李俊平 王海泉 刘 非

(1.西安建筑科技大学资源工程学院,陕西 西安 710055;2.西北有色地质矿业集团有限公司,陕西 西安 710054)

当前我国矿业正面临着前所未有的变革,绿色、安全、和谐、智能、高效的矿业发展理念已融入国家“十四五”规划和2035 年远景目标中。 为了实现绿色开采,钱鸣高等[1-2]首次提出了绿色开采的内涵及技术体系。 依据其技术体系,非煤地下矿山绿色开采的核心内容主要包括保水开采、减沉开采及废石、尾矿充填。 刘建兴等[3]认为评价金属矿山是否达到绿色开采的指标体系包括工艺技术与设备水平、污染物排放水平、资源开发利用率、污染物回收利用率、绿色管理与环保水平等因素, 分别约占总指标的16.49%、15.85%、24.61%、21.80%、21.25%,其中与采矿技术密切相关的指标超60%;郭文兵等[4]强调地质和采矿技术这2 个指标;赵国彦等[5]尽管重视安全技术但也强调上述后3 项指标,可见采矿方法在各指标中具有重要影响。 李夕兵等[6]认为充填采矿是深部矿产资源开发的首选方法。 许家林[7]认为“深化采动岩层运动规律研究,确定适合不同矿区特点的绿色开采技术模式,并建立绿色开采的评价指标体系,以便开展矿山全生命周期绿色开采设计,提高绿色开采技术效率”是绿色开采的发展方向,许家林等[8]还认为采矿岩层控制必借助充填技术。 王振宇等[9]在煤—水协调共采生命周期影响因子研究中也表明,建设开采阶段采煤方法与开采工艺、塌陷土地治理率是协调共采的主要影响因素。 黄麟淇等[10]认为未来深部有色金属绿色采矿工艺是利用高应力诱导实现截齿破岩机械化连续采矿并嗣后充填采空区。杨科等[11]认为黄河流域煤电基地固废利用的最有效方式是井下绿色充填开采。 吴爱祥等[12-13]认为充填采矿法或将成为深部采矿和绿色采矿未来可期的唯一解决方案,膏体充填将引领绿色开采。 总之,中国知网中近几年收录的大量有关绿色开采的文献几乎都涉及充填或覆岩离层壁后注浆。 可见,非煤地下矿山深部实现绿色开采的根本途径是充填开采,即将废石、尾砂等开采废料就地充填到地下开采或离层空间,从而达到无废排放、地层无扰动,实现保水、无废开采。

相关调查表明,金川集团、湖北三鑫金铜股份有限公司、铜陵有色金属集团、张庄铁矿等多家长期使用充填法开采的矿山企业,经过长期累积,地表也产生了不均匀沉降裂缝,并且在深部开采中还发生鼓巷道帮或岩爆。 例如,金川集团二矿区在地表沿矿体走向显现了长度大于1.5 km 的地表沉降盆地及平行地裂缝,其中心距长约1.25 km 的采掘区地表水平投影的上盘约 300 m,而且在800 m 以下的深部开采中常见主运输巷帮鼓,甚至采矿、掘进中偶有岩爆发生[14]。 又如湖北三鑫金铜股份有限公司目前正在开采-520、-620 m 中段的矿体,尽管地表沉陷不太明显,但距地表埋深约320～370 m 的-270、-320 m 中段上盘脉外巷道底板上总能看到沿走向分布的数十甚至数百米长的裂缝,而且在-870 m 中段及其以下中段的巷道掘进中偶有岩爆发生。 张庄铁矿、铜陵有色金属集团等其他多个长期应用尾砂胶结充填法采矿的矿山企业也先后出现了上述沉降或岩爆问题。

基于上述问题,本研究提出基于切顶卸压理论的绿色开采理念,并针对不同的矿体赋存条件,探讨经济合理地实现绿色开采和安全开采的途径。

1 基于切顶卸压理论的绿色开采理念

上述综述表明:非煤地下矿山深部实现绿色开采的根本途径是充填采矿,进而达到地表无废排放、地层无扰动,实现保水、无废开采。 尽管我国被采矿活动扰动而需要进行生态修复的矿山很多,但不少长期致力于充填采矿的矿山实践表明,如果不解决好深部开采及采空区处理问题,必然引起顶板冲击地压、岩爆、大变形等地压灾害,从而导致充填采矿的矿山也会反复发生地表开裂、下沉,进而破坏生态修复成果,造成反复修复、反复投入和反复破坏的后果。 由于传统采空区处理方法无法定量设计、不能卸压开采、施工成本较高,而且传统卸压开采理论不仅不完善而且普适性不强,2001 年处理陕西东桐峪金矿43×104m2采空区时,本研究团队[15]突破了卸压开采的理论瓶颈,提出了切顶卸压理论。

