下告铁矿悬顶成因分析及预防措施研究

雷 刚 陈诗墨 张 杰

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳621000;2.广东省河源市紫金县下告铁矿，广东 河源517000)

下告铁矿位于广东省紫金县西南部，矿区地形起伏较大，地形坡度10° ～20°，属低山丘陵地貌，矿体分布于1 ～8 号勘探线之间，东西长约400 m，平均宽度70 ～110 m，平均品位TFe 27.25% 。由于下告铁矿矿体厚大、品位较低以及近矿围岩含有一定铁品位等特点，为寻求矿山规模效益，从0 m 分段开始由空场法转为无底柱分段崩落法，矿山设计年生产能力为120 万t/a。矿山中段高度为60 m，采用竖井加斜坡道开拓方式，包括了－13、－26、－37、－48 和－60 m等分段，垂直矿体走向布置回采进路，从矿体上盘往下盘进行退采，每一分段平均20 条进路。目前矿山正在回采－26、－37、－48 m 等分段。

自从矿山由空场法转为无底柱崩落法分段法后，悬顶一直是困扰矿山生产的最大难题，2013 年9 月，在－26、－37 m 分段中共有5 条进路几乎同时出现悬顶事故，使生产发生停怠，为了处理这些悬顶，矿山耗费了大量的人力物力，而且有一些进路悬顶处理之后没过多久又出现了新的悬顶，并产生了非常多的大块。起初，矿山管理人员以为是炸药质量出现了问题，把原生产采用的硝胺炸药换成了铵油炸药，但是悬顶依然频繁发生，更换炸药之后也没有从根本上解决问题。为了从本质上搞清下告铁矿频繁发生悬顶的原因，我们从设计、装药、崩矿、出矿等工序着手，对悬顶的产生进行系统的研究和分析，针对矿山在设计和回采过程中的不规范操作提出了解决措施。

1 悬顶成因分析

通过对现场的调研和分析，下告铁矿出现悬顶的原因除了矿体本身稳固性差和矿岩接触带异常破碎以外。更主要的是设计、回采、放矿等工序操作的不规范性为悬顶的发生埋下隐患。

1.1 设计崩矿排面预留保护层过厚

无底柱分段崩落法崩矿排面的设计与施工质量对矿石回收效果的影响属于连续性的影响，一旦回采进路中的崩矿排面质量出现问题，不仅将显著恶化回采时当前排面的矿石回收效果，而且还会显著影响后续排面及下分段排面的回采［1］。因此，必须高度重视回采进路中崩矿排面的设计与施工，确保回采能与上分段覆盖岩层贯通，使得上分段覆盖岩层能随着下分段放矿而流畅下移，这是无底柱分段崩落法正常回采及取得良好矿石回收效果的基础和前提，否则将严重影响矿石的正常回收。

下告铁矿采用宽×高为4.0 m×3.8 m 的三心拱形巷道，进路间距16 m，分段高度11 m 左右，崩矿步距为1.4 m，一次性崩落2 排炮孔，边孔角为48°，以发生悬顶的3706 进路14 号排面为列进行分析研究，3706 进路14 号排面如图1 所示。

图1 3706 进路14 号排面设计图Fig.1 No.14 Plane design of 3706 route

从实验放矿的结果看，边孔角对回收结果的影响不大。但是，边孔角对于爆破效果特别是靠近脊部附近的矿岩爆破效果影响很大［2］。铁矿石的自然安息角一般在39° ～40°，但是在覆岩下铁矿石的挤压安息角(放出角)则在50° ～55°。也就是说，低于挤压安息角的崩落矿石是很难被顺利放出的，崩落矿石得不到有效松散，不仅会影响到本步距的放矿效果，还会由于边孔的爆破受夹制作用而影响下一步距的爆破效果，出现大块甚至悬顶等安全隐患。因此，边孔角不宜过小，如果凿岩设备能力没有问题，通常可以采用55° ～60°的边孔角。但是，较大的边孔角也会带来下分段中间炮孔深度过大的问题，一定程度上会影响到凿岩效率与炮孔质量。经测算，下告铁矿矿石的挤压安息角为55°左右，设计采用48°的边孔角之后，使得桃形矿柱上部接近实体覆岩的厚度增大，下分段扇形排面顶部的爆破已经是真正意义上的挤压爆破［3］，设计采用保护层厚度为0.5 m 之后，使得爆破难以贯穿上部覆岩，致使大块增多，悬顶极易发生，为此应减小保护层厚度，设计为0.2 ～0.3 m 左右。

