西石门铁矿开采主要危险因素辨识及防治措施

窦梅林

(五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿,河北武安056303)

西石门铁矿属于大型黑色地下矿山,矿区地貌为低山丘陵形,矿石属自溶-半自溶、中品位的磁铁矿,以Fe1矿体为主。Fe1矿体呈不对称背斜,走向NE、两翼分别向 SE、NW倾斜,矿体走向延长 5020m,平均宽度 360m,平均厚度15.13m,最大厚度103. 42m,倾角0～40°,矿体埋深10～490m,赋存标高278～-186m,现年生产规模为200×104t。

西石门铁矿属于邯邢铁矿田北单元,矿区四周基本上被火成岩包围,中间为中奥陶石灰岩,地下水的来源以大气降雨补给为主,区域侧向补给为辅的地质特征。

矿区主要含水层为中奥陶马家沟灰岩,直接覆盖于矿层顶板,分布于花岗岩包体中,大体西高东低,西浅东深,南北高中间低,总厚度100～250m。因各组的岩性差异,兼受构造作用力和埋藏条件的不同,其赋水性也不同。

西石门铁矿为缓倾斜中厚低价矿体,分为南、中、北三个区进行开采,现主要采用无底柱分段崩落法和有底柱分段崩落法进行采矿。

1 事故统计分析

根据对西石门铁矿1997～2009年井下发生的安全生产事故类型统计分析,发生事故的类型主要为地压危害 (冒顶片帮)、车辆危害和水害等,这三类事故占总事故的81.3%。

事故统计数据表明,冒顶片帮事故主要发生在采场进路的顶板和拱脚处,这符合无底柱分段崩落采矿法引起地压危害发生的规律[1]。主要由于采掘作业面爆破后,由于围岩应力的重新分布或是破坏了岩体整体结构等方面的原因,作业人员没有及时处理,造成了顶板冒落或拱脚片帮事故。

2 主要危害因素分析

2.1 地压危害分析

地压危害问题是西石门铁矿需要解决的重要难题,是影响井下安全生产的主要危害因素之一。多年来,西石门铁矿本着“安全第一、预防为主,综合治理”的安全生产方针,多次与科研院校进行合作[2-4],不断探索采矿方法的试验研究,优化采场结构参数,同时加强地压的安全管理,摸索地压发生的规律,从而采取相应的治理措施,取得了有效的成果。

2.1.1 巷道围岩变形和破坏原因分析

西石门铁矿顶板为结晶灰岩与大理岩,节理较发育,但稳固性较好;矿体为致密块状磁铁矿,整体性好,稳固;底板为矽卡岩、蚀变闪长岩与闪长岩,矽卡岩与蚀变闪长岩不稳固。部分矽卡岩软弱、松散、破碎,还有部分本来是坚硬完整的矽卡岩体,在工程揭露后,极易受风化侵蚀而产生软化或崩解潮解。其性质对比如表1所示[5]。

表1 两类矽卡岩性质对比

运输平巷、穿脉以及各采场的采准切割巷道均遇到矽卡岩,且顶板或两邦都发生过不同程度的冒落,给生产和安全带来极大影响。矽卡岩冒落的基本原因,主要可分为四种情况:

1)随着掘进,没有及时支护则很快冒落。主要发生在金云母绿泥石矽卡岩中。

2)掘进时,由于部分矽卡岩节理、层理、裂隙十分发育,结构面光滑呈镜面状,当结构面不利组合遇到临空面时,很快就以锥形或楔形的块状成片冒落,一般块度都比较大。

3)刚掘进时围岩稳定性较好,但随着风化、潮解,3～4个月后开始大面积冒落。主要发生在碳酸盐化矽卡岩,透辉石矽卡岩或绿泥石矽卡岩中。

4)刚掘进时围岩稳定性较好,但在3～4年后,主要由于矽卡岩吸水膨胀,使喷层开裂,并开始局部片邦冒顶。主要发生在透辉石矽卡岩或绿泥石矽卡岩中。

5)上部分段回采完全与否,对相邻下分段进路稳定性也有很大影响。上分段未崩落的实体矿石,在下分段进路周围岩体中构成一很大的偏心集中应力,并在进路顶板中产生水平拉应力 (图1)。

