武山铜矿胶结充填体顶板稳定性浅析

张葆春,保文俊,赵永和

(江西铜业集团公司武山铜矿,江西九江 332204)

武山铜矿胶结充填体顶板稳定性浅析

张葆春,保文俊,赵永和

(江西铜业集团公司武山铜矿,江西九江 332204)

江铜集团武山铜矿自 2007年开始在该矿北矿带试验下向水平分层胶结充填采矿法;通过两年多的实践摸索,解决了一系列工艺环节问题。由于胶结充填体作为采场顶板,故胶结体的稳定性研究是矿山生产技术的一项关键工作。本文从定性定量的角度分析了胶结体的受力状态,从采场实际生产出发,总结了提高顶板稳定性的措施。

胶结充填体;稳定性;顶板

1 前言

伴随社会技术经济的发展,矿产资源的珍贵性日显突出;在此大环境下,安全高效、高回收效的胶结充填采矿方法在国内矿山采矿方法的类别比例越来越大;而在下向采矿法中,胶结充填的同类矿山并不多见,仅有金川镍矿及会泽铅锌矿等少数矿山将胶结充填体作为采场顶板;且各个矿山的矿体赋存情况、地质构造均差异较大。武山铜矿作为一个大型铜硫矿山,自 2007年与长沙矿山院合作,在南矿带试验采场进行下向胶结充填前期试验;在取得阶段性成果后,依据中国有色工程设计院所做的《江西铜业股份有限公司武山铜矿深部挖潜扩产技术改造初步设计》,在北矿带逐步推广胶结充填采矿新工艺。而采矿工艺是矿山企业的技术核心,直接影响企业的安全效率,在没有技术积累的前提下,矿山工程技术人员必须立足自身,并积极与相关科研院所配合合作,对胶结充填体工艺悉心研究,控索规律,以指导采场作业。

2 矿区地质概况

武山铜矿属长江中下游大型铜硫矿床,它分为南北两大矿带。北矿带位于花岗闪长斑岩体的北侧,矿化带长2700m,宽 200m。工业矿段长 1600 m,有工业矿体 7个,其中 1Cu矿体规模最大,为主要开采对象,它位于武山南坡,赋存在泥盘系上统五通组砂岩与石炭岩系中统黄龙阶灰岩的层间破碎带中,矿体呈似层状顺序产出,倾向 165°,倾角 56°～64°,局部地段变陡为 70°～83°,变缓为 44°;矿体长 1600 m,平均厚 16. 8m.矿石类型:浅部为含铜黄铁矿和含铜高岭土,深部为含铜矽卡岩和含铜碳酸岩。矿石结构有块状晶状结构、填隙结构、溶蚀结构、共边结构等,矿石构造有块状构造、脉状构造、浸染状构造等。1Cu矿体的底板主要为含砾石英砂岩,其次为花岗闪长斑岩;顶板为白云岩、大理岩,局部地段为花岗闪长斑岩、煌斑岩、高岭土,矿体附近的火成岩脉在浅部均遭受了强烈的风化,为不良工程地质体[3]。

3 下向水平分层胶结充填采矿法

武山铜矿从 1966年开始建设以来,北矿带起初采用崩落法:高分段崩落,后成低分段崩落及分层崩落,由于矿石易氧化自燃,给安全生产带来了很大的隐患,也造成了很大的贫化损失。1990年与北京矿冶总院共同完成了北矿带钢筋混凝土假底下下向进路式水砂充填采矿方法的试验研究,1992年完成了南矿带上向斜壁宽分条水砂充填采矿法试验。两种采矿方法一直沿用至 2005年,并在实践中不断对采矿工艺进行创新。为了解决下向坑木支护问题及扩产需要,提高单个采场的生产能力,2005年,根据二期扩产工程北矿带设计的分级尾砂下向胶结充填采矿法,先选择南矿带W4盘区进行下向进路式胶结充填采矿法度试验,取得了成功,2006年后推广到北矿试验成功后全面推广。现武山铜矿所有北矿带采场使用的采矿方法都为下向水平分层进路式胶结充填采矿法,具体如图 1:

图 1 下向水平分层进路式充填采矿法[4]

4 充填采矿法胶结体受力分析

通过在采场预埋混凝土应变计、钢筋测力计、木支柱压力计来分别监测不同回采断面下胶结充填体受力变形的规律与特性,以及竖筋的受力状况及木支柱受力状况。

从监测结果分析:

(1)竖筋受力分析。①断面增大后 (由 3 m＊3 m扩大至 5 m＊3 m)钢筋计所受拉应力几乎为原先的 2倍;②从整个竖筋受力变化曲线图来看,充填体暴露为顶板之前,曲线较为平缓,而且主要为压应力,说明此时充填体中的竖筋受力较小,变化不大。在充填体暴露为顶板时,曲线斜率较大,且呈拉应力,证明此时竖筋受力明显增大,竖筋对充填体起了悬吊作用,之后的一段时间,曲线又趋于平缓,说明随着充填体暴露时间的增大,充填体中竖筋受力变化不大,整个竖筋受力比较稳定 (如图 2)[1]。

(2)应变数据分析:上层充填体刚暴露为顶板时,充填体变形较为明显,变形幅度大,但随着分条的继续回采作业,暴露为顶板的充填体变形稳定在一个范围内,直到分条结束回采 (如图 3)[1],从小平面内垂直于回采分条轴线方向应变计监测结果来看,充填体下部产生受拉变形,上部产生受压变形。由此可以以为,在大断面回采情况下,顶板充填体在垂直于分条思线平机内变形形式为梁弯曲变形;充填体变形使得顶板中间部位出现较大的拉应力。

