顏秉超

(山東地礦集團(tuán)有限公司)

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頂?shù)字扑闅埖V體開(kāi)采安全技術(shù)

顏秉超

(山東地礦集團(tuán)有限公司)

隨著新城金礦的大量開(kāi)采，礦體頂?shù)字鶜埖V量持續(xù)增加，已占全礦儲(chǔ)量的8%，且礦石品位較高,為有效回收利用頂?shù)字鶜埖V資源，分析了該礦的地質(zhì)情況，通過(guò)礦山巖石力學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)地壓測(cè)試，選擇采場(chǎng)進(jìn)路寬度4～6 m、進(jìn)路長(zhǎng)度30 m進(jìn)行開(kāi)采。

殘礦開(kāi)采 巖石力學(xué) 回采寬度

礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致許多礦山面臨資源枯竭的危險(xiǎn)[1-2]。由于受到礦體賦存形態(tài)、地質(zhì)勘查程度、采礦方法、投資回收期等因素的影響，在礦石開(kāi)采過(guò)程中常常出現(xiàn)采富棄貧、采易棄難等現(xiàn)象，致使地下存在大量的殘礦體，且品位較高，極具回收價(jià)值。因此，安全高效回采殘礦資源，成為采礦界亟需解決的一大難題[3-4]。

1 殘礦體開(kāi)采地質(zhì)概況

新城金礦礦區(qū)位于沂沐斷裂東側(cè)，膠東隆起的西北部，棲霞背斜的北翼，黃縣—掖縣弧形斷裂帶的南西端，即焦家斷裂帶上，地質(zhì)構(gòu)造及裂隙較為發(fā)育。斷裂帶走向北東40°，傾向北西，傾角26°～30°。距離地表較近的1#礦體為主礦體，已經(jīng)基本開(kāi)采完畢，僅有上部殘礦與-470 m水平以下少量礦石尚未開(kāi)采。礦巖整體較為穩(wěn)固，大部分巷道無(wú)需支護(hù)，但局部地段圍巖較為破碎，裂隙比較發(fā)育[5-6]。礦體上盤(pán)巖石主要為絹英巖、絹英巖花崗質(zhì)碎裂巖，下盤(pán)為硅化絹云母化似斑狀花崗閃長(zhǎng)巖。礦體賦存于黃鐵絹英巖化或硅化、絹云母化花崗閃長(zhǎng)質(zhì)碎裂巖中。礦體下盤(pán)圍巖及部分礦體強(qiáng)度較高，普氏系數(shù)為8～10。礦井水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單[7-8]。

2 礦巖物理力學(xué)試驗(yàn)

為反映上下盤(pán)圍巖及礦體的巖石力學(xué)參數(shù)，采用電子天平、游標(biāo)卡尺、WEP-600微機(jī)控制屏顯萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、100 t壓力傳感器、開(kāi)天4600計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的繪圖機(jī)(圖1)進(jìn)行礦巖物理力學(xué)試驗(yàn)。在井下-120 m礦體上下盤(pán)取樣，并加工成巖石試件，如圖2所示，所得礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)據(jù)處理設(shè)備

圖2 測(cè)試試樣

巖性單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)絹英巖花崗質(zhì)碎裂巖85．7321．224．8744．32黃鐵絹英巖花崗碎裂巖135．926．58．5345．78斑狀花崗閃長(zhǎng)巖125．524．866．3745．21

3 地壓測(cè)試

圍巖應(yīng)力和變形是地質(zhì)、采礦各種因素綜合影響的結(jié)果，是評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)采掘工作是否安全的關(guān)鍵因素，也是判斷采場(chǎng)是否需要采取支護(hù)措施、支護(hù)方式、檢驗(yàn)支護(hù)效果的重要指標(biāo)。

1407采場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3[9-10]，對(duì)1407#、1408#、1409#采場(chǎng)的4個(gè)斷面布點(diǎn)，其中3個(gè)斷面進(jìn)行了有效測(cè)量，如圖4～圖6所示。

