团城铁矿采空区冒落规律辨识及冒落危害防范

李现区

(邯邢冶金矿山管理局玉石洼铁矿, 河北武安市 056303)

团城铁矿采空区冒落规律辨识及冒落危害防范

李现区

(邯邢冶金矿山管理局玉石洼铁矿, 河北武安市 056303)

通过对采空区围岩冒落规律、冒落危害的分析,因地制宜制定防范措施,成功地解决了团城铁矿残矿回收与空区安全等重大技术难题,实现了空区冒落无事故、大量回收残矿的目的,取得了良好的经济效益与社会效益。

采空区;围岩冒落;残矿回收;安全风险防范

采空区冒落是长期困扰矿山安全生产的主要因素,尤其复杂矿体被乱采乱挖后形成了大量复杂采空区,随时间推移,矿岩支撑体强度下降,造成矿柱或空区侧壁变形,在外力作用下发生连锁垮塌,产生冲击气浪、作业面掉底、滚石等灾害,严重威胁安全生产。团城铁矿的主矿体由于受到民采矿点的开采,留下了很多形态各异的空区,有的已经垮塌,有的部分垮塌,有的即将垮塌,对团城铁矿的安全生产构成严重威胁。因此确保团城铁矿安全生产,首先必须研究探讨采空区冒落规律及防范措施。

1 空区规模及分布

由于民采矿点进入了团城铁矿主矿体开采,形成了为数众多的采空区,且层层叠叠,形态各异。由于形成的时间不同,空区矿岩的稳固程度也不等,因此各个区段空区赋存形态也各不相同,在6′以西大部分空区已经冒落,残留空区多为部分没有完全冒落或民采联巷;6′～7′线之间空区由于矿岩相对稳固,空区发生部分冒落,大部分空区没有冒落,楼上楼现象较为普遍;7′线以东矿岩中等稳固到稳固,民采空区多年暴露而未塌落,层层叠叠最为突出。根据调查计算,未冒落空区约有20多万m3,其中最大空区在6′线以东标高66～72m,几乎横切整个矿体。在7′线附近空区的宽度与高度最大,其中空区1的宽与高分别为30m与14m,等价圆面积约1200m2,次大空区2为60水平6～7′线间,该空区沿走向长63m,宽8～15m,高3～4m,在6′线附近宽度最大,等价圆面积为300m2(见图1)。

2 空区的冒落安全危害分析及防范

图1 7′线空区示意

由于空区的位置不同,形成的时间不同,空区围岩的稳固程度也不等,因此造成的危害形式也不同。在复杂空区矿体中,矿岩冒落危害有3种形式:

(1)空区冒落时形成空气冲击气浪冲击井下人员;

(2)空区底部冒落危及上部作业人员(俗称“掉底”);

(3)空区顶板落块或冒落引起的滚石碰砸邻近作业人员。

2.1 冒落气浪冲击危害分析及防范

冒落气浪是在空区冒落瞬间,冒落的矿岩快速压迫空区中空气而产生的。冒落气浪冲击危害的大小取决于冒落的规模,实践证明,零星的冒落不会产生冲击气浪,发生大规模冒落时才产生冲击气浪。

结合长期对较大空区冒落过程的观察,这里引用冲击气浪的估算式[1],对顶板冒落大块形成的冲击气浪的速度作如下计算:

式中:a——冒落块体长半轴,m;

b——冒落块体短半轴,m;

h——冒落块体厚度的一半,m;

g——重力加速度,m/s2;

H——冒落块体下落高度,m;

C——阻力系数,可取为C=4.5;

A——矿岩块体水平投影面积,m2,A=πab;

S——冒落空区横截面积,m2;