1.2 切割槽高度不够

无底柱分段崩落法的切割工作主要是形成形状、大小以及方位符合扇形炮孔爆破需要的补偿空间。由于无底柱分段崩落法在回采空间上的连续性，切割立槽的质量看似只影响几排炮孔或1 条进路的回采效果，但实质上是影响到几条进路甚至几个分段的爆破及回采效果［4］。因此，切割工程的质量需要从设计及施工环节进行控制，为爆破效果以及良好的矿石回收效果垫定基础。

下告铁矿采用从矿体上盘往下盘退采的方式进行开采，通过对－26、－37 m 分段调研了解到，切割槽位置没有避开矿岩接触等破碎位置，并且设计的切割井高度竟然略低于了分段高度，使得后续排面桃形矿柱的爆破根本没有补偿空间。对于从上盘往下盘退采的进路来讲，为了避开上盘矿岩接触的破碎地带，每分段的切割槽基本上是开凿在未崩落的上盘围岩中，上盘崩矿排面应为矩形排面，如图2 所示。为保证后续炮孔顺利崩落，切割槽(切割井)的高度通常为分段高度的1.5 倍左右，才能形成与后续扇形孔爆破的形态相适应的补偿空间。因此，需要改变现行的习惯性非规范设计方法，严格按照实际的崩落矿岩层高度布置切割天井并形成切割槽，保证切割井和切割槽有足够的高度。同时，切割槽的位置应避开上分段的回采巷道、切割平巷等不利位置，确保形成的切割槽有效断面尺寸和高度满足后续炮孔爆破的需要。

图2 上盘矩形崩矿排面Fig.2 Plane diagram of upper rectangle ore caving

1.3 工人装药时拔管过快，而且炮孔没有堵塞

由于部分工人装药不熟练和责任心差，装药时拔管过快以致炮孔内装药密度过低，而且有相当多的炸药被散落在地上，致使孔内设计装药量达不到要求。炮孔没有堵塞，根据爆破理论，炸药爆炸产生的爆生气体瞬间将会充满炮孔，并且具有很大的压力和速度，如果炮孔不堵塞或堵塞长度过短，爆生气体瞬间就会冲出炮孔，出现“冲炮”现象，爆破质量难以保证［5-6］，如果堵塞长度合适，堵塞物就会由于惯性阻力和与炮孔内壁的黏结力以致增加孔内高温高压的持续时间，使先前由冲击波造成的裂隙在高压气体的气楔作用下充分发展，使岩石破碎更充分，而且有效地减少爆破飞石的数量和抛掷距离，降低空气冲击波的强度。

1.4 上盘切岩放矿量少

由于下告铁矿上盘矿体倾角较缓，下盘矿体接近直立等特点，矿山在回采上盘矿体时，采用见到废石就停止出矿的放矿方式。需要说明的是，对于上盘三角矿体部分，本身的矿量就不多，开采这部分矿体除尽可能回收三角矿体的矿石外，更重要的目的是及时放顶以释放地压与补充覆岩，为下面分段相应位置矿段的矿石正常回收创造良好条件。为使相邻进路的回采空间尽可能贯通并使顶板尽快冒落。上盘三角矿体回采出矿的特点是先放出部分矿石然后很快出现废石，随着退采的进行，出现废石的时间逐步推迟。为使后续排面的爆破有足够的补偿空间，上盘排面至少应按其步距崩矿量的30%进行出矿，以避免后续排面出现悬顶、大块等隐患，同时也将使回采空间充分暴露出来，促使顶板围岩及时冒落，回采产生的地压及时释放。

