何榮興 任鳳玉 曹建立 翟會超 宋德林

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

空場法大面積開采后，形成了不同深度和形態(tài)的采空區(qū)，采空區(qū)的存在往往給礦山生產(chǎn)埋下安全隱患，空區(qū)突然冒落形成的滾石、沖擊氣浪對井下的生產(chǎn)人員、設(shè)備具有致命威脅。監(jiān)測空區(qū)的冒落進(jìn)程，對于制定合理的空區(qū)處理方案和防護(hù)措施具有重要意義。

排山樓金礦為大型同韌性剪切帶變生熱液型金礦床，礦體厚度較大、產(chǎn)狀較緩、分布集中。露天轉(zhuǎn)地下開采后，排山樓金礦利用露天坑存放干排尾沙，應(yīng)用有底柱空場法開采露天境界外礦體。為增大生產(chǎn)能力，采取上、下雙工作面回采方式，即300 m 與225 m 兩個中段同時回采。到2008 年5 月，上部工作面采到+250 m 水平，下部工作面采至+200 m 水平，形成了規(guī)模較大的不連續(xù)的采空區(qū)，其中+275 m 水平之上形成的采空區(qū)總水平面積已達(dá)11 250 m2，體積約50 萬m3。頂板圍巖處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在該空區(qū)的正下方有40 多萬t 的低品位礦石急需回采，在空區(qū)的上方因露天坑需用作尾礦庫堆存含毒尾沙而不允許塌透地表［1-2］。在這種情況下，確?？諈^(qū)在治理過程中的安全，實現(xiàn)礦體資源合理回收，合理地監(jiān)測空區(qū)冒落進(jìn)程顯得尤為重要。

1 空區(qū)監(jiān)測

空區(qū)頂板即為礦體上盤，巖體結(jié)構(gòu)密閉、巖石硬度中等偏上，此類巖體發(fā)生破壞，將有聲響和明顯的位移，并且出露明顯的斷裂線。為此，通過監(jiān)測上盤頂板圍巖的變形或位移、或是觀察斷裂線的發(fā)育狀況，都可掌握上盤圍巖的地壓活動狀態(tài)與失穩(wěn)后的冒落形式［3-4］。

1.1 監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測方案

空區(qū)頂板鉆孔監(jiān)測采用的是英國RG 公司生產(chǎn)的RG 井下電視系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括4 個部分，分別為地表采集系統(tǒng)、軟件、絞盤和電纜、探頭。RG 井下電視系統(tǒng)探測深度最大可達(dá)3 km(需配備相應(yīng)絞盤)，系統(tǒng)配備的多種高精度探頭在現(xiàn)場即可實時進(jìn)行地質(zhì)鉆孔孔壁全方位360°高精度成像、裂隙自動追蹤等。本次監(jiān)測系統(tǒng)采用的是RG 光學(xué)探頭(OPTV)。

根據(jù)空區(qū)分布狀態(tài)和穩(wěn)定性分析結(jié)果，設(shè)計在露天坑北幫407 m 的臺階上，分別在Ⅷ線與Ⅹ線的位置鉆鑿了2 個直徑110 mm 的鉆孔(圖1 ～圖2)，利用RG 井下鉆孔電視系統(tǒng)對空區(qū)頂板巖層進(jìn)行監(jiān)測，2個鉆孔監(jiān)測圖像部分截圖如圖3。

圖1 Ⅷ監(jiān)測鉆孔剖面位置Fig.1 Profile of the boring hole for observation Ⅷ

鉆孔監(jiān)測日期自2009 年6 月12 日開始，至2010年6 月28 日結(jié)束，共進(jìn)行了11 次監(jiān)測。采用間斷式監(jiān)測方式，即每隔1 ～2 月時間用RG 井下電視系統(tǒng)對2 個鉆孔進(jìn)行孔壁掃描，采集數(shù)據(jù)并與之前監(jiān)測的數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行對比分析，以此判定空區(qū)頂板是否發(fā)生裂隙擴(kuò)張、變形及冒落。