图 3 监测点充填体应变曲线

(3)木支柱受力分析:①被监测的木支柱受力很小,说明分条回采过程中,顶板充填体下沉量很小,没有对木支柱产生较大的压力。②经比对发现,靠近充填体一侧立柱所受的压力略大于靠近矿体一侧受所的压力。说明回采分条中,靠近充填体一侧充填体的下沉量要大于靠近矿体一侧。

5 增强顶板胶结体稳定性措施

从分析结果来初步判断,下向胶结充填采场顶板的胶结充填体呈梁弯曲受力变形状态。且失去矿岩支撑后,变形主要由胶结体自重引起,受外力的影响因素不多。和过去下向水沙充填受力不同的是:水沙充填时,木支柱与顶板的钢筋混凝土假底形成简支梁受力结构;而胶结体依托周边矿柱或人工支护形成组合梁受力结构。

依据以上结论,矿山工程技术人员在提高充填体质量的前提下,主要采取以下两大现场措施来增强胶结充填体的稳定性:

(1)合理调整竖筋长度。胶结充填体下部(1:4的灰沙比)与上部(1:8的灰沙比)形成组合梁;而其中竖筋起锚杆的锚固作用,对组合梁进行强化。这样竖筋的网度与长度起了关键作用。根据麦康公司提供的计算公式:

H=l/3+0.5

公式中的 l为回采断面的跨度,H为竖筋的高度。在断面为 5 m时,H=2.17 m,竖筋的网度为1.6m＊1.6 m。而断面增大到 5 m(宽)＊4 m(高)后,原有的竖筋长度已难以满足组合梁的要求 (与下部胶结体高度 2 m相近),不能有效地将上下部胶结体锚固牢靠。

在此情况下,竖筋的网度仍维持在 1.6 m＊1.6 m,而长度必须及时调整。根据巷道高度及么填工艺,将竖筋长度由 2.2 m增大到 2.4 m,即为巷道高度的 60%。所以竖筋长度的确定不能单一的依据回采巷道跨度,而是要结合充填工艺,将巷道高度纳入考虑因素。

(2)在采空区内增设人工点柱,下向胶结充填采矿中,由于受充填接顶率的制约,胶结体难以支撑顶柱,而补充的尾沙接顶后,强度不高。随着回采的进行,顶柱胶结体的暴露面积和暴露时间逐渐增大;在自重的影响下,下沉量也逐渐增加,随着塑性变形量的增大,顶板胶结体中部会产生非充填质量引起的裂缝和层状掉块。针对这种现象,在对采空区充填前在空区内施工梅花形坑木顶柱,形成人工点柱 (如图 4);而充填后,胶结充填体会对顶柱提供足够的侧向压力,使顶柱的竖直方向单轴抗压强度陡增。有效的支撑了顶板[2],换个角度说是减少了顶板组合梁的跨度,降低了下沉变形量。

图 4 人工顶柱布设图

6 效果比对

随着以上措施的实施,武山铜矿下向胶结充填采场的顶板稳定日趋加强,有效控制了顶柱的下沉引起的胶结体破坏。在围岩风化破碎的 E8采场,通过实施采空区人工顶柱后,顶板开裂现象大幅减少;而维护顶板所耗的钢梁减少 60%以上。竖筋长度增加后,悬吊作用更为显著,再未发生胶结充填体整体脱落的重大事故。并且上述措施在实践成功后,经过整理总结,已纳入矿山胶结充填技术规范。总之,随着工程技术人员对下向分层胶结充填认识的不断深入,一些受力机进理逐步被了解,在此基础上摸索出的防范措施有效指导了采场作业;促使胶结充填采矿方法在矿山企业的不断成熟运用,新型采矿方法的掌握也是促使矿山企业安全、高效发展的核心基础。

REFERENCES

[1] 赵奎.武山铜矿在断面开采条件下分级尾胶结充填试验研究[R].2009.

[2] 《采矿手册》编委会.采矿手册第一卷[M].冶金工业出版社, 1988.

[3] 王忠玲.武山铜矿床的地质特征及成因[J].地质与勘探, 1987.

[4] 吴已成.三中段开采在武山铜矿的研究应用[J].铜业工程, 2009,(3).

The Stability Analyses to Top Tray of the Cemented Backfill Process in W ushan CopperM ine

ZHANGBao-chun,BAO Wen-jun,ZHAO Yong-he
(Wushan CopperMine of JCC,Jiujiang,332204,Jiangxi,China)

Since 2007,underhand sublevel cemented backfill mining method has been used in north zone of Wushan Copper Mine.After two years practice,thismethod solved lots of problems in process.Since the cemented backfill body is to be the top tray, so the research of cemented stability should be the key pointofmining production technology.This article analyses the stress of cemented and summarizes the effective measures to improve the stability of top tray

cemented fillingmass;stability;top tray

book=22,ebook=140

TD853.34

B

1009-3842(2010)03-0022-03

2010-06-08

张葆春(1968-),男,汉族,江西上犹人,本科,采矿工程师,主要从事采矿工程管理及矿山地下开采研究工作。E-mail:wstkzbc @sina.com