采场地压管理

在矿床地下开采中,采场地压管理是生产工艺之一。他的目的是防止开采工作空间的围岩失控发生大的移动和威胁人员的工作安全。正确选择回采期间采场地压管理方法有非常重要的意义。

在开采空间形成以前,可以认为在井田的小范围内,原岩体是连续的密实体,其内部应力也是平衡的。开采空间的形成,破坏了原岩应力平衡,产生次生应力场,围岩会出现局部应力集中升高、降低、拉压应力的转变,三向应力的转变,会产生裂隙张开闭合,顶板下沉,冒落,底板隆起,侧面片帮,在采矿深部甚至可能发生岩爆。

1 地质概况

大红山铜矿属海底火山喷发沉积变质中厚缓倾斜高温矿床。有七层矿体,三层铜四层铁。I3、I2铜矿体规模大,呈层状,似层状产出。矿体走向EW—N600W。走向长1800m,倾向S30W,倾斜宽1200m。倾角250～350;埋深191m～705m。矿体平均厚度11.61米;(表内),矿岩坚固系数F=10—14。主要含矿岩性为坚硬半坚硬石榴黑云变钠质凝灰岩,石榴黑云母片岩,条带状石榴黑云白云石大理岩及炭质板岩,其构造较为发育,矿体成分主要为黄铜矿,磁铁矿、多为粒状结构,矿石体重3.25～3.35t/m3、废石体重2.99t/m3,松系数1.71,矿石自然安息角40.5～410。属典型的多层层状难采矿床。

2 存在的问题

虽然大红山铜矿的大块产出得到了较为明显的控制,但是顶板垮落形成大块,甚至是超级大块的现象仍末得很好的解决,最终影响了供矿效果,而使贫化变大,供矿强度降低。分析其主要原因是由于大红山铜矿岩石呈多层倾斜,地质构造节理裂隙发育,虽然矿围岩稳固,但整体稳固性差,爆破时,爆能从爆破弱面即节理裂隙岩石层理面之间和孔口部分瞬间释放,爆能分布不均,利用率降低。另外,爆破空间的增大,矿石通过爆能作用后离开原岩在空间内无法形成相互碰撞挤压破碎,爆能利用不充分而形成部分大块。加之分多次的爆破对顶板的冲击震动,节理裂隙对顶板岩石的破坏和影响,以及部分超深孔的爆破造成对顶板原岩的直接破坏,随着空间的暴露面积逐渐增大,顶板岩石应力重新分布,或者原岩无法承受其自重,从而导致顶板岩石沿层理、断层、节理、裂隙发育的弱面产生垮落,形成大块。从目前的落矿工艺实施效果看,都是以切割槽及矿房第一次爆破后块度较小,供矿能力大,第三次、第四次以后大块产出高,贫化增大,第二次单耗提高,供矿能力降低。在同一盘区爆破次数愈多,反映越明显,最终供矿效果越差。

多次爆破后长时间的空区顶板暴露,致使地压显现活动加剧。大红山采空区顶板暴露面积一般在2000m2左右,由于盘区生产周期长,空区不能及时进行充填,从采供开始空区一般都长达8个月左右,而且空区顶板还受到采矿期间多次大爆破的叠加冲击破坏,以及地质构造影响,造成空区顶板大面积垮落,形成大块,造成贫化,随着地压显现活动的加剧,应力重新分布并在矿柱产生应力集中,还发生了矿柱的垮落现象。据观测,顶板垮落最高达到了28m,一般情下也达到3m～5m。如果矿柱也再垮落,将带来很大的安全隐患。必须按照“四强”开采的原则,以提高劳动生产力,降低损失贫化,减少大块产出,缩短盘区回采周期等方面为突破口,对大红山铜矿连续回采工艺继续进行试验和研究。

3 一般说来采场地压管理任务有三个方面

(1)正确认识不同采矿方法采场开采空间所承受的载荷及应力变化规律,为正确选择地压管理方法提供符合实际的地压理论和假说。

(2)从实际出发正确选择地压管理方法及有关参数,保持一定时间内开采空间的稳固。

(3)处理好矿块回采期间遇到的局部地压问题,如构造断层,破碎,溶洞,老硐室等造成的特殊地压问题。

4 通常采场地压管理方法大致有以下几种

(1)使开采空间具有较稳固的几何形状,使应力较平缓的过渡。

(2)用矿柱、充填体,支柱或联合方法支撑开采空间。

(3)边采矿边崩落围岩,使开采空间某些部位的应力重新分布,降低工作空间围岩应力集中,减小工作空间的地压。

(4)使开采空间围岩达到自然崩落所需的尺寸,通过自然崩落释放应力,减小周围采场的地压。

5 采场地压假说有几种不同的说法

(1)拱形地压假说。(2)支撑地压假说。(3)覆岩总重假说。(4)部分覆岩重量假说。(5)滑动棱体假说。(6)悬臂梁假说。

6 影响采场地压管理的因素把它分为两组

一组因素称自然因素,如原岩应力,矿岩稳固性,矿体埋藏深度,矿体的规模、形状、厚度和倾角等;另一组是开采过程中形成的因素,如采场支撑方法,开采空间的大小,形状和相对位置,工作面推进速度,落矿方法,矿块回采周期和其它。

