整體地壓控制。

(2)采用適當(dāng)?shù)牟傻V結(jié)構(gòu)與支護(hù)參數(shù)。在礦巖體工程地質(zhì)與地壓活動(dòng)規(guī)律調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同類別的采場(chǎng),實(shí)施各類相適應(yīng)的支護(hù)方案。

(3)實(shí)施頂板處理和空區(qū)治理的有效措施,緩解92號(hào)礦體大范圍開(kāi)采的地壓活動(dòng)。

2.3 有效實(shí)施采區(qū)地壓活動(dòng)與采場(chǎng)頂板巖層監(jiān)測(cè)

目前采用了綜合性的地壓監(jiān)測(cè)手段,包括:井下巖移水準(zhǔn)測(cè)量、巷道收斂量測(cè)、圍巖位移測(cè)量、裂縫變化觀測(cè)、巖體應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)、巖體聲波測(cè)試、巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、宏觀地壓的觀測(cè)。為及時(shí)掌握地壓活動(dòng)動(dòng)態(tài),礦山采用多手段相結(jié)合,對(duì)不同監(jiān)測(cè)手段獲取的信息進(jìn)行綜合分析,為礦山生產(chǎn)安全提供保障。

2.4 加強(qiáng)安全隱患防治

根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)展加強(qiáng)采場(chǎng)頂板控制,及時(shí)處理采空區(qū),實(shí)行頂板分級(jí)管理,加強(qiáng)塌陷區(qū)的監(jiān)測(cè)與安全管理,以及其它相應(yīng)的治理和防范措施。

銅坑礦近年來(lái)結(jié)合科技攻關(guān)研究和安全生產(chǎn)實(shí)際,根據(jù)圍巖穩(wěn)定性及地壓活動(dòng)發(fā)展趨勢(shì),采取了相應(yīng)的監(jiān)控和預(yù)防措施,為了有效控制地壓活動(dòng)的危害,確保安全生產(chǎn),制定了地壓觀測(cè)和頂板管理及相應(yīng)的安全措施,針對(duì)頂板安全問(wèn)題,進(jìn)行規(guī)范的技術(shù)管理。

3 地壓管理與頂板安全管理制度

3.1 地壓管理制度

為全面系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)和分析礦區(qū)地壓活動(dòng)發(fā)展趨勢(shì),有效控制地壓活動(dòng)的危害,確保安全生產(chǎn),制定了以下地壓管理制度。

(1)地壓技術(shù)工作制度:對(duì)宏觀地壓觀測(cè),根據(jù)礦部年度生產(chǎn)規(guī)劃以及上年度的地壓工作總結(jié),制定、編制相應(yīng)的年度地壓工作計(jì)劃。每個(gè)季度對(duì)礦山當(dāng)前空區(qū)總體分布、地壓活動(dòng)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行整理,并上報(bào)礦部,由礦部組織相關(guān)技術(shù)人員定期召開(kāi)地壓專題會(huì)議,分析當(dāng)前地壓活動(dòng)的影響因素,評(píng)價(jià)各區(qū)域地壓活動(dòng)級(jí)別,分級(jí)劃分管理區(qū)域,制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)防措施。每年和科研院所聯(lián)合進(jìn)行礦區(qū)次生應(yīng)力模擬計(jì)算,分析和研究礦區(qū)地壓活動(dòng)的發(fā)展變化規(guī)律,指導(dǎo)地壓監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)與控制工作。

對(duì)區(qū)域地壓觀測(cè),根據(jù)不同級(jí)別的地壓管理區(qū)域,設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法并組織實(shí)施,適時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析、預(yù)報(bào)地壓活動(dòng)狀況。

針對(duì)采場(chǎng)地壓活動(dòng),根據(jù)采場(chǎng)設(shè)計(jì)的地壓控制方法執(zhí)行監(jiān)控,根據(jù)采場(chǎng)地壓活動(dòng)的發(fā)展變化,及時(shí)補(bǔ)充必要的監(jiān)測(cè)手段。