6)同一分段进路回采方式,对进路周围岩体中应力分布影响亦很大。应用有限元[5]对不同进路方式开采进行研究表明,以各进路平行回采方式,进路周边应力最低。但采用此种回采方式回采到靠近联络巷道部位时,将发生相互影响,引起应力集中,若不采取一定技术措施,也容易出现进路顶板冒落等地压现象。

2.1.2 采空区顶板冒落原因分析

采空区顶板岩石中无构造破坏,岩体冒落主要取决于岩性与结构面,故可排除因存在断裂构造而产生大规模经常呈突发性大冒落的可能性。

根据空区顶板岩性、空区状态及采矿实践,分析南区空区顶板冒落过程 (见图2),主要包括四个阶段:

图1 回采进路周边σx分布图

图2 空区顶板冒落过程示意图

1)初始冒落阶段。采空区内矿岩采出后或有部分矿柱、顶板处于临空状态,在拉应力的作用下,平衡拱被打破,岩体内节理扩展、贯通,导致灰岩破坏并在自重作用下自然崩落下来。

2)间断冒落阶段。空区顶板暴露面积不断扩大,岩体内裂隙向上发展,不时发生冒落,顶板在趋于平衡但达不到平衡的情况下向上发展,冒落范围呈间断性地扩大。

3)地表冒落阶段。当空区顶板冒落接近地表时,顶板岩石常常产生整体变形和破坏,周边受剪应力破坏常以突发形式呈大规模冒落,此时可能引发具有危害性地气浪。

4)扩展下移阶段。空区地表崩落后,周边岩石逐渐向空区崩落、岩移充填到空区,空区崩落边界逐渐向外扩展。

2.2 车辆危害分析

西石门铁矿随着开采深度的增加,井下运输工作量越来越大,矿井运输事故的发生率也越来越高。事故统计分析表明,运输提升系统的事故死亡百分比,仅次于冒顶事故。运提系统的事故所占比重,近年来一直呈上升趋势,有必要对车辆伤害进行分析。西石门铁矿井下运输采用电机车、铲车等机械设备,矿石的铲装、运输过程中,及有可能造成车辆伤害。其原因主要有:

1)电机车行驶中,车身或所装矿石撞击、挤压巷道中行人。运输平硐内应留有的人行道宽度不符合规程要求,有轨运输时不小于1m(无轨运输时,不小于1.2m)。

2)电机车或铲车通过风门、巷道口、弯道、道岔和坡度较大的区段,以及前方有车辆或视线有障碍时,没有减低速度和发出警号,致使和行人相撞。

2.3 水害分析

西石门铁矿经过多年的疏干排水,地下水位已降至0m水平以下,但由于多种复杂因素,采掘面仍存在较大的水害威胁。

1)民采空区水害。西石门铁矿矿区由于采矿历史较长,矿区长期遭受周围民采矿井的非法盗采。民采掠夺式的无规划、无设计的私采滥挖,遗留下了大量不明采空区。这些采空区形成之后,在有水源补给的情况下,长年累月逐渐汇集,使采空区大量积水,对矿山的安全生产形成了严重威胁。同时,由于这些民采采空区开采很不规范,越层越界现象严重,分布无规律,地表无痕迹,积水范围、积水量无据可查,给矿山防治水工作带来了极大的困难。2009年3月28日,西石门铁矿北区-40m水平在开拓过程中,不慎和民采空区掘透,造成死亡8人的透水事故。

2)西石门铁矿主要含水层是中奥陶统O22-2,厚度约200m,灰色中厚含燧石花斑状灰岩,夹中层细粒花斑白云质灰岩,花斑为泥质、白云质,裂隙、岩溶发育。

3)西石门矿床地表水系有马河,流量随季节而变化,在雨季接受大气降水的集中补给,河水储水量增大,一旦防水矿柱受到破坏,大量地表水可能会流入井下造成淹井。

4)由于矿山采用崩落采矿法开采,随着采矿向深部延伸,塌陷面积日益扩大,采区上方造成大量人为裂隙,地层的渗透性能大大高,大气降水或第四系水可以直接通过陷落柱下灌造成水害。