切顶卸压理论的要点是:应用控制爆破手段,分别在顶板拉应力最大地段沿采空区走向全长实施一定深度、一定宽度的控制爆破切槽放顶,诱使顶板在该地冒落、筑坝并接顶,从而实现采空区小型化并与开采系统隔离,进而引起采(掘)面应力释放并向切顶隔离坝转移(图1)。 在东桐峪金矿,依据材料力学理论推导出切槽放顶的合理位置,依据爆炸裂纹扩展原理推导出切顶深度,依据井下空气动力学推导出避免冒落空气冲击波伤害作业面员工的切顶宽度[16]。切槽放顶位置也可借助采空区顶底板闭合观测或顶板应力监测确定[17]。

图1 切顶卸压原理Fig.1 Principle of top-cutting and pressure-relief

首次切槽位置计算公式为

式中,x0为顶板岩梁从866 m 水平到首次切槽点的倾斜距离,m;α为采空区倾角,(°);a为岩梁从866 m 水平到1 133 m 水平钢筋混凝土支撑隔离墙的倾斜距离,m;b为顶板岩梁从钢筋混凝土支撑隔离墙到矿体山坡露头的倾斜距离,m;H为从山顶平均高度到矿体露头的垂直距离,m。

二次切槽位置x1的计算公式为

式中,γ为爆破崩落岩石容重,×104N/m3;c=a-x0,即首次切槽位置到钢筋混凝土支撑隔离墙的倾斜距离,m;d为顶板岩梁从866 m 水平延伸到的深部新水平至首次切槽点的倾斜距离,m;RD为松石堆积坝的支反力,取max {RD} =λ·σ·W·l,其中,λ为崩落岩石抗压强度的折减系数,一般λ=10-2;σ为岩石抗压强度,MPa;W为切槽宽度或筑坝隔离体最小宽度,m;l为石渣堆积坝沿走向的单位长度,取1 m。

切槽放顶钻孔深度可进行如下计算:

式中,L为切槽放顶钻孔深度,m;k为岩体松散系数;N为采空区顶、底板垂直高度,m;z为岩石声阻抗,106kg·m-2·s-1,可查文献[17]取值;St为岩石抗拉强度,MPa;re为炮孔半径,取0.02 m。

筑坝隔离体宽度W可进行如下计算:

式中,C为阻力系数,由试验确定,一般取1.1～2.7;f为松散岩石间的摩擦系数,为确保安全可靠,取最小值0.25;ρ0为空气密度,井下一般取0.9 kg/m3;ν为石渣堆积坝可承受的气流速度,m/s。

对于倾斜采空区,为了防止堆石坝沿底板滑动,可以参考图1 在矿柱残采时沿底板预留抗滑桩或爆破底板形成平台。 为实现地表无废排放、地层无扰动,本研究提出了基于切顶卸压理论的绿色开采理念。 其要点是:先借助控制爆破切槽放顶形成的接顶堆石坝支撑顶板;然后充分回收矿柱,清扫底板残矿;再将开采废石、尾砂等排入处理完的采空区。 接顶堆石坝类似安装在顶、底板间的弹簧,不仅可以封隔采空区,还会引起顶板集中应力向底板转移,合理安装还可引起顶板均匀沉降,从而大幅度减小地层扰动,避免地表发生开裂、下沉。 切顶爆破也能引起顶板发生一定量的应力释放。

2 水平至倾斜矿体绿色卸压开采

依据切顶卸压理论,本研究团队于2001—2007年在倾角为20°～40°的东桐峪金矿采空区中,分别沿拉应力最大的966 m 水平、866 m 水平凿1.94 m 深的钻孔,实施了走向全长的控制爆破切槽放顶,沿走向全长堆筑成两带宽10 m 的接顶堆石坝,不仅成功处理了采空区,而且在堆石坝边铺设草包后,还经济、高效地回收了堆石坝附近的矿柱及夹在岩柱中的薄脉高品位矿石。 为了减小局部开采地压,更为了高效回收矿柱和底板残矿,局部还沿倾向或走向类似实施了宽6 m 的切槽放顶。 进行如此残采作业(图2),延长了该矿服务年限6 a,年残采品位约10 g/t 的石英脉金矿石约10×104t[17]。 矿柱残采干净后,将开采废石直接排入处理后的采空区。 如果进行适当胶结充填加固、封堵堆石坝,还可将选矿尾砂直排井下。残采6 a,未见地表发生生态环境破坏,开采前后位移变化不明显(图3)。

