92号矿体围岩稳定性分析与顶板管理措施探讨＊

黄道钦,韦建宏,毛建华

(1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿, 广西河池市 547207;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

92号矿体围岩稳定性分析与顶板管理措施探讨＊

黄道钦1,韦建宏1,毛建华2

(1.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿, 广西河池市 547207;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

针对铜坑矿92号矿体目前主要生产区域围岩稳定性进行了分析评价,采用工程地质调查分析评价结合现场地压活动观测结果,综合判断作业区域工作面、采场和空区顶板安全状况,并提出了安全隐患排查、监测、防治等对策与安全管理措施,该套保障围岩稳定的方法和安全管理措施在生产实际中得到成功应用,取得了良好实效。

围岩稳定性;矿山地压;安全管理;顶板管理;安全措施

0 前 言

广西大厂矿区位于河池市南丹县境内,为赋存有锡、锑、铅、锌、铟、铜等多金属的大型矿床,与我国其他有色金属矿山相似,同样普遍存在工作面和空区顶板的围岩失稳安全问题。其中92号矿体等厚大矿体因开采规模巨大,围岩稳定性与顶板管理问题尤其突出。

92号矿体多金属矿石储量达3000多万吨,上部重叠有急倾斜产出的细脉带矿体、缓倾斜产出的91号矿体。其中,细脉带矿体在各阶段分别采用无底柱分段崩落法、分段空场采矿法、大直径深孔阶段空场法和充填法采矿;91号矿体主要采用嗣后充填的分段空场法或大孔开采,采用水砂胶结充填和块石胶结充填。92号矿体与91号矿体有很大部分在水平投影上重叠,92号矿体在重叠区采用组合式崩落法回采,非重叠区采用留连续矿柱空场法和顶板诱导崩落连续采矿。由于矿山开采规模大,受多重开采扰动及高大采空区的影响,大范围顶板和围岩如有失控则易造成对井下作业人员及设备的危害,这也是我国金属矿山开发普遍遇到的技术难题。

为杜绝采场或巷道顶板突发性冒落而导致矿山经济损失和安全事故的发生,针对92号矿体顶板管理,须进行采场顶板岩层稳定性分析,采用科学的顶板管理与控制技术方法,才能达到安全、高效的安全生产技术目标。因此,铜坑矿多年来致力于矿山安全技术研究和实际应用。在92号矿体围岩工程地质调查研究基础上,应用工程地质稳定性分析、岩体力学与压力拱原理、面积承载理论与数值模拟等理论方法,综合分析围岩稳定性,落实了一套顶板管理综合技术方法,结合先进的监控手段,为井下生产作业提供了安全技术保障。

1 围岩稳定性分析评价

1.1 工程地质调查与稳定性评价

92号矿体赋存在570～255m水平之间,矿床水平分布面积约1km2,矿体顶板围岩为宽条带灰岩、泥灰岩及部分硅质岩。矿床水文地质条件简单,坑道涌水量主要以裂隙构造水为主。根据92号矿体各岩层的现场调查参数及实验结果,对开挖后顶板的稳定程度及发生冒落的危险性进行顶板安全分类。针对细脉带、91号和92号矿体和围岩进行工程地质调查,在635～570,531,505,455,405,386,374m水平等区段揭露采区进行了节理裂隙统计。采用RMR及Q系统分级方法对92号矿体及围岩的岩体质量进行了评价,在此基础上对不同采场结构参数情况下的顶板和矿柱稳定性进行了计算分析。

根据现场调查和岩石力学参数试验成果,92号矿体及围岩的RMR分级结果见表1,结果表明:92号矿体及围岩的质量为中等岩体～好岩体。

92号矿体及围岩的Q系统分级结果见表2,分类结果表明:92号矿体及围岩的质量为中等岩体～良好岩体。

表1 铜坑矿岩体RMR分级结果

表2 Q系统分级结果

1.2 92号矿体围岩稳定性计算分析

采用多种方法对采场结构参数进行了计算和分析。根据岩体质量评价结果和室内岩石力学参数试验成果,选取的力学参数见表3。

表3 岩体介质的力学参数

根据矿山设计的采场结构参数和初步试算结果,采用位移不连续法三维数值模拟对矿房顶板稳定性进行分析,计算结果表明:

(1)细脉带开采结束后,地表发生垮落,塑性区大多在顶板中心位置,大面积呈现剪切破坏,局部为拉伸破坏,细脉带所留矿柱处于严重的剪切塑性状态;

(2)91号矿体开采结束后,细脉带与91号矿体重叠区塑性区连通,出现大范围应力转移,细脉带东北区地表以下几十米范围均出现塑性区,91号矿体的空区顶板与细脉带空区底板塑性区连通;

(3)由于92号矿体的开采,在重叠区92号矿体围岩及上覆岩层中产生大面积塑性区,重叠区中的塑性区逐步连通至地表;92号与91号矿体的隔离岩层处于塑性破坏状态,整体稳定性差。

考虑矿区地压活动等方面因素,采矿范围扩大和矿柱回采过程中应特别注意空区顶板管理。

2 安全对策措施

2.1 各阶段安全隐患排查和综合分析

影响围岩稳定性的因素主要有地质构造、地应力、矿山开采和井下采空区充填等。92号开采的地压活动大部分由采空区引起,整体上主要表现为矿柱破坏、顶板冒落、岩层移动,以及局部的岩层破裂,伴有随采空区的扩大、地应力调整和应力转移过程中造成的局部区域的地压活动。目前地压活动范围主要发生在采空区上方及邻近的周边区域,部分波及到地表,规模从较小至中等。针对倒三角楔体垮落、沿断层破碎带冒落、岩层面滑移、脱层、松散体冒落、帮壁“鼓起”、采场充填体压坏开裂、采场侧壁脱层开裂等顶板围岩失稳的主要类型,需采取相应的对策措施。