3 防治对策

3.1 改进开采管理技术,预防地压灾害

首先是掌握巷道地压规律,加强顶板管理。做好地压监测、监控工作,建立和完善行之有效的地压监控系统。基于巷道地压活动规律,应根据地质和回采资料,加强现场技术指导和信息传递坚持日常监测,采用有效支护方式,预防巷道变形冒落。

加强安全检查。对正常回采涉及的各条进路,要坚持每班巡检;对地质条件较差的地段,如节理裂隙发育,大破碎带或大断层地段、民采空区集中区等进行专门研究和设计,并制定相应的安全管理措施;对难以鉴别是否冒落而一时难以撬下的悬石,采取交接班制度、临时支护措施或用小支药爆破崩落对范围较大明显的巷道变形和片帮,应及时撤离设备人员以防塌方,加强井下安全标志牌的建立,对重点防范地段设立警示牌,防止人员误入。

改变采矿方案和开采顺序。根据地压大和矽卡岩围岩承载能力弱的矿山特点,尽量采用无底柱崩落法开采,能起到“诱导落项、设置回收进路”的采场结构作用,先掘进和回采第一层进路,将顶板压力用采空区隔断,再掘进巷道进行采矿。同时,采取合理的采矿顺序,满足矿体赋存条件和多中段同时作业的要求。随着矿山生产向深部开采,空区越来越大,使仍然采用有底柱崩落法的采场大多处于空区边缘的地应力集中区,压力也越来越大,更增加了该方法的难度,深部矿体回采应采用无底柱“崩落卸压”开采方法。

3.2 加强井下探放水工作,预防水害。

矿区内一方面由于民采小矿点众多,开采无规律,其开采规模、开采位置、采空区形态及现状均不清楚,采空区老窿水对矿山生产是一个大的隐患;另一方面,西石门铁矿属于中奥陶马家沟灰岩,深部开采容易引发岩溶水突水危害,因而矿山水害应引起足够的重视,采取相应的措施,保证矿区安全生产和人民群众生命财产的安全。矿区应充分利用现代水害探测技术,将物探和钻探技术相结合,首先利用地表物探技术探明老空区水害存在的大致范围,在利用地下钻探技术有的放矢进行探放水工作。尽可能地查清其分布情况、现状、充水状态,编制专门应对方案,采取严格的防范措施,防止突水。

根据地表和井下不同情况分别进行。地表应加强水文气象调查,了解地表水情况,进一步加强对马河河床的人工改造,防止马河洪水下灌。了解地表陷落移动区面积,掌握地表水变化规律,井下应结合采掘生产实际情况,地表做好泄洪沟渠,在雨季及时拦水、疏水、排水。

4 结语

近年的生产实践表明,西石门铁矿通过不断改进开采方案、优化采场结构参数、加强井下水害的探防水工作等技术手段,同时通过加大地压工作的安全管理,做好地压的监测和监控工作,成立防治水机构,建立健全矿井水害防治技术工作责任制,坚持“有疑必探,先探后掘”的原则,有效地减小了地压等灾害的发生,大大降低了井下采掘事故,取得了令人欣慰的安全效果,为井下生产提供一个安全的作业环境。

[1] 采矿手册 [M].第4卷.北京:冶金工业出版社,1990.

[2] 李清望,任凤玉,侯建光,等.西石门铁矿南区采空区的冒落规律分析 [J].中国矿业,2001,10(3):42-44.

[3] 任凤玉,陶干强,王家宝.西石门铁矿自落顶设回收进路的无底柱分段崩落法试验研究 [J].采矿技术,2001(6):38-41.

[4] 任凤玉,陶干强,李清望,等.西石门铁矿南区崩落卸载采矿法试验研究 [J].中国矿业,2003,12(1):39-41.

[5] 刘航.西石门铁矿采矿工艺安全性分析研究 [J].西部探矿工程,2006,121(05).