刘卫星,童振清

(1.大冶有色设计研究院, 湖北黄石市 435005;2.宣城全鑫矿业有限公司, 安徽宣城市 242005)

皖南某矿井下采场顶板稳定性的分析与探讨

刘卫星1,童振清2

(1.大冶有色设计研究院, 湖北黄石市 435005;2.宣城全鑫矿业有限公司, 安徽宣城市 242005)

对皖南某铜钼矿井下采场顶板稳定性的影响因素进行较为全面的分析,认为影响因素主要分为两类:一是采场顶板矿(岩)的物质成份、结构构造、力学性质,二是外部环境的扰动。探讨了提高该矿井下采场顶板稳定性的措施与工艺。

井下采场;顶板稳定性;影响因素;措施

1 概 述

皖南某矿于1994年投产,采用竖井-盲斜井开拓(-150m以下为盲斜井),采矿方法为“上向水平分层尾砂充填(局部胶结)法”,矿山生产能力380 t/d,矿床为一典型矽卡岩矿床。区内分布着大小51个矿体,主矿体为1号矿体,其次为3号矿体,1、3号矿体的铜储量占矿床铜储量的63.6%。按矿体中不同有用组分的不同组合可分为含铜黄铁矿与矽卡岩铜钼矿型。2002年前由于铜价与其它因素,矿山在生产过程中以开采1号矿体为主,而1号矿体是矽卡岩铜钼矿,矽卡岩型铜钼矿风化带以下矿体的顶底板较为稳定,2002年底该矿体基本采完。2002年后该矿主要开采3号矿体,3号矿体以含铜黄铁矿型为主。在开采该矿体的过程中,井下采场顶板时有冒顶事故发生,对采场内的作业人员与设备带来极大的威胁,成为影响矿山安全生产的重要因素。

2 影响顶板稳定性的因素

影响采场顶板稳定性的因素较多,各因素对井下采场顶板的影响程度也不尽相同,既有单一因素的影响,又有各因素相互作用的影响。这些因素有来自采场顶板矿(岩)体的内在因素,也有来自采场地质体以外的影响。如开采顺序、井下相邻采场的爆破、回采爆破装药量、矿房的结构要素、采场顶板暴露时间等。在实际工作中,通常将影响井下采场稳定性的因素分为两大类:一是地质体的岩石力学性质;二是开采过程中出现的影响因素。

2.1 岩体的力学性质

在影响井下采场顶板稳定性的因素中,岩体力学性质因素较为复杂,顶板的稳定性主要由矿(岩)石结构与构造、孔隙度、地下水对岩石的软化、水的溶蚀、遇水膨胀、节理与裂隙、断层等决定。采矿活动可改变采场顶板的原始应力平衡状态,使原来应力平衡的地质体,再次寻求新的应力平衡。如果应力超过其临界变形应力时,就会发生矿(岩)体的位移或破坏,导致采场顶板冒落,引发安全事故。

2.1.1 矿(岩)结构与构造的影响

3号矿体采场顶板以含铜黄铁矿为主,主要有自形晶结构、半自形-他形晶结构、压碎结构及压碎斑状结构;主要有条带状(皱纹状)构造,次为块状。主要金属矿物有黄铁矿、磁铁矿、赤铁矿、毒砂、黄铜矿和闪锌矿、方铅矿等,金属矿物含量大于80%,脉石矿物少见,主要有蛇纹石、滑石、石英、方解石等。

顶板中金属矿物黄铁矿、磁铁矿、闪锌矿均呈自晶状态,非金属矿物蛇纹石、滑石则蚀变成粉末,呈现非结晶联结为松散状,其力学性质大打折扣,抗风化能力较弱,在自然状态下安息角＜25°,f=＜5,属中等稳固。

在回采过程中如果矿房跨度过大,而中间又无点柱支撑、一次爆破的药量过大、长期暴露,则再在其它因素的相互作用下,极易形成大面积的冒顶。

2.1.2 孔隙度的影响

由于顶板主要为含铜黄铁矿,其孔隙大(12%～19%),且其抗压强度明显低于其它类岩石。如果在放炮时装药量过大和顶板暴露时间过长,此类顶板的弹性模量急剧减少,顶板自稳条件极差,加之采矿的扰动和长时间的风化作用,地压随时都可以显现。

2.1.3 水对岩石力学性质的影响

区内含水层可分为裂隙岩溶含水层、裂隙含水层和孔隙含水层3类。3号矿体以裂隙岩溶含水层为主,抽水试验表明,单位涌水量q=1.02～3.02t/h·m,平均渗透系数Kcp=1.55～4.56m/d,矿体内普遍具有水力联系。由于水能瞬息地或逐渐地改变岩石的状态,使其强度及形变特性发生变化。

3号矿体主要以含铜黄铁矿为主,其矿物成份、结构与构造等特性决定了其成为富水与导水体。顶板矿岩由于水分子的介入而改变了岩石内部颗粒间的表面能,使原本结构不紧密的矿(岩)成为松散状,致使顶板矿(岩)的强度大幅度的降低。由于顶板为富水与导水体,在水长时间的化学作用下,含铜黄铁矿中的部分胶结物质被水带走,形成溶蚀作用,降低了矿(岩)的致密性,孔隙度进一步增大,从而使顶板矿(岩)强度降低而出现失稳现象。

