刘武团 张海磊 王成财 赵丽军 孙 嘉
(1.西北矿冶研究院,甘肃 白银 730900;2.白银有色集团股份有限公司厂坝铅锌矿,甘肃 陇南 742504)
李家沟矿区超前开采安全技术要素分析
刘武团1张海磊1王成财1赵丽军2孙 嘉1
(1.西北矿冶研究院,甘肃 白银 730900;2.白银有色集团股份有限公司厂坝铅锌矿,甘肃 陇南 742504)
由于被