1.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

對Ⅷ線鉆孔和Ⅹ線鉆孔的監(jiān)測圖像通過軟件分析，可以得到鉆孔柱圖、孔壁展開圖及鉆孔傾角、裂隙傾向與傾角等幾項數(shù)據(jù)，如圖4 所示為部分鉆孔分析圖像。

根據(jù)2 鉆孔監(jiān)測圖像分析可知:

圖2 Ⅹ線監(jiān)測鉆孔剖面位置Fig.2 Profile of the boring hole for observation Ⅹ

圖3 RG 井下電視系統(tǒng)監(jiān)測的鉆孔圖像Fig.3 Monitoring images of boring hole with RG-micrologger

圖4 2.3 ～4.0 m 監(jiān)測圖像Fig.4 Monitoring images between 2.3 and 4.0 m

(1)Ⅷ線監(jiān)測孔。距地表19.3 m 范圍節(jié)理裂隙較發(fā)育，其下19.3 ～23.7 m，23.8 ～29.7 m，37.0 ～45.1 m 段穩(wěn)定性較好，可作為空區(qū)冒落的控制巖層。其他部位或含不穩(wěn)巖層，或是節(jié)理裂隙節(jié)發(fā)育。節(jié)理面傾角多為45° ～70°之間，局部最大裂隙寬度14 cm以上。

(2)Ⅹ線監(jiān)測孔。距地表19 m 范圍節(jié)理裂隙較發(fā)育，其下19 ～25.9 m，39.8 ～46.4 m，46.6 ～51.5 m，53.5 ～62.8 m 段穩(wěn)定性較好，可作為空區(qū)冒落的控制巖層。其他部位或含不穩(wěn)巖層，或是節(jié)理裂隙節(jié)發(fā)育。節(jié)理面傾角多為45° ～70°之間，局部最大裂隙厚度為20 cm 以上。

綜上，2 監(jiān)測孔巖壁裂隙圖像說明:巖體原生裂隙分布間距較大，節(jié)理面傾角多大于45°;孔口近地表位置較為破碎，與原露天開采工作環(huán)境、鑿巖爆破作用、地壓場分布狀態(tài)、監(jiān)測孔開鑿等因素有關(guān);在空區(qū)頂板以上10 m 范圍內(nèi)，巖體較完整，無較大裂紋產(chǎn)生;在監(jiān)測孔下部空區(qū)頂板10 m 以上的20 m 范圍內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育、裂紋較多，巖體較破碎。

1.3 冒落線的推斷

從2009 年6 月12 日開始，科研組用RG 井下電視系統(tǒng)跟蹤監(jiān)測空區(qū)頂板的變化過程，直至2010 年1 月12 日監(jiān)測空區(qū)頂板未發(fā)生任何冒落現(xiàn)象。但在2010 年3 月16 日監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)Ⅹ線測孔冒落了13.3 m。此時接近孔底的監(jiān)測圖像如圖5 所示，Ⅹ線鉆孔截面大體上北高南低，斜面傾角約為28°。由于巖體里有一組結(jié)構(gòu)面呈現(xiàn)出這一角度與方位，因此這一鉆孔截面可能是由冒落線形成的，也可能是由結(jié)構(gòu)面形成的。為此根據(jù)鉆孔截面和空區(qū)形成的先后關(guān)系，給出了2 條推測冒落線(圖6)，其中的推測冒落線1 是按鉆孔的實測斜面傾角繪制的，而推測冒落線2 是按空區(qū)形成的先后關(guān)系繪制的。