(1)進(jìn)路采礦過(guò)程中，隨采礦的推進(jìn)，進(jìn)路頂板中各斷面壓力和位移均有不同程度的變化。其中1#斷面的水平壓力變化最大，為14.5 MPa，為垂直壓力變化的3倍多；水平位移和垂直位移變化都比較大，其他斷面較1#斷面稍小，但總體上變化規(guī)律相似。

圖3 1407#采場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置(-145 m平面)

圖4 1#斷面壓力及位移測(cè)量曲線

圖5 2#斷面壓力及位移測(cè)量曲線

圖6 3#斷面壓力及位移測(cè)量曲線

(2)測(cè)量斷面壓力和位移的變化與進(jìn)路走向推進(jìn)距離有關(guān)，開(kāi)始階段變化急劇，增長(zhǎng)快，待回采推進(jìn)5～6 m之后，變化值趨于穩(wěn)定。

4 回采進(jìn)路的寬度確定

4.1 力學(xué)模型建立

采用進(jìn)路式回采，礦石采出后，直接頂為分層礦體或人工假頂，假頂上方進(jìn)行尾砂充填。因此，回采進(jìn)路寬度的直接頂分為分層礦體和人工假頂承載的兩種情況考慮[11]。根據(jù)進(jìn)路開(kāi)采特點(diǎn)，采用梁結(jié)構(gòu)極限穩(wěn)定理論來(lái)分析礦體或人工假頂?shù)膶挾?，建立梁結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型，如圖7。設(shè)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別為p，q。

圖7 梁結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型

4.2 最大撓度的確定

(1)最大撓度計(jì)算。

(1)

從式(1)可知，撓度與垂直載荷成線性關(guān)系，與水平載荷呈非線性關(guān)系，隨著水平力的改變，最大變形將發(fā)生在梁的中部，即x=l/2處。

最大撓度[12]為

(2)

(2)最大許可撓度計(jì)算。設(shè)梁的許用拉應(yīng)力為[σt],則

(3)

進(jìn)路的變形正比于進(jìn)路寬度的4次方，即寬度增加一倍，變形量增加16倍，即進(jìn)路寬度增加一倍，則水平臨界載荷減少4倍。對(duì)于水平應(yīng)力較大的礦井，采用大寬度進(jìn)路開(kāi)采有可能會(huì)由于水平力的影響而造成垮頂。因此，在新城金礦的開(kāi)采中，以盡量不增大進(jìn)路寬度為宜，選擇采場(chǎng)進(jìn)路寬度4～6 m、進(jìn)路長(zhǎng)度30 m。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)于頂?shù)字鶜埖V回收，試驗(yàn)地段上盤(pán)圍巖抗剪切強(qiáng)度低，下盤(pán)圍巖比上盤(pán)圍巖抗剪切強(qiáng)度大。礦塊上盤(pán)的焦家主斷裂面有10～20 cm厚的斷層泥，遇水極易軟化。

(2)在-120 m殘礦回采地段上盤(pán)、礦體及下盤(pán)進(jìn)行了取樣，分別進(jìn)行了密度試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到了殘礦回采區(qū)域的原巖應(yīng)力場(chǎng)，及進(jìn)路采礦過(guò)程中進(jìn)路頂板壓力與位移的變化關(guān)系。

(4)當(dāng)進(jìn)路垂直主應(yīng)力時(shí)，進(jìn)路的受力情況及穩(wěn)定性是最差的；當(dāng)進(jìn)路平行主應(yīng)力時(shí)，進(jìn)路的受力情況及穩(wěn)定性最好。應(yīng)用極限分析法和薄板理論，根據(jù)1407#采場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算得到采場(chǎng)進(jìn)路寬度4～6m、進(jìn)路長(zhǎng)度30m。

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2016-08-31)

顏秉超(1983—)，男，工程師，250014 山東省濟(jì)南市歷下區(qū)歷山路74號(hào)。