張海磊 劉武團 雷明禮 嚴文炳 柴衡山 劉 濤

(西北礦冶研究院)

巖爆傾向下隱患資源開采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)

張海磊 劉武團 雷明禮 嚴文炳 柴衡山 劉 濤

(西北礦冶研究院)

由于群采空區(qū)的存在和巖爆活動的影響，廠壩鉛鋅礦小廠壩礦區(qū)近90萬t高品位礦石成為隱患資源無法采出，嚴重影響了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合小廠壩礦區(qū)現(xiàn)場實際和充填體作用機理，對采場充填體強度進行分析，提出不等強充填概念，確定了不同位置充填體的強度和厚度，并建立了先進的地壓監(jiān)測系統(tǒng)。實踐表明：在現(xiàn)有的條件下，充填是解決礦山安全隱患和回收殘礦的最有效途徑，采用高濃度膏體膠結(jié)充填工藝對采空區(qū)進行有計劃、有步驟充填，可實現(xiàn)隱患資源開采和空區(qū)處理的協(xié)同作業(yè)，為同類礦山有效控制開采時巖爆帶來的安全威脅提供借鑒。

巖爆 采空區(qū)處理 隱患資源開采 膠結(jié)充填 協(xié)同開采 采礦環(huán)境再造

廠壩鉛鋅礦是禮縣柞水成礦帶西成礦田中的一個大型鉛鋅礦床；小廠壩礦區(qū)開采對象為45～65線的Ⅰ#、Ⅲ2#、Ⅲ8#礦體。隨著開采的不斷深入，礦區(qū)內(nèi)已形成大量采空區(qū)， 850m中段部分礦房出現(xiàn)垮塌；巖爆活動的影響也已開始顯現(xiàn)，800 m中段以下巷道已出現(xiàn)巖石彈射、片幫冒頂現(xiàn)象；小廠壩礦區(qū)內(nèi)有近90萬t高品位礦石無法采出，正常生產(chǎn)安排被打亂，亟需變革采礦工藝，實現(xiàn)資源的安全高效開采。本文基于采礦環(huán)境再造理念和先進的地壓監(jiān)測系統(tǒng)，通過理論分析、數(shù)值模擬等手段，采用高濃度膏體膠結(jié)充填工藝營造了一個良好的礦巖開采環(huán)境，最終實現(xiàn)了隱患資源安全開采與空區(qū)處理的協(xié)同作業(yè)。

1 礦區(qū)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)位于西秦嶺海西褶皺帶東段，岷縣復背斜軸部；主要構(gòu)造線方位為東西南，格式呈不完整的“米”字型，壓、扭性結(jié)構(gòu)面均很發(fā)育；由于構(gòu)造及成礦原因，巖層片理普遍發(fā)育，顯示出巖體的各向異性。

1.2 礦巖力學參數(shù)

按力學效應，廠壩鉛鋅礦礦巖可分為4類：①石英片巖、黑云母石英片巖、方解石石英片巖；②黑云母片巖、石英黑云母片巖；③灰白色中細粒結(jié)晶灰?guī)r、云母條帶狀結(jié)晶灰?guī)r、灰色中粒結(jié)晶灰?guī)r；④鉛鋅礦石。從室內(nèi)力學測試結(jié)果看，廠壩礦的礦巖較硬且脆，試件達到峰值強度后很快破壞，破壞時發(fā)出響聲，碎片四處飛散[1-2]。小廠壩礦區(qū)Ⅰ#礦體礦巖物理力學性質(zhì)見表1。

表1 小廠壩礦區(qū)Ⅰ#礦體礦巖物理力學性質(zhì)

1.3 采礦工藝

礦區(qū)采用淺孔留礦法開采,礦塊沿走向布置，長50 m，階段高50 m，間柱寬8 m。礦房由拉底巷道自下而上分3個分層進行逐層回采，回采后大量放礦。

1.4 群采空區(qū)和巖爆活動

1986年以來，廠壩鉛鋅礦屢遭民采破壞，形成數(shù)百個不規(guī)則采空區(qū)，初步估計體積為300萬m3。

在礦區(qū)800 m中段以下采場內(nèi)不時聽到巖石開裂聲；巷道內(nèi)也出現(xiàn)巖石彈射、片幫冒頂現(xiàn)象(圖1)，支護工程被破壞。基于未測知度理論，劉濤等人通過建立礦山巖爆傾向性及危險性等級評價模型，確定本區(qū)域為輕—中度巖爆[3]。

2 隱患資源開采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)方案

在次生應力和動力擾動的共同作用下，有巖爆傾向采空區(qū)隱患資源呈現(xiàn)出應力集中、堅固性和穩(wěn)定性差等特點，難以用傳統(tǒng)采礦方法開采。很多學者認為充填法有利于控制礦體開采后周圍巖體內(nèi)的應力集中和所聚集的應變能均勻釋放，提出了采礦環(huán)境再造思路[4-6]。

圖1 小廠壩礦區(qū)巷道片幫現(xiàn)場

2.1 充填體受力分析

研究和掌握充填體受力狀態(tài)，進行客觀地受力分析，確定最佳的充填體配比及強度是協(xié)同方案取得成功的關(guān)鍵。

一步空場形成后，即進行尾砂膠結(jié)充填，在充填體與圍巖共同作用下，充填體內(nèi)部應力分布見圖2?？梢钥闯?，充填體中央應力大于上下兩部分應力，頂部應力大于底部應力。