7 保持开采空间稳固的方法

(1)缩小开采空间暴露面积和跨度。

(2)使开采空间具有较稳固的几何形状。(悬臂梁原理)①使开采空间的顶板成为拱形,可以显著提高空间的稳固性。②矩形开采空间长边与最大主应力方向平行,有利于开采空间的稳固。在同样的原岩应力条件下,若将开采空间转90°直立成为窄而高的状态,就是使长边与最大主应力平行,则两壁没有应力集中情况,顶板拉应力消失或减小。如图1:应力分布图(a)(b)。

(3)提高开采强度,缩短矿块回采周期。

(4)回采方向适应矿岩的构造。

(5)减小地震效应。

(6)采用矿柱支撑。先留一部份顶底柱,当矿房回采结束后立即进行顶底柱的回采。

(7)采用充填料支撑。这是我矿最主要,也是投入最大的地压管理项目。

(8)留矿支撑。

(9)人工支柱支撑。①立柱或横撑;②棚子支柱;③方框支柱,由柱、梁和横木组成,柱高1.8m～2m,方框平面规格为1.5m×1.5m;④垛积支柱;⑤杆柱;⑥单体金属支柱;⑦单体液压支柱;⑧混泥土支护。如640中段I3矿体56-I盘区大爆破后对电耙联道的破坏很严重,联道已垮落堆积有0.5m的高度,人员无法进入耙矿,给供矿带来很大的安全隐患,工区立即采用架箱的方法,对整个电耙联道进行支护;550中段16-I盘区断层经过、节理、构造较发育,岩石较破碎,经过切割槽浅采放炮、漏斗的受矿,每条耙巷的切割槽受矿斗破坏很严重,很多斗穿已破坏,-3、5、6号斗已形成自溜斗,如果不进行支护,放大炮后矿石堵塞电耙道将无法耙矿,无法供矿。或者待大爆破后再来支护,那支护费用更高,难度更大。就此,经过技术部和工区领导对现场情况的剖析后,决定一次性高投入,减少后续工作,改原来的架箱为混泥土假顶支护,具体办法:用混泥土把原来设计的斗穿模型浇灌出来即包七字。据实践此法案较合理,如果现在不支护而是后期支护,给供矿带来的损失将更大。大爆破后再来支护的费用:70000t(矿量)×1元(每吨矿石所承担的支护费用)=70000元;大爆破前支护的费用15方×580元/方=8700元。所以现在须在大爆破前就支护。即得到的经济效益为70000元-大爆破前就支护的费用8700元(混泥土浇灌方量15×580元/方)=61300元。

8 矿柱回采、空区处理也可以归为地压管理的一部分

矿柱回采是在原来采矿方法设计时考虑到地压管理,在矿房回采结束后,为了充分利用资源,使能够不浪费资源而进行的矿柱回采。矿柱回采要及时,矿柱能否及时回采不仅关系到矿山经济效益的优化,而且关系到矿山生产的持续和安全。

矿柱回采后围岩压力全部转移到矿柱上,而矿山对矿柱又往往不能及时回采。随着时间的推移,地压活动加剧,矿柱进一步变形开裂,更给矿柱回采造成更大困难。矿山技术政策和安全规程都要求按计划及时回采矿柱。很多矿山实践证明,为了保证井下安全生产,预防大面积剧烈的地压活动,不能允许保留大量用矿柱支撑的为未处理采空区。

井下稳固的采空区环境很安静,大气条件恒温恒湿,创造适宜的人工气候所需的能源消耗很少。国外有将闭坑矿井改造成为地下疗养院或仓库等,并获得很好的经济效益。影响采空区地压活动的因素有:大量未处理的采空区是导致矿山大规模地压活动的根本原因。国内外矿山有许多实例证明,大规模地压活动往往造成严重的矿山灾害,如破坏井巷设施、设备、甚至造成重大人身安全事故。影响较小的地压活动也可能导致生产失调和资源损失。影响采空区地压活动的因素主要有①岩体中空区的大小、形态和采空区之间的相互关系。②原岩应力和开采深度。③构造弱面、裂隙的分布情况。④时间因素。⑤岩石的物理学性质和稳固性。⑥矿柱回采情况。⑦岩石的含水性。⑧落矿方式。⑨相邻采空区的处理方法和质量。

采空区的处理方法一般分为:充填法、围岩崩落法、隔离法三大类。

隔离法:①隔绝孤立分散的小采空区与生产作业区端之间可能传递危害的一切通路。②在连续和基本连续的大矿体中设置隔离带,隔离两侧采空区次生应力场的相互影响并消除它们相叠加的条件。

9 结语

地压管理很多时候不能用经济指标来衡量,哪里有安全隐患,需要支护就要支护。但是,采矿方法的选择是以矿块回采期间地压管理为主要依据,所以地压管理是采矿工艺中的一个重要的不可或缺的组成部分,对矿块的生产效率,安全生产及考虑局部矿体的可采问题;矿柱回采等都影响很大。所以研究适合本矿山的地压管理方法,对降低生产成本,充分回收资源、增加安全系数,提高经济效益具有重要的现实意义。为此可为矿山每年带来上百万的经济效益 。

参考文献

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