2.2 采场结构因素

该矿井下采场沿矿体走向布置,宽12m,其中间柱宽3～5m,采场面积在230m2左右,采矿分层高度在2.5～3.0m,出矿后采空区高度在4.5～5.5 m,属采空区较高的采场。采场跨度是影响采场顶板稳定性的重要因素,采场暴露面积愈大,间(点)柱的承载的应力也相应的加大。随回采的上行,间(点)柱的最大主应力重心逐渐偏移,回采高度对间(点)柱的变形和刚度影响愈来愈大。由于逐层回采的原因,每上采一分层的放炮和作业都对本分层的间(点)产生破坏,导致间(点)柱的承载能力逐渐下降。

2.3 爆破因素与暴露时间的影响

由于该矿顶板矿岩物质成份、结构与构造的特殊性,决定了在采矿的过程中应密孔少药。如用药量较大,爆炸应力波使顶板形成较厚的应力破坏区,破坏顶板矿岩的整体性,导致顶板冒落。

由于该矿井下采场顶板的暴露时间较长,在水力作用与风化作用的双重作用之下,受爆破影响的疏松状顶板矿岩极易冒落。

3 地压显现分析

由于3号矿体矿石的独特结构、构造和矿物成分,以及孔隙度过分发育,其自稳程度极低,回采爆破时装药量偏大对顶板的破坏等因素的存在降低了采场顶板的稳定程度,再加上作业循环时间较长等因素为地下水的渗透、溶蚀提供了条件,进一步地降低了顶板的强度,当顶板应力集中达到其极限时,就会发生顶板冒落。

该矿采用的上向水平分层尾砂充填(局部胶结)法开采,在充填过程中,大部分水呈溢流状排出采场,而部分水则渗透到采场两侧的间柱,采场两侧的间柱因水的作用,其自稳性降低,产生局部片帮,使顶板暴露面积加大,造成顶板失稳而发生冒落。

4 措 施

4.1 观测与预报

利用岩体声发射监测技术对井下采场顶板进行监测。该技术具有投资少、携带方便、技术成熟的优点,并且在我国许多矿山都有成功的案例。在对采场进行观测前,首先要研究采场顶板矿(岩)物质成分、结构和构造与顶板矿(岩)强度的关系;研究同一矿(岩)在不同条件下的强度,在同一条件下不同矿(岩)的力学状态;研究构造在矿体中的分布规律、相互之间的关系以及对采场顶板稳定性的影响程度。在采场中选择节理裂隙发育、断层破碎带、风化程度较严重的地段布设观测点,确定一个观测孔的影响面积;在一个采场确定监测点的数量、分布位置,使危险处于有效的监测范围内。定时、定点连续观测,依据监测数据,并结合采场顶板掉渣、滴水等实际情况,分析预测顶板冒落的时间与影响范围。

4.2 沉降观测

由于矿(岩)性质的不同、采场所处构造位置的不同、水力影响的不同、采空区范围大小的不同,使得不同采场其顶板沉降速率也不尽相同。因此,根据实际情况确定合适的观测点数量与位置,进行沉降观测。在主要中段和相邻中段设置相对较多的观测点,在不生产的中段设置较少的观测点。参照点选择远离沉降区不受沉降影响的位置,利用水准仪进行闭合观测。如果矿(岩)体相同时,控制点间隔20m,在矿(岩)体不同且稳定程度较低的地段,一般不大于15m,每周观测不少于1次。根据观测结果进行分析,确定观测体处于休眠期还是活动期,再结合其它手段进行预报。

4.3 强化采场管理

在开采过程中,必须控制采空区面积,在采场中选择合适的位置预留点柱或半园柱,有效控制顶板暴露面积。由于采用水沙充填,水的溶蚀、导流作用较为明显,因此缩短作业时间,在水力还不能完全破坏顶板稳定的情况下出完矿、充填好采场。由于3号矿体的特殊性质,爆破对顶板的破坏作用较大,凿岩、爆破时选择合适的布眼密度和药量,避免对点、间柱形成较大的冲击,降低爆破对顶板的冲击与破坏。

4.4 联合护顶

经与同类型矿山的比较,认为可采用注浆式锚杆来维护采场顶板的稳定性。锚杆孔凿好之后水洗1次,然后再锚杆施工,注浆时适当加大压力,使部分灰浆渗透到孔的周边,以加大锚杆的锚固力。加挂金属条网,以防矿(岩)石碎块掉下伤害作业人员与设备。注浆锚杆与挂金属网工艺虽然有所投入,施工工艺也较为麻烦,但可以有效的回收更多的矿石,大幅度地降低落矿后由于不安全的因素造成的矿石损失,使采场内作业人员的安全系数大幅地提高,减少设备事故,虽然增加了部分开采成本,但从经济效益上看还是显著的。

5 结束语

随着经济的发展,人类对矿产品的需求日趋增加,人员与设备的安全也愈来愈受到人们的重视。因此,矿山对采场顶板失稳现象的研究和采取护顶措施十分必要,不仅能避免因冒顶、片帮引发的人身与设备事故,还能降低采矿过程中的贫化、损失率。采场顶板沉降观测,可以及时预报因采矿而引起的地质灾害,可提高矿山企业的经济效益和社会效益。

本文的撰写得到了饶泽民、钮阳春两位同志的帮助,在此向他们表示衷心的感谢!

2010-04-19)

刘卫星(1957-),男,湖北黄梅人,大专学历,高级工程师,主要从事矿山测量与管理工作。