圖2 一步空場充填后充填體內(nèi)部應力分布

當一步空場采充完成，相隔采場拉開后，充填體內(nèi)應力分布見圖3。可以看出，其應力分布特征同首采充填后的應力分布基本相同，仍是中央高，上下兩部分低，但其數(shù)值有所增加。

圖3 二步空場拉開后一步空場充填體內(nèi)部應力分布

當2個空場采充結(jié)束后，先充采場的充填體受力未發(fā)生變化，后充采場的應力數(shù)值要大于先充采場，但其應力分布特征與先充采場應力分布特征基本相同，而中間間柱的應力明顯增加，見圖4。

當中間間柱采空后，空場兩側(cè)的充填體應力明顯增加，尤其是首采場的充填體更為突出，見圖5。

2.2 充填體不等強結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)圍巖應力的分布特征和充填體的力學作用機理，設(shè)計充填體的結(jié)構(gòu)為不等強結(jié)構(gòu)[7-9]。

底部充填體作為下中段空場開采的頂柱，要求強度較高，設(shè)計強度為2～3 MPa，充填高度為10～13 m，采用灰砂比1∶4、料漿濃度65%的充填體。

圖4 二步空場充填后充填體內(nèi)部應力分布

圖5 間柱采空后充填體內(nèi)部應力分布

中部充填體是整個充填體的主體，但承載的巖體和載荷位移較小，設(shè)計充填體強度為0.5～1 MPa，采用灰砂比1∶8、料漿濃度65%的充填體。

頂部充填體要承受頂柱的作用，限制頂柱巖石的位移，同時使整個充填體均勻受壓，還要保證頂柱回采時鏟運機正常行駛所要求的路面強度，設(shè)計強度為2～3 MPa，充填高度為5～8 m，采用灰砂比1∶4、料漿濃度65%的充填體。

單獨空區(qū)處理時，采用灰砂比1∶10、料漿濃度65%的充填體，強度為0.3～0.5 MPa。

采場內(nèi)充填體強度分布曲線見圖6。

圖6 采場內(nèi)充填體強度分布曲線

2.3 地壓監(jiān)測系統(tǒng)建立

由于在回采過程中頻遭擾動，空區(qū)及礦柱的受力狀態(tài)往往無法根據(jù)力學公式或數(shù)值軟件等進行計算，通過地壓監(jiān)測儀器對礦區(qū)的地壓更直觀、更清晰地掌握。根據(jù)礦山實際情況，設(shè)計采用位移、應力與聲發(fā)射聯(lián)合監(jiān)測的方法。

本礦山巖石為硬巖，采用應力監(jiān)測，對人員不方便進入的區(qū)域采用ZGY-2型鉆孔應力計，量程為0～30 MPa，測算精度為0.1 MPa，采用相應的讀數(shù)儀；對于可進入?yún)^(qū)域則采用R-50型光彈應力計和礦用手持式光彈讀數(shù)儀。

對關(guān)鍵點和關(guān)鍵部位需進行聲發(fā)射監(jiān)測， YSSC聲發(fā)射儀能夠捕捉巖體內(nèi)部微破裂的信息，實現(xiàn)無損監(jiān)測。

對于部分頂板暴露面積較大區(qū)域，需進行頂板位移監(jiān)測，采用SZZX-Q200B型頂板沉降計，測量精度為0.01 mm，量程為200 mm；采用GSL-22A智能檢測儀讀數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)選擇小廠壩礦區(qū)800 m中段55～57線、61～65線和850 m中段55～65線共約23.2萬m3采空區(qū)作為首充區(qū)域，為800 m中段57～61線近30萬t高品位礦石的回收創(chuàng)造條件。預計2015年8月份開始實施。

(2)在現(xiàn)有條件下，充填是解決礦山安全隱患和回收殘礦的最有效途徑。基于采礦環(huán)境再造思路和先進的地壓監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了資源開采與空區(qū)處理協(xié)同作業(yè)，為采空區(qū)隱患資源的開發(fā)利用開辟了一條新的技術(shù)途徑。

(3)減少爆破對充填體的破壞是協(xié)同開采的關(guān)鍵技術(shù)之一，需進一步對充填體進行動靜態(tài)加載測試，確定其抵抗外力破壞的強度；合理選擇爆破參數(shù)并采取切實可行的保護措施，使充填體免遭破壞。

[1] 趙 文,曹 平,章 光．巖石力學[M]．長沙：中南大學出版社，2010．

[2] 尹賢剛,李庶林,唐海燕,等.廠壩鉛鋅礦巖石物理力學性質(zhì)測試研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2003(5):12-13,16.

[3] 劉 濤.基于未確知測度理論的巖爆傾向性及危險性等級評價[J].武漢理工大學學報,2013(s):59-64.

[4] 周科平,古德生．采礦環(huán)境再造理論方法及應用[M]．長沙：中南大學出版社，2012．

[5] 陳慶發(fā),周科平.隱患資源開采與空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

[6] 郭 然,潘長良,于潤滄.有巖爆傾向硬巖礦床采礦理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003．

[7] 魏 微,高 謙.充填體強度的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測[J].化工礦物與加工,2013(12):32-35.

[8] 張海波,宋衛(wèi)東.空場嗣后充填開采充填體與圍巖作用機理研究[J].化工礦物與加工,2014(1):41-44.

[9] 董 璐,高 謙,李茂輝,等.階段充填采礦優(yōu)化設(shè)計可靠性分析與穩(wěn)定性評價[J].化工礦物與加工,2014(5):21-25.

2015-07-13)

張海磊(1990—)，男，助理工程師，730900 甘肅省白銀市。