圖5 Ⅹ線孔底部初次冒落監(jiān)測圖像Fig.5 The first caving of hole bottom of line Ⅹ

圖6 中的推測冒落線2 是有可能出現(xiàn)的對邊坡極不利的冒落情況，而且如果出現(xiàn)這一情況，空區(qū)有可能一次冒透地表。相反，如果空區(qū)頂板按冒落線1的形式冒落，需要經(jīng)歷中間冒落過程才能冒透地表。為觀察與監(jiān)測冒落線形狀，打開空區(qū)邊緣廢棄封堵的350 m 平硐進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)350 m 平硐沒有冒落，所以本次冒落按照冒落線1 形狀冒落。

2010 年4 月1 日空區(qū)在大爆破后發(fā)生第2 次冒落，冒落后Ⅹ線測孔位置頂板為46.7 m 厚，Ⅷ線為56.4 m 厚。依據(jù)監(jiān)測圖像(見圖7)，計算得出，在剖面線方向上，Ⅹ線鉆孔端部的斜面傾角為1.1°，Ⅷ線鉆孔端部的斜面傾角為23.5°。

圖6 Ⅹ線初次冒落線推測圖Fig.6 The presumed graph of the first caving line of line Ⅹ

圖7 RG 井下電視監(jiān)測冒落界限Fig.7 Caving boundary of gob roof with RG downhole TV

同時，對空區(qū)邊緣350 m 平硐再次調(diào)查，發(fā)現(xiàn)350 m 平硐沒有冒落，長度未發(fā)生變化，且平硐圍巖節(jié)理裂隙沒有顯著變形。根據(jù)采空區(qū)邊緣+350 m平硐現(xiàn)狀，結(jié)合圖6 的推測結(jié)果分析得出，Ⅹ線鉆孔的冒落截面與采空區(qū)整體冒落面一致的可能性較大，即在Ⅹ線剖面上，最大可能的冒落線形狀應(yīng)如圖8 所示。對于Ⅷ線鉆孔揭示的信息，根據(jù)空區(qū)形態(tài)和鉆孔截面傾角，同時參考圖8 的冒落線型，推測得出的Ⅷ線剖面上的冒落線形狀見圖9。

圖8 Ⅹ線空區(qū)冒落線推測圖Fig.8 The presumed graph of the caving line of line Ⅹin the gob

圖9 Ⅷ線空區(qū)頂板冒落線推測圖Fig.9 The presumed graph of goaf roof caving of line Ⅷ

Ⅹ線監(jiān)測孔處頂板巖體高度為78 m，從Ⅹ線2次冒落過程來看，第1 次冒落13.3 m，即在64.7 m厚度處，位于頂板第1 段穩(wěn)定巖層界線基本吻合，第2 次冒落至46.7 m 處，與第3 段穩(wěn)定巖層界線處，與初始監(jiān)測孔壁巖體完整性分析結(jié)果基本一致。2 次批量冒落后，使得空區(qū)頂板巖層厚度變小，僅為40 ～50 m，所剩的頂板巖體強度低且穩(wěn)定性條件差。此外，根據(jù)監(jiān)測鉆孔圖像數(shù)據(jù)，空區(qū)冒落線已經(jīng)接近無裂隙破碎帶邊緣，再次冒落可能快速冒透地表。

2 RG 監(jiān)測系統(tǒng)在控制空區(qū)冒落上的應(yīng)用

RG 井下電視監(jiān)測結(jié)果表明排山樓金礦采空區(qū)處于活動狀態(tài)，為確保近露天坑邊坡不變形、不裂縫、不塌陷，要盡早采取有效的空區(qū)處理措施，與此同時根據(jù)冒落線形狀提出如下技術(shù)措施限制采空區(qū)尺寸維持空區(qū)頂板的穩(wěn)固性。