图2 堆石坝分布示意Fig.2 Schematic of rock-fill dam distribution

图3 生态景观及位移变化Fig.3 Displacement change and ecological landscape

本研究团队[17-18]于2006—2009 年通过控制爆破切槽放顶,消除了鸡西矿业集团沿空留巷的大变形地压,实现了煤柱全采。 张国锋等[19]的110 工法,何满潮等[20]的切顶短壁梁理论与其110 工法[20],巴蕾等[21]、杨军等[22]等大量应用110 工法的相关成果,本研究认为可以纳入切顶卸压理论在煤矿沿空留巷中的具体应用范畴,但都只沿工作面推进方向对留巷顶板实施一个面的超前预裂爆破,定向切断留巷顶板与采空区顶板之间的应力传递,借助切缝面两侧形成的顶板应力差及周期来压作用诱导采场顶板沿预裂面及时垮落成巷帮,因而,都未能充分体现切顶深度和宽度的内涵,导致切落体无法完全接顶和自稳,从而未完全取得理想的切顶卸压效果,煤柱全采未能完全实现,并且时常发生下巷底鼓、坍塌和支架弯曲。

可见,借助切顶卸压理论,对于水平—倾斜矿体开采形成的采空区,不仅可以借助控制爆破产生的堆石坝将特大型采空区分隔成若干个小采空区,从而避免处理过的采空区发生一定规模冒落诱发的空气冲击波危害作业面安全,爆破切断顶板还可将顶板变成悬臂梁从而释放部分顶板地压;可借助整体地压控制时沿走向,或局部地压控制时沿走向或倾向切顶卸压的堆石坝这个合理分布的类似弹簧的结构避免采空区产生不均匀沉降,并引起集中应力向堆石坝底板转移;还可将堆石坝作为废石或尾砂等充填的挡墙,从而降低嗣后充填的施工成本。 总之,切顶卸压是水平—倾斜矿体实现卸压开采、绿色开采的经济、有效手段。

3 急倾斜矿体绿色卸压开采设想

3.1 薄脉采空区卸压开采

对于急倾斜薄矿体开采所产生的采空区,可以利用“V”形切槽上盘闭合法切断一定深度的上盘顶板,引起切槽口上部的上盘顶板快速倾倒、闭合(图4(a)),“V”形切槽产生的松石充填切槽口下部一个中段的采空区。 这是切顶卸压理论在急倾斜薄脉采空区卸压开采与采空区处理中的再创新[17],可完全释放切槽口上部采空区的地压,也在切槽口下部堆筑成一定高度的松石坝,以便向处理过的采空区中排放废石、尾砂等开采废料。

图4 急倾斜采空区切顶卸压示意Fig.4 Schematic of roof cutting and pressure relief in steeply inclined forsaken stope

为了确保上盘施工巷道及“V”形切槽凿岩施工安全,对于f≥10 且完整稳固的岩体,如坚硬完整大理岩、花岗岩等,上盘施工巷道与采空区的水平距离d≥12.5 m;对于8≤f<10 且基本完整稳固的岩体,如白云岩、煌斑岩、流纹岩等,d≥20 m;对于稳固性较差的岩体,如千枚岩、碳质板岩等,d≥25 m[17,23-24]。

3.2 厚脉采空区卸压开采

对于急倾斜厚大矿体开采所产生的采空区,尤其还要限制上盘岩移时,本研究团队在切顶卸压理论及“V”形切槽上盘闭合法的基础上发明了硐室& 深孔爆破法[23],即在采空区上盘近地表段爆破一定方量的三棱柱体,卸载了上盘顶板的下沉荷载,爆破松石充填采空区也对采空区上盘顶板实施了一定高度的压脚,从而避免上盘及抽采后的保留矿柱发生岩移破坏(图4(b))。 同样,处理后的采空区中堆筑了一定高度的松石坝,以便隔断采空区而形成开采废料的废石场或尾矿库。 为了方便应用该方法,假设上盘三棱柱体爆破前、后上盘顶板岩梁的弯矩相等,推导出的防止上盘不产生危害性岩移的采空区充填高度的求解方程为

式中,h为充填高度,m;H为矿体开采深度,m;D为矿体平均厚度,m;α为矿体倾角,(°);k为上盘岩石爆破松散系数,一般取1.6。

假设上盘施工巷道到采空区的水平距离d与其到地表的距离相等,可按下式解算出沿走向每米采空区的实际爆破方量V实:

式中,对不同完整性的不同岩性,d必须大于某一临界值;2.5×2.8 为上盘凿岩施工巷道的断面尺寸。 按照式(6)估算d时,需确保V实≥h·D/k。

3.3 采空区下部整中段卸压开采

矿山进入深部开采阶段后,往往上部开采形成了需要处理的大面积采空区,深部矿岩中也集中了诱发岩爆或大变形的高地压。 利用钻孔爆破卸压施工的灵活性,基于切顶卸压理论,本研究团队[24-25]于2013年发明了急倾斜矿体开采的采空区处理与卸压开采方法。 该方法借助下盘运输巷道及上盘脉外凿岩巷道同时向采空区“V”形切槽,并在上盘巷道底板实施一定深度的隔断开采,既能全面处理浅部采空区,还能对其深部整中段实现卸压开采(图4(c))。

通过FLAC3D仿真分析采空区处理与卸压开采过程,能方便地确定上盘施工巷道与采空区的距离d、上盘巷道底板实施隔断开采的下向垂直钻孔深度及隔断开采的爆破方式。 一般隔断开采深度取20 m;f超过8 的完整硬岩,d取20 m,采用简易松动爆破方式即可;对于f为4～7 的硬岩,为了避免施工过程中出现上盘巷道底板下陷,d一般取25 m,必须抛掷爆破形成隔断开采[25]。

3.4 矿柱绿色全采设想

在上述急倾斜采空区处理与卸压开采的同时,可以间隔抽采75%以上的矿柱[23-25],无法有效实现矿柱全采。 因为在急倾斜采空区硐室& 深孔爆破上盘近地表的三棱柱体或“V”形切槽就地堆筑成松石坝时,坝体两则往往成小于45°的坡面,因此堆坝高度很难达到采空区全高或半高,因而限制了处理过的采空区排放废石或尾砂等开采废料的库容,并且回采附近矿柱时矿石易混入前期的爆破松石中。

20 世纪90 年代俄罗斯国家有色矿冶研究设计院的相关学者发明了矿房崩落充填法[26],即施工好上述“V”形切槽或三棱柱体等的钻孔或药室并装药连线后,首先向下部采空区排放一定强度的胶结充填体,当胶结充填体的排放高度达到采空区高度的1/2以上后,在充填体未凝固前边继续充填边起爆上述炮孔和药室,以便爆破松石排入未凝固的胶结充填体中,并充分振捣胶结充填体。 研究表明:如此形成的胶结体比一般胶结充填体强度高出25%～30%,充填成本可降低30%～60%,并且地压和岩移的控制效果较好[26]。

为了提高松石在采空区中堆坝的高度及稳定性,或者避免切顶堆石坝泄漏尾砂,借助充填法两步骤回采与矿房崩落充填思路,拓展了基于切顶卸压理论的绿色开采理念,即在采空的采场实施切槽放顶爆破前,先胶结充填1/2 高度以上的采场,然后边继续充填边起爆切槽放顶炮孔,以便形成一定高度、完整稳固性的胶结体,既可作为二步骤全采矿柱的支撑柱,又能作为地下充填的挡墙或排放尾砂的尾矿坝。

4 结 论

(1)充填法既无法避免不均匀沉降,更不能转移或释放深部开采高地压,并且急倾斜采空区中仅切顶难于实现矿柱全采。 因此,将切顶卸压理论与充填法有机结合,既是实现深部卸压开采、绿色开采和矿柱全采的重要途径,又是地表实施生态修复时优先考虑的施工步骤。

(2)切顶卸压理论是实现绿色卸压开采的经济、有效手段。 水平—倾斜矿体开采形成的采空区不仅可借助控制爆破产生的堆石坝将特大型采空区分隔成若干个小采空区,又可借助沿走向及倾向合理分布的堆石坝这个类似弹簧的结构,避免采空区产生不均匀沉降,并引起集中应力向堆石坝底板转移,还可将堆石坝作为废石或尾砂等开采废料充填的挡墙。 在急倾斜采空区应用矿房崩落充填法,既可降低充填成本,又可提高胶结充填体强度。

(3)矿房崩落充填法是急倾斜采空区中构筑稳定可靠的充填挡墙、形成井下废石场或尾矿库并实现矿柱全采的经济有效补充手段。 急倾斜矿体开采形成的采空区在切顶卸压时使用矿房崩落充填法,既可以降低充填成本,又能构筑强度较高的胶结充填挡墙或二步骤回收矿柱的支撑柱;既实现了二步骤矿柱全采,又构筑了井下排土场或尾矿库。