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        下告鐵礦懸頂成因分析及預防措施研究

        2015-03-26 02:03:02陳詩墨
        金屬礦山 2015年6期
        關鍵詞:礦山設計

        雷 剛 陳詩墨 張 杰

        (1.西南科技大學環(huán)境與資源學院,四川 綿陽621000;2.廣東省河源市紫金縣下告鐵礦,廣東 河源517000)

        下告鐵礦位于廣東省紫金縣西南部,礦區(qū)地形起伏較大,地形坡度10° ~20°,屬低山丘陵地貌,礦體分布于1 ~8 號勘探線之間,東西長約400 m,平均寬度70 ~110 m,平均品位TFe 27.25% 。由于下告鐵礦礦體厚大、品位較低以及近礦圍巖含有一定鐵品位等特點,為尋求礦山規(guī)模效益,從0 m 分段開始由空場法轉為無底柱分段崩落法,礦山設計年生產(chǎn)能力為120 萬t/a。礦山中段高度為60 m,采用豎井加斜坡道開拓方式,包括了-13、-26、-37、-48 和-60 m等分段,垂直礦體走向布置回采進路,從礦體上盤往下盤進行退采,每一分段平均20 條進路。目前礦山正在回采-26、-37、-48 m 等分段。

        自從礦山由空場法轉為無底柱崩落法分段法后,懸頂一直是困擾礦山生產(chǎn)的最大難題,2013 年9 月,在-26、-37 m 分段中共有5 條進路幾乎同時出現(xiàn)懸頂事故,使生產(chǎn)發(fā)生停怠,為了處理這些懸頂,礦山耗費了大量的人力物力,而且有一些進路懸頂處理之后沒過多久又出現(xiàn)了新的懸頂,并產(chǎn)生了非常多的大塊。起初,礦山管理人員以為是炸藥質(zhì)量出現(xiàn)了問題,把原生產(chǎn)采用的硝胺炸藥換成了銨油炸藥,但是懸頂依然頻繁發(fā)生,更換炸藥之后也沒有從根本上解決問題。為了從本質(zhì)上搞清下告鐵礦頻繁發(fā)生懸頂?shù)脑?,我們從設計、裝藥、崩礦、出礦等工序著手,對懸頂?shù)漠a(chǎn)生進行系統(tǒng)的研究和分析,針對礦山在設計和回采過程中的不規(guī)范操作提出了解決措施。

        1 懸頂成因分析

        通過對現(xiàn)場的調(diào)研和分析,下告鐵礦出現(xiàn)懸頂?shù)脑虺说V體本身穩(wěn)固性差和礦巖接觸帶異常破碎以外。更主要的是設計、回采、放礦等工序操作的不規(guī)范性為懸頂?shù)陌l(fā)生埋下隱患。

        1.1 設計崩礦排面預留保護層過厚

        無底柱分段崩落法崩礦排面的設計與施工質(zhì)量對礦石回收效果的影響屬于連續(xù)性的影響,一旦回采進路中的崩礦排面質(zhì)量出現(xiàn)問題,不僅將顯著惡化回采時當前排面的礦石回收效果,而且還會顯著影響后續(xù)排面及下分段排面的回采[1]。因此,必須高度重視回采進路中崩礦排面的設計與施工,確?;夭赡芘c上分段覆蓋巖層貫通,使得上分段覆蓋巖層能隨著下分段放礦而流暢下移,這是無底柱分段崩落法正?;夭杉叭〉昧己玫V石回收效果的基礎和前提,否則將嚴重影響礦石的正?;厥?。

        下告鐵礦采用寬×高為4.0 m×3.8 m 的三心拱形巷道,進路間距16 m,分段高度11 m 左右,崩礦步距為1.4 m,一次性崩落2 排炮孔,邊孔角為48°,以發(fā)生懸頂?shù)?706 進路14 號排面為列進行分析研究,3706 進路14 號排面如圖1 所示。

        圖1 3706 進路14 號排面設計圖Fig.1 No.14 Plane design of 3706 route

        從實驗放礦的結果看,邊孔角對回收結果的影響不大。但是,邊孔角對于爆破效果特別是靠近脊部附近的礦巖爆破效果影響很大[2]。鐵礦石的自然安息角一般在39° ~40°,但是在覆巖下鐵礦石的擠壓安息角(放出角)則在50° ~55°。也就是說,低于擠壓安息角的崩落礦石是很難被順利放出的,崩落礦石得不到有效松散,不僅會影響到本步距的放礦效果,還會由于邊孔的爆破受夾制作用而影響下一步距的爆破效果,出現(xiàn)大塊甚至懸頂?shù)劝踩[患。因此,邊孔角不宜過小,如果鑿巖設備能力沒有問題,通??梢圆捎?5° ~60°的邊孔角。但是,較大的邊孔角也會帶來下分段中間炮孔深度過大的問題,一定程度上會影響到鑿巖效率與炮孔質(zhì)量。經(jīng)測算,下告鐵礦礦石的擠壓安息角為55°左右,設計采用48°的邊孔角之后,使得桃形礦柱上部接近實體覆巖的厚度增大,下分段扇形排面頂部的爆破已經(jīng)是真正意義上的擠壓爆破[3],設計采用保護層厚度為0.5 m 之后,使得爆破難以貫穿上部覆巖,致使大塊增多,懸頂極易發(fā)生,為此應減小保護層厚度,設計為0.2 ~0.3 m 左右。