L——空气流动系统通道换算成断面为S的等效长度,m,这里L=H。

图1所示的采空区1,顶板发生了部分冒落,冒落块体最大尺寸为5.6m×2.2m×1.9m。将a=2.8m,b=1.1m,h=0.95m,S=1200m2,H=L=14 m,g=9.8m/s2,A=πab代入上式计算得:

v1=13.11+0.8×2.24=14.90m/s

图1所示采空区2的冒落块体最大尺寸为3.5 m×2.0m×1.5m,将a=1.75m,b=1.0m,h=0.75m,S=300m2,H=L=4m,g=9.8m/s2,A=πab代入上式计算得:

v2=7.38+0.8×1.81=8.82m/s

安全规程规定,人体可以抵抗的风速不超过12～15m/s。上述计算表明,团城铁矿最大的两个空区块体冒落时形成的冲击风速,均小于15m/s,由此可见,由于空区冒落规模较小,团城铁矿的空区在冒落引起的冲击气浪达不到对人体造成伤害的程度。图1中空区西部冒落时,并没有产生冲击气浪危害,在中东部局部冒落时也没有产生冲击气浪,在生产过程中多次实际冒落的情况也证明了这一点。

因此,对现有空区冒落无需采取特别措施。但是随着残矿回收而空区增大,且空区没有自然冒落时,则应采取防范措施:一是崩落空区周围支撑点(如矿柱等),使空区大面积裸露得不到支撑而冒落,即强制崩落,在强制崩落采空区作业时,应撤离作业空区相邻所有作业人员,以防止作业过程中产生气浪危害,此方法用于6′～9线之间;二是封堵崩落空区与外界的所有通道,一般崩落5～10m通道密闭采空区,此方法主要用于9线以东。

2.2 空区陷落危害辨识及防范

空区底部陷落(掉底)危害是团城铁矿安全生产的最大威胁之一。发生陷落危害的条件有两个:一是矿岩冒落体(空区底板)有一定的落差;二是底板冒落时人员正位于冒落区内。当冒落体落差小,不足以引起周边围岩发生剪切破坏时,不会直接伤人;当空区底部冒落时,冒落区内没有人员作业,即使大落差冒落也不出现安全事故。因此,空区陷落危害的大小,一是取决于下部空区的冒落高度和空区宽度,二是取决于下部空区围岩的稳固程度和暴露时间长短。

在6′线以西,由于矿石比较松软,地表也产生了25～30mm的沉降,说明上部大多数采空区已经冒落,且在冒落过程中,第四系粘土混入了矿石中。由90m分段的通口可见,采空区内上盘侧冒落的矿石,呈细块与粉颗状密实堆积,在断面4m2的巷道端部,能够陡立数日不坍,由此表明6′线以西90m分段以上的空区已经冒落,上部冒落区内充满了矿岩散体,并且发生了不同程度的沉实。但西部作业人员并没有察觉到这些冒落,所以这些冒落是在不知不觉中完成的,由此表明6′以西的冒落形式多为零星冒落。

6′～7′线之间矿岩稳固性中等,已揭露的空区既不象西部(6′线以西)那样容易冒落,也不象东部(9线以东)那样稳固,空区裸露数年而不塌落。一般较小的空区不易冒落,当暴露面积达到临界值时,采空区中的矿柱或空区两壁出现裂痕,随着时间推移裂痕变大,逐步脱落,而后顶板开始下沉,出现断裂线,并逐步扩大,直到空区顶板冒落。从顶板出现断裂线到顶板冒落,一般要经过12～20d左右。

在7′～9线之间,矿体厚大而矿岩稳固性变好,因此采空区规模最大,尚处于稳定状态,而空区的跨度大、高度大且层位多,有发生大落差陷落的可能性。在9线以东,矿厚度变小,空区规模也相应减小,最大空区的宽度12～20m,平均15m左右,空区高度一般为4～8m。围岩由稳固到极稳固,该区段形成的民采空区多年裸露而不坍塌,因此,对采矿生产构不成陷落威胁。

通过上述分析可知,发生空区陷落危害主要集中在6′～9线之间的矿段,冒落形式一般为断续冒落,当空区的围岩或矿柱失稳时,产生矿岩冒落,并随时间的推移冒落加大,对上部作业人员构成一定的陷落威胁。因此要安全回采该区段的残留矿量,需要监控空区的冒落状态,采取强采措施,以确保安全生产。

