露天采场下部大型复杂采空区的探查与处理

龙虎荣,潘 懿

(1.广东省大宝山矿业有限公司, 广东韶关市 512128;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

露天采场下部大型复杂采空区的探查与处理

龙虎荣1,潘 懿2

(1.广东省大宝山矿业有限公司, 广东韶关市 512128;2.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

针对大宝山矿业有限公司的开采现状,开展了露天采场下大型复杂采空区综合治理技术研究,为矿山今后的安全开采与灾害防治提供新的方法与技术思路。

采空区探查;采空区处理;顶板安全厚度;深孔崩矿法;安全技术措施

大宝山矿业有限公司是一座大型的铁、铜、硫、铅、锌、钼、钨等多金属矿山,开采历史悠久,20世纪末因民窿的破坏,留下大量复杂的采空区。由于大宝山矿资源赋存条件好,采空区内还有大量的低品位矿石可以采用露采方式回收,为保证露天作业时人员和设备的安全,必须进行采空区的探查与处理技术研究。

此项研究的技术思路是:针对地下采空区危及露天开采安全的重大技术难题,从岩石力学试验入手,摸清现场岩石力学性能与参数,然后选择并设计出合理的采空区探测方案,用多种地球物理方法对采空区位置进行精确定位,获得采空区的三维坐标图像;根据露天开采特点,建立空区上露天安全开采岩层稳定模型,用理论和数值模拟方法计算确定安全隔离层厚度;对危及露天开采安全的采空区,分别设计选用不同的治理方法与措施,在此基础上选择有代表性的地点进行采空区治理方法试验,从而消除危及露天开采的重大安全隐患与危险源,确保露天矿高效、经济、安全的开采。

1 空区探查方法

1.1 实测的方法

利用现有井下巷道,在保证安全的前提下,尽量采用井下巷道空区测量,绘制井下巷道空区图。只有在实测不到的地方才采用物探结合钻探的办法。以31～51线650m以上至地表实测空区为例,其平面复合图和有代表性的41线剖面见图1和图2。

1.2 物探结合钻探的方法

有些空区已部分垮塌,并采取了封闭措施;有些空区不安全,人员不能进入实测;有些很早的民采空区成了盲区,这些地方只有采用物探,并结合钻探的办法才能查清。

图1 空区水平复合投影

图2 41线剖面空区公布

(1)根据露天采场下部井下无水且岩石为低导电率的情况,聘请核工业290所,选用经济、安全、高效的高密度电法与地震映象法联合对井下采空区进行了测量与定位。

(2)选择露天采场进行空区实测,布置探测网度,获得采空区高密度电法与地震映象法的多个剖面实测数据与资料,通过相关参量变换,获得露天矿地下采空区的三维图像数据,所得数据与矿山空区钻孔资料进行比较,获得比较精确的平面图纸。

2 空区处理方法

在探知采空区后,建立露天矿安全开采的稳定性模型,用鲁佩涅伊特理论计算法、结构力学梁法、厚跨比法、载荷传递交汇线法、长宽比梁板计算法、普氏破碎拱计算法及计算机数值模拟方法对采空区顶板安全厚度进行分析计算,结合矿山实际,确定合理、安全的顶板隔离层厚度。

采用大孔逆向多次爆破法成井技术,在采空区上方中央形成一垂直深井,以此作为采空区处理的爆破自由面,侧向崩落,以此井为中心向四周扩散,处理采空区,消除安全隐患与危险源。

钻凿垂直大直径深孔,采用孔内微差爆破技术,利用VCR法,逐次分层爆破,处理大范围露天坑内采空区。

就单个独立空区而言,不管其大小如何,只要空区的位置和参数清楚,处理起来相对比较容易,但是矿柱小形状极不规则的大量空区组成的空区群,处理难度相当大。大宝山矿业有限公司已经规划露天开采16～63线的铜硫矿体,17线以南主要为1-W矿体,要注意a层与b层交界处大的铅锌矿空区,因b层基本无承载力,所以应用深孔(＞20m)提前处理空区顶板;31线以北铜硫矿出露地表,特别是39～49线空区非常密集,需要结合深孔和硐室爆破等多种方法,处理难度大。

2.1 露天深孔崩落法

当顶板实际厚度大于计算的安全厚度时,将空区处理分为两种情况。

(1)顶板实际厚度小于或等于13.5m时。大宝山矿露天开采台阶高度12m,钻孔超深1.5m,钻孔总深13.5m,因此空区处理可以和日常台阶生产爆破同时进行,爆破参数和正常台阶生产完全相同。

(2)顶板实际厚度在13.5～27m时,按日常生产爆破,超过13.5m部分顶板岩体炸不开,不提前处理又不满足下一台阶安全厚度的要求。因此应采用深孔VCR法,在空区中央拉槽作为临空面,再侧向崩落。普通深孔钻机的钻深为17m左右,因此需要配备达到27m钻深的钻机。

2.2 硐室爆破处理采空区群

对于432～47线4712～4713坐标630m以上至地表、452～472线4711.00～4711.60坐标480～570 m等这些空区群,由于空区密集,顶底柱较薄,用深孔处理有一定难度,用硐室爆破一次性崩落有待于对空区群数据的清楚调查和爆破可行性的研究。

硐室爆破处理复杂大规模采空区群,不同于一般的硐室爆破,应针对其特殊性,比如安全厚度的确定,多临空面装药计算,多方向抵抗线误差,崩落时高压气流的冲击等进行研究并调整参数,通过崩落底部矿岩柱达到崩落整个采空区群的目的,崩落后要使整个采空区群填满。

3 安全技术措施

为保证采空区探查和处理过程中所有人员和设备的安全,在制定安全防范措施、防止事故的发生时应做好以下几项工作。

(1)井下民采空区的调查和测量,严格遵守有关矿山安全生产规程,指定专人负责安全工作,受聘单位专家进入井下探测空区,配备矿山专人陪同,无法保证安全的危险区域,不去盲目测量。

(2)采空区的物探、钻探作业之前,制定相应的安全技术措施,危险区域设置警戒线,禁止无关人员进入,在保证探测人员和设备安全的前提下进行作业。

(3)在采空区处理方案设计时,制定出详细的安全技术措施,聘请有相应资质的安全评价机构对设计方案进行安全预评价。

(4)采空区处理方案实施之前,检查各项安全技术措施是否落实到位,保证治理人员和设备的安全,防止次生事故的发生。

(5)阶段性采空区处理工作完成后,聘请有相应资质的安全评价机构对处理情况进行安全评估。

4 结 语

露天矿下部采空区的处理关系到矿山的生存和发展、矿产资源的充分利用、人民生命财产的安全。露天采场下部采空区的处理,关键要做好采空区探查,在充分考虑边坡工程地质、水文地质条件、爆破震动等影响的情况下,确定空区顶板安全厚度,提出恰当的空区处理方法以及建立严格的安全技术保障措施。通过采空区的治理,探明井下所有采空区,提前处理露天采场底部采空区,控制、引导和预测采空区的塌陷,避免地下采空区塌陷造成人员伤亡和设备损害事故,保证露天开采正常、安全、有序的进行。

[1]廖江南.三道庄矿区采空区处理研究[J].有色矿山,2000,(6).

[2]汪 勇.采空区上方安全顶柱厚度的确定方法[J].矿业快报,2002,(1).

[3]曾细龙,张楚灵,张新华.露天采场地下采空区的探查与处理[J].采矿技术,2003,(2).

2009-09-14)

龙虎荣(1965-),男,江西永新人,工程师,主要从事金属矿山露天开采安全技术研究。