(2)現(xiàn)場(chǎng)地壓觀測(cè)工作制度:根據(jù)安全要求,必須在安全的前提下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地壓工作,現(xiàn)場(chǎng)檢查每組成員要求兩人以上,禁止單獨(dú)行動(dòng)。制定了各條件下地壓監(jiān)測(cè)周期和具體要求,針對(duì)地壓活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域、輕微地壓活動(dòng)區(qū)域、地壓活動(dòng)頻繁區(qū)域,以及其它情況下現(xiàn)場(chǎng)地壓檢查等,按不同需要安排現(xiàn)場(chǎng)檢查工作?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)記錄由專人負(fù)責(zé),必須詳細(xì)描述地壓現(xiàn)象,記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、拍照等,注明時(shí)間、地點(diǎn)并簽名確認(rèn)。

(3)地壓資料管理制:建立地壓資料電子檔案庫(kù),定期對(duì)地壓資料電子檔案進(jìn)行刻錄保存,方便地壓資料的查詢與調(diào)用;按照區(qū)域或采場(chǎng)分別建立單獨(dú)的地壓活動(dòng)檔案,記錄其地壓活動(dòng)的發(fā)展變化狀況,便于地壓活動(dòng)規(guī)律的研究工作;根據(jù)回采進(jìn)度或地壓活動(dòng)變化情況,適時(shí)更新地壓資料,包括空區(qū)變化圖、文字說(shuō)明等。

(4)地壓活動(dòng)匯報(bào)制度:根據(jù)需要制定了在正常情況、地壓活動(dòng)異常情況下分級(jí)匯報(bào)及處理制度。根據(jù)各階段實(shí)踐總結(jié),提出了初級(jí)地壓活動(dòng)、中級(jí)地壓活動(dòng)以及高級(jí)地壓活動(dòng)確認(rèn)的具體指標(biāo),并在生產(chǎn)實(shí)際中不斷改進(jìn)和完善。

(5)監(jiān)測(cè)儀器、網(wǎng)絡(luò)管理制度:制定了監(jiān)測(cè)儀器和網(wǎng)絡(luò)的更新與維護(hù)辦法。

(6)業(yè)務(wù)培訓(xùn)制度:規(guī)定了地壓專職監(jiān)測(cè)人員基本技術(shù)要求,以及必須具備較強(qiáng)的思維能力,能分析地壓現(xiàn)象,預(yù)報(bào)地壓活動(dòng)的發(fā)展變化趨勢(shì),設(shè)計(jì)地壓危害控制措施等。銅坑礦為此由專門技術(shù)部門負(fù)責(zé)上述工作,并將各項(xiàng)安全制度落實(shí)到生產(chǎn)部門,嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)制度。

3.2 井下頂板安全管理制度

為了確保日常生產(chǎn)活動(dòng)的安全開(kāi)展,保證頂板處于受控狀態(tài),制定危險(xiǎn)源分級(jí)管理制度,對(duì)高大采空區(qū)等危險(xiǎn)源進(jìn)行有效監(jiān)控,規(guī)范并實(shí)施了《井下頂板管理制度》,規(guī)定管理制度適用于井下所有生產(chǎn)區(qū)域和井下作業(yè)人員。并具體制定了井下巷道頂板管理、井下硐室頂板的管理、全面法淺采和硐室淺采工作面頂板邊幫管理、采空區(qū)頂板管理、松石處理等規(guī)定,以及違章處罰及責(zé)任等。對(duì)井下頂板、邊幫、松石管理,進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定,做到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理,并嚴(yán)格按規(guī)范操作,確保安全。

在實(shí)施上述安全制度的同時(shí),采取積極的安全措施,制定和嚴(yán)格執(zhí)行各崗位安全操作規(guī)程,包括《松石工安全操作規(guī)程》規(guī)定,并制定了各項(xiàng)應(yīng)急措施,譬如《井下工作面(點(diǎn))發(fā)生冒頂片幫事故處置工作應(yīng)急預(yù)案》等。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明,針對(duì)金屬礦山普遍存在的圍巖失穩(wěn)等危險(xiǎn)隱患,通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析和科學(xué)的頂板管理方法,采取綜合的監(jiān)控和治理措施,全方位落實(shí)安全規(guī)范和操作規(guī)程,有利于安全管理。通過(guò)認(rèn)真實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了頂板管理的科學(xué)化和系統(tǒng)化,大大減少了安全事故,安全生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。

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國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAB32B02-7).

2009-12-14)

黃道欽(1973-),男,廣西浦北人,工程師,主要從事礦山安全生產(chǎn)、地壓和科研管理工作。