通过长期的实践,总结出了以下3种监控方法:

(1)回采巷道变形跟踪观测法:是在回采巷道中布置一定数量的观测点,定期用经纬仪对其进行测量,根据观测点的位移数据确定巷道变形规律,用以指导回采生产。

(2)钻孔测量法:是在回收分段向下分段空区打一定数量的观测钻孔,从上分段用线绳通过钻孔定期测量回收分段底板与下部空区顶板见的厚度,当下部空区顶板和回收分段底板垂直距离小于等于5m时,立即停止上分段的回采作业。长期实践和试验表明,在6′～9线之间,当下部空区顶板与上分段垂直距离小于5m时,上分段就有冒落的危险。

(3)木楔法:是在回采巷道的裂缝中打一定数量的木楔,当木楔松动或掉落时,说明回采段矿岩发生了新的位移,应立即停止作业。

通过巷道变形跟踪观测法、钻孔测量法和木楔法,定期观察现场开裂、沉降、冒落情况,分析总结数据,采取相应的措施,指导现场安全生产。

2.3 落块或滚石危害分析及防范

在6′线以西的滚石危害是因下部采空区(或未沉实的采空区中松散体)的冒落引起上部采空区中冒落沉实的散体再次下移造成的,这些下移运动不仅会破坏散体内开掘的回采巷道,而且冒落下移运动时,有可能引起上部冒落块体滚落在回采作业面。因此,在下部空区没有冒落充实之前,上部残矿的回收工程不宜深入到冒落的松散体内部,仅在边缘出矿为宜,且在出矿过程中,当有大块矿岩卡口时,及时采用小药量爆破。当下部空区已冒落沉实时,回采工程可以布置在冒落空区的松散体中,即可视冒落空区松散体为松软的贫矿体。

在6′～9线区间,为处理采空区隔板矿量,需要在空区的边缘布置部分诱导冒落工程,而此部位矿岩体由于长时间承受集中应力作用,稳定性变差,再度开掘工程时有可能受空区冒落牵连发生顶板掉块现象,为此施工中要注意检撬顶板工作,防止顶板掉块伤人。

在9线以东因矿岩稳固性好,采空区暴露时间较长,人们容易产生麻痹思想,浮石掉落的机率增大,为此在该区段作业要特加注意顶板管理,及时检撬浮石,防止落块伤人事故发生。

落块或滚石危害是生产中需要随时注意的安全事项,要求作业人员增强安全意识,在不同的区域,结合不同的落块滚石特点,针对性采取防范措施,在落块滚石易发地点或工作环节作业时要有专人观测监护,及时提醒,防患于未然。

3 结 语

通过对矿岩性质和空区冒落规律的研究,团城铁矿针对不同的冒落方式造成的危害研究确定了不同的防范措施,在多年的残矿回收过程中,没有因空区冒落造成人员伤亡,从而实现了安全回采,最大限度地回收了矿产资源,延长了矿山服务年限,取得了良好的经济效益和社会效益。

[1]岳润芳,任凤玉,李现区,等.团城铁矿多空区矿体开采的技术研究总结报告[R].邯郸:邯邢冶金矿山管理局,2006.

[2]宦秉炼,陈孝华.岩体局部冒落的预警系统初探[J].金属矿山,1997,(7):5～7.

[3]于润沧.采矿工程师手册[M].北京:冶金工业出版社,2009.

[4]刘培正,胡永泉,张传信,等.残留矿柱回采及监测点布置的研究[J].金属矿山,2009,(12):56～60.

[5]张军胜,李俊平,宋士生.采空区处理新方法研究与应用[J].金属矿山,2009(8):19～22.

[6]吴建祥,孙国权.地下残留空区处理技术及应用[J].金属矿山,2009,(12):28～31.

2010-04-11)

李现区(1966-),男,河北武安人,工程师,主要从事采矿技术与生产管理,Email:hblixq66@163.com。