2.2 加强矿山压力控制与支护

针对92号矿体复杂的结构和高应力环境条件,实行了以下地压控制和处理措施。

(1)按照三大矿体合理的回采顺序,先完成上部细脉带和91号残留矿体开采,逐步优化回采92号矿体。遵循分区开采的原则,实行整体地压控制。

(2)采用适当的采矿结构与支护参数。在矿岩体工程地质与地压活动规律调查研究的基础上,针对不同类别的采场,实施各类相适应的支护方案。

(3)实施顶板处理和空区治理的有效措施,缓解92号矿体大范围开采的地压活动。

2.3 有效实施采区地压活动与采场顶板岩层监测

目前采用了综合性的地压监测手段,包括:井下岩移水准测量、巷道收敛量测、围岩位移测量、裂缝变化观测、岩体应力变化监测、岩体声波测试、岩体声发射监测、宏观地压的观测。为及时掌握地压活动动态,矿山采用多手段相结合,对不同监测手段获取的信息进行综合分析,为矿山生产安全提供保障。

2.4 加强安全隐患防治

根据生产进展加强采场顶板控制,及时处理采空区,实行顶板分级管理,加强塌陷区的监测与安全管理,以及其它相应的治理和防范措施。

铜坑矿近年来结合科技攻关研究和安全生产实际,根据围岩稳定性及地压活动发展趋势,采取了相应的监控和预防措施,为了有效控制地压活动的危害,确保安全生产,制定了地压观测和顶板管理及相应的安全措施,针对顶板安全问题,进行规范的技术管理。

3 地压管理与顶板安全管理制度

3.1 地压管理制度

为全面系统地监测和分析矿区地压活动发展趋势,有效控制地压活动的危害,确保安全生产,制定了以下地压管理制度。

(1)地压技术工作制度:对宏观地压观测,根据矿部年度生产规划以及上年度的地压工作总结,制定、编制相应的年度地压工作计划。每个季度对矿山当前空区总体分布、地压活动监测情况进行整理,并上报矿部,由矿部组织相关技术人员定期召开地压专题会议,分析当前地压活动的影响因素,评价各区域地压活动级别,分级划分管理区域,制定相应的监测和预防措施。每年和科研院所联合进行矿区次生应力模拟计算,分析和研究矿区地压活动的发展变化规律,指导地压监测、预报与控制工作。

对区域地压观测,根据不同级别的地压管理区域,设计监测方法并组织实施,适时根据监测结果分析、预报地压活动状况。

针对采场地压活动,根据采场设计的地压控制方法执行监控,根据采场地压活动的发展变化,及时补充必要的监测手段。

(2)现场地压观测工作制度:根据安全要求,必须在安全的前提下进行现场地压工作,现场检查每组成员要求两人以上,禁止单独行动。制定了各条件下地压监测周期和具体要求,针对地压活动相对稳定区域、轻微地压活动区域、地压活动频繁区域,以及其它情况下现场地压检查等,按不同需要安排现场检查工作。现场监测记录由专人负责,必须详细描述地压现象,记录监测数据、拍照等,注明时间、地点并签名确认。

(3)地压资料管理制:建立地压资料电子档案库,定期对地压资料电子档案进行刻录保存,方便地压资料的查询与调用;按照区域或采场分别建立单独的地压活动档案,记录其地压活动的发展变化状况,便于地压活动规律的研究工作;根据回采进度或地压活动变化情况,适时更新地压资料,包括空区变化图、文字说明等。

(4)地压活动汇报制度:根据需要制定了在正常情况、地压活动异常情况下分级汇报及处理制度。根据各阶段实践总结,提出了初级地压活动、中级地压活动以及高级地压活动确认的具体指标,并在生产实际中不断改进和完善。

(5)监测仪器、网络管理制度:制定了监测仪器和网络的更新与维护办法。

(6)业务培训制度:规定了地压专职监测人员基本技术要求,以及必须具备较强的思维能力,能分析地压现象,预报地压活动的发展变化趋势,设计地压危害控制措施等。铜坑矿为此由专门技术部门负责上述工作,并将各项安全制度落实到生产部门,严格执行各项制度。

3.2 井下顶板安全管理制度

为了确保日常生产活动的安全开展,保证顶板处于受控状态,制定危险源分级管理制度,对高大采空区等危险源进行有效监控,规范并实施了《井下顶板管理制度》,规定管理制度适用于井下所有生产区域和井下作业人员。并具体制定了井下巷道顶板管理、井下硐室顶板的管理、全面法浅采和硐室浅采工作面顶板边帮管理、采空区顶板管理、松石处理等规定,以及违章处罚及责任等。对井下顶板、边帮、松石管理,进行了严格的规定,做到发现问题及时处理,并严格按规范操作,确保安全。

在实施上述安全制度的同时,采取积极的安全措施,制定和严格执行各岗位安全操作规程,包括《松石工安全操作规程》规定,并制定了各项应急措施,譬如《井下工作面(点)发生冒顶片帮事故处置工作应急预案》等。

4 结 论

实践证明,针对金属矿山普遍存在的围岩失稳等危险隐患,通过采用现场观测分析和科学的顶板管理方法,采取综合的监控和治理措施,全方位落实安全规范和操作规程,有利于安全管理。通过认真实施,实现了顶板管理的科学化和系统化,大大减少了安全事故,安全生产经济效益、社会效益显著。

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国家科技支撑计划项目(2008BAB32B02-7).

2009-12-14)

黄道钦(1973-),男,广西浦北人,工程师,主要从事矿山安全生产、地压和科研管理工作。