2 悬顶预防处理措施及实践效果

2.1 对正回采的进路的悬顶预防措施

随着矿山从上盘往下盘退采的进行，悬顶现象频繁发生，部分巷道在处理悬顶之后没隔多久又发生了悬顶现象，这给矿山生产造成严重影响。对悬顶处理后的后续排面爆破情况跟踪调查我们发现，出矿后期排面顶部出现了相当多的大块，此原因有可能是孔底装药密度过低和顶部爆破自由空间不足造成。由于相当多的回采进路中深孔已经形成，重新大面积地加深中孔或者扩孔都将严重影响矿山的生产计划。那么我们又该如何减少后续排面发生悬顶的问题呢?为了保证后续炮孔爆破的效果，建议矿山每隔6 排炮孔增加1 个加密排，加密排的炮孔个数为一般排面炮孔个数的1.5 倍。当回采至加密排时，同前端排面同时爆破。为避免巷道口附近药量的过度集中，扇形孔采用交错装药结构形式，对炮孔进行必要的堵塞。所谓的交错装药是将左右两边孔的填塞长度确定为1.5 ～2.0 m，其他各孔的填塞长度交错增减，使各炮孔孔口装药位置的间距大于孔底距之半，交错装药结构及起爆顺序图如图3 所示。同时，为减少爆破震动以及对边孔角起爆的夹制影响，同一排炮孔采用微差爆破［7］，从排面两边往中间依次起爆，采用孔底起爆方式。

图3 交错装药结构及起爆顺序Fig.3 The interleaving charging structure and detonating sequence diagram

2.2 对还未开始切割的进路悬顶的预防措施

由于上盘矿体矿岩交接面较缓，而且在矿岩交界处稳固性差，此处的爆破是在没有上部松散覆岩，而是实体的情况下进行，切割槽的高度应为分段高度的1.5 倍左右［8］。由于之前的设计中切割立槽的高度远未达到正常爆破所需高度。导致切割立槽的形状、面积以及补偿空间的大小均不能适应后续步距回采爆破的需要，不仅导致大块、悬顶、立墙等问题频繁出现，还因为爆破的夹制性过大导致矿体(岩石)顶板高度不断下降的现象出现。同时上盘岩石不能及时崩落下来形成覆盖层，造成上盘地压不能及时释放并不断积聚，地压活动剧烈，巷道支护困难，最终造成大量矿石不能有效回收，加大了矿石的损失。针对上盘矿岩界面较缓的条件，设计了上盘切割巷布置图如图4 所示。

图4 上盘切割巷布置Fig.4 Upper cutting roadway layout

切割巷避开上盘矿岩交接破碎带2 m 左右，切割立槽(切割井)的高度达到分段高度的1.5 倍，在上盘回采的前几个排面中，采出的几乎全部是废石，但为使后续排面的爆破有足够的补偿空间，就算放出的全是废石，也要放出步距崩矿量的30%方可，以避免后续排面出现悬顶、大块等隐患。对于上盘前几排回采几乎是废石的情况，建议矿山采用分采分运，减少对后续矿石回采的贫化。

2.3 矿山实践效果

通过认真地分析和总结，矿山生产工艺从设计到施工得到了较好的规范，采切方法得到改进，采切与爆破工程质量得到显著提高，生产工艺变得更为合理，悬顶及隔墙等隐患明显减少。自－60 m 水平开始基本上按照实际崩矿形态设计布置炮孔，切割槽的位置有效避开了上盘破碎带，装药工人进行了严格的培训，炮孔进行了堵塞。试验前整个采区出现大面积悬顶的现象到2014 年6 月基本消除，生产秩序恢复正常，采区产量稳步提升，采出矿石质量显著提高，生产被动局面得到一定程度扭转。

3 结 论

悬顶是采用无底柱分段崩落法矿山普遍存在的问题，对于下告铁矿而言，大面积的悬顶除了因矿体自身稳固性差以外，更主要的是设计和施工没有根据矿山自身的情况进行合理的布置。切割槽高度不够、上盘矿体的出矿量没能达到要求，爆破的夹制性过大等因素导致矿体顶板高度不断下降，致使后续炮孔爆破补偿空间不足。同时设计预留排面保护层过厚，装药密度不够，炮孔没有堵塞等因素使得顶部矿石难以贯穿上分段覆盖层，爆破产生大量大块，为悬顶的产生埋下祸根。矿山通过认真研究和实践，从设计到施工进行了分析和总结，截止到2014 年6 月，悬顶大面积出现的问题基本得到解决。

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