        1.2 切割槽高度不夠

        無底柱分段崩落法的切割工作主要是形成形狀、大小以及方位符合扇形炮孔爆破需要的補償空間。由于無底柱分段崩落法在回采空間上的連續(xù)性,切割立槽的質(zhì)量看似只影響幾排炮孔或1 條進路的回采效果,但實質(zhì)上是影響到幾條進路甚至幾個分段的爆破及回采效果[4]。因此,切割工程的質(zhì)量需要從設計及施工環(huán)節(jié)進行控制,為爆破效果以及良好的礦石回收效果墊定基礎。

        下告鐵礦采用從礦體上盤往下盤退采的方式進行開采,通過對-26、-37 m 分段調(diào)研了解到,切割槽位置沒有避開礦巖接觸等破碎位置,并且設計的切割井高度竟然略低于了分段高度,使得后續(xù)排面桃形礦柱的爆破根本沒有補償空間。對于從上盤往下盤退采的進路來講,為了避開上盤礦巖接觸的破碎地帶,每分段的切割槽基本上是開鑿在未崩落的上盤圍巖中,上盤崩礦排面應為矩形排面,如圖2 所示。為保證后續(xù)炮孔順利崩落,切割槽(切割井)的高度通常為分段高度的1.5 倍左右,才能形成與后續(xù)扇形孔爆破的形態(tài)相適應的補償空間。因此,需要改變現(xiàn)行的習慣性非規(guī)范設計方法,嚴格按照實際的崩落礦巖層高度布置切割天井并形成切割槽,保證切割井和切割槽有足夠的高度。同時,切割槽的位置應避開上分段的回采巷道、切割平巷等不利位置,確保形成的切割槽有效斷面尺寸和高度滿足后續(xù)炮孔爆破的需要。

        圖2 上盤矩形崩礦排面Fig.2 Plane diagram of upper rectangle ore caving

        1.3 工人裝藥時拔管過快,而且炮孔沒有堵塞

        由于部分工人裝藥不熟練和責任心差,裝藥時拔管過快以致炮孔內(nèi)裝藥密度過低,而且有相當多的炸藥被散落在地上,致使孔內(nèi)設計裝藥量達不到要求。炮孔沒有堵塞,根據(jù)爆破理論,炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體瞬間將會充滿炮孔,并且具有很大的壓力和速度,如果炮孔不堵塞或堵塞長度過短,爆生氣體瞬間就會沖出炮孔,出現(xiàn)“沖炮”現(xiàn)象,爆破質(zhì)量難以保證[5-6],如果堵塞長度合適,堵塞物就會由于慣性阻力和與炮孔內(nèi)壁的黏結力以致增加孔內(nèi)高溫高壓的持續(xù)時間,使先前由沖擊波造成的裂隙在高壓氣體的氣楔作用下充分發(fā)展,使巖石破碎更充分,而且有效地減少爆破飛石的數(shù)量和拋擲距離,降低空氣沖擊波的強度。

        1.4 上盤切巖放礦量少

        由于下告鐵礦上盤礦體傾角較緩,下盤礦體接近直立等特點,礦山在回采上盤礦體時,采用見到廢石就停止出礦的放礦方式。需要說明的是,對于上盤三角礦體部分,本身的礦量就不多,開采這部分礦體除盡可能回收三角礦體的礦石外,更重要的目的是及時放頂以釋放地壓與補充覆巖,為下面分段相應位置礦段的礦石正?;厥談?chuàng)造良好條件。為使相鄰進路的回采空間盡可能貫通并使頂板盡快冒落。上盤三角礦體回采出礦的特點是先放出部分礦石然后很快出現(xiàn)廢石,隨著退采的進行,出現(xiàn)廢石的時間逐步推遲。為使后續(xù)排面的爆破有足夠的補償空間,上盤排面至少應按其步距崩礦量的30%進行出礦,以避免后續(xù)排面出現(xiàn)懸頂、大塊等隱患,同時也將使回采空間充分暴露出來,促使頂板圍巖及時冒落,回采產(chǎn)生的地壓及時釋放。