(1)留設(shè)“L”型安全維穩(wěn)礦柱。沿礦脈走向留設(shè)10 m 寬的安全礦柱，隔斷上下中段(+275 m 水平與+225 m 水平)空區(qū)，防止其相互連通，限制空區(qū)在垂直礦脈走向上的跨度。另外，為提高原10 m 寬礦柱自身的穩(wěn)定性，適應(yīng)活動空區(qū)可冒性特征，在VI 線附近留下10 ～12 m 寬礦柱，使之與原走向10 m 礦柱形成完整的“L”型支撐結(jié)構(gòu)(見圖10)。由于VI 線礦柱位于空區(qū)正下方，局部支撐空區(qū)頂板。當(dāng)活動空區(qū)再次冒落時，頂板冒落碎脹散體直接堆落于VI 線礦柱之上，形成軟硬巖柱支撐空區(qū)頂板，限制空區(qū)繼續(xù)冒落?？諈^(qū)充填后，可依靠充填散體被動高擠壓力作用，連同L 型礦柱有效支撐空區(qū)圍巖，維護(hù)活動空區(qū)穩(wěn)定性。

圖10 L 型礦柱及回采方向示意Fig.10 L-shaped pillar and the stoping direction chart

(2)協(xié)調(diào)礦石回采與廢石充填作業(yè)?？諈^(qū)之下礦石回采過程中，通過對漏斗出礦量的控制，使礦巖接觸面保持水平，減少礦石損失貧化。同時，采用大塊廢石充填空區(qū)，為礦石回采提供良好覆蓋層，且充填作業(yè)要隨井下礦石回采持續(xù)進(jìn)行，穩(wěn)固空區(qū)圍巖。

(3)爆破參數(shù)控制。針對空區(qū)圍巖對爆破震動的不良反應(yīng)，采用多分段起爆，同段起爆的炸藥量控制在1.5 t 以下，單排炮孔為一段。當(dāng)單排炮孔炸藥量超出1.5 t 時，可根據(jù)排面炮孔形式進(jìn)行排內(nèi)分段，以減小一次起爆段的炸藥量。此外，在緊鄰走向礦柱的T4 －16 采場鑿巖巷道東側(cè)位置開切割槽，使爆破沖擊方向背離走向礦柱。

(4)規(guī)范回采。基于空區(qū)頂板冒落現(xiàn)狀，以由東向西、內(nèi)向外的退采順序，先回采VI 線礦柱以東采場，以西采場從北向南回采(如圖10 所示)。同時，停止空區(qū)下盤側(cè)小礦體的回采工作，保證空區(qū)下盤基巖的完整性，減小對空區(qū)頂板的震動影響，待空區(qū)治理后再予以回采。

(5)調(diào)整尾礦排放方向。由于空區(qū)臨靠露天北幫，尾礦盡可能向南側(cè)或東南側(cè)方向排放以減小對露天坑北側(cè)邊坡巖體的附加壓力，從而保護(hù)井下空區(qū)圍巖的穩(wěn)定。同時，對露天邊坡鋪厚層黃土和掛防滲布，防止尾礦庫內(nèi)積水滲入井下。

3 結(jié) 論

(1)通過空區(qū)頂板的鉆孔，利用RG 井下電視系統(tǒng)，監(jiān)測圍巖的變形或位移，或是觀察斷裂線的發(fā)育狀況，可推測地壓活動狀態(tài)與失穩(wěn)后的冒落形式。

(2)2 監(jiān)測孔巖壁裂隙圖像說明在監(jiān)測孔下部空區(qū)頂板10 m 以上的20 m 范圍內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂紋較多，巖體較破碎。其下部存在3 ～4 層穩(wěn)定巖層可作為冒落的控制層。

(3)根據(jù)冒落線形狀提出了留設(shè)“L”型安全維穩(wěn)礦柱、封堵、協(xié)調(diào)礦石回采和充填作業(yè)、控制爆破參數(shù)和調(diào)整排尾砂方向等維護(hù)頂板穩(wěn)固性的技術(shù)措施，可有效控制空區(qū)尺寸，延緩空區(qū)冒落時間，為最終的充填處理空區(qū)措施爭取的寶貴時間。

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