        2 懸頂預防處理措施及實踐效果

        2.1 對正回采的進路的懸頂預防措施

        隨著礦山從上盤往下盤退采的進行,懸頂現(xiàn)象頻繁發(fā)生,部分巷道在處理懸頂之后沒隔多久又發(fā)生了懸頂現(xiàn)象,這給礦山生產(chǎn)造成嚴重影響。對懸頂處理后的后續(xù)排面爆破情況跟蹤調(diào)查我們發(fā)現(xiàn),出礦后期排面頂部出現(xiàn)了相當多的大塊,此原因有可能是孔底裝藥密度過低和頂部爆破自由空間不足造成。由于相當多的回采進路中深孔已經(jīng)形成,重新大面積地加深中孔或者擴孔都將嚴重影響礦山的生產(chǎn)計劃。那么我們又該如何減少后續(xù)排面發(fā)生懸頂?shù)膯栴}呢?為了保證后續(xù)炮孔爆破的效果,建議礦山每隔6 排炮孔增加1 個加密排,加密排的炮孔個數(shù)為一般排面炮孔個數(shù)的1.5 倍。當回采至加密排時,同前端排面同時爆破。為避免巷道口附近藥量的過度集中,扇形孔采用交錯裝藥結構形式,對炮孔進行必要的堵塞。所謂的交錯裝藥是將左右兩邊孔的填塞長度確定為1.5 ~2.0 m,其他各孔的填塞長度交錯增減,使各炮孔孔口裝藥位置的間距大于孔底距之半,交錯裝藥結構及起爆順序圖如圖3 所示。同時,為減少爆破震動以及對邊孔角起爆的夾制影響,同一排炮孔采用微差爆破[7],從排面兩邊往中間依次起爆,采用孔底起爆方式。

        圖3 交錯裝藥結構及起爆順序Fig.3 The interleaving charging structure and detonating sequence diagram

        2.2 對還未開始切割的進路懸頂?shù)念A防措施

        由于上盤礦體礦巖交接面較緩,而且在礦巖交界處穩(wěn)固性差,此處的爆破是在沒有上部松散覆巖,而是實體的情況下進行,切割槽的高度應為分段高度的1.5 倍左右[8]。由于之前的設計中切割立槽的高度遠未達到正常爆破所需高度。導致切割立槽的形狀、面積以及補償空間的大小均不能適應后續(xù)步距回采爆破的需要,不僅導致大塊、懸頂、立墻等問題頻繁出現(xiàn),還因為爆破的夾制性過大導致礦體(巖石)頂板高度不斷下降的現(xiàn)象出現(xiàn)。同時上盤巖石不能及時崩落下來形成覆蓋層,造成上盤地壓不能及時釋放并不斷積聚,地壓活動劇烈,巷道支護困難,最終造成大量礦石不能有效回收,加大了礦石的損失。針對上盤礦巖界面較緩的條件,設計了上盤切割巷布置圖如圖4 所示。

        圖4 上盤切割巷布置Fig.4 Upper cutting roadway layout

        切割巷避開上盤礦巖交接破碎帶2 m 左右,切割立槽(切割井)的高度達到分段高度的1.5 倍,在上盤回采的前幾個排面中,采出的幾乎全部是廢石,但為使后續(xù)排面的爆破有足夠的補償空間,就算放出的全是廢石,也要放出步距崩礦量的30%方可,以避免后續(xù)排面出現(xiàn)懸頂、大塊等隱患。對于上盤前幾排回采幾乎是廢石的情況,建議礦山采用分采分運,減少對后續(xù)礦石回采的貧化。

        2.3 礦山實踐效果

        通過認真地分析和總結,礦山生產(chǎn)工藝從設計到施工得到了較好的規(guī)范,采切方法得到改進,采切與爆破工程質(zhì)量得到顯著提高,生產(chǎn)工藝變得更為合理,懸頂及隔墻等隱患明顯減少。自-60 m 水平開始基本上按照實際崩礦形態(tài)設計布置炮孔,切割槽的位置有效避開了上盤破碎帶,裝藥工人進行了嚴格的培訓,炮孔進行了堵塞。試驗前整個采區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象到2014 年6 月基本消除,生產(chǎn)秩序恢復正常,采區(qū)產(chǎn)量穩(wěn)步提升,采出礦石質(zhì)量顯著提高,生產(chǎn)被動局面得到一定程度扭轉。

        3 結 論

        懸頂是采用無底柱分段崩落法礦山普遍存在的問題,對于下告鐵礦而言,大面積的懸頂除了因礦體自身穩(wěn)固性差以外,更主要的是設計和施工沒有根據(jù)礦山自身的情況進行合理的布置。切割槽高度不夠、上盤礦體的出礦量沒能達到要求,爆破的夾制性過大等因素導致礦體頂板高度不斷下降,致使后續(xù)炮孔爆破補償空間不足。同時設計預留排面保護層過厚,裝藥密度不夠,炮孔沒有堵塞等因素使得頂部礦石難以貫穿上分段覆蓋層,爆破產(chǎn)生大量大塊,為懸頂?shù)漠a(chǎn)生埋下禍根。礦山通過認真研究和實踐,從設計到施工進行了分析和總結,截止到2014 年6 月,懸頂大面積出現(xiàn)的問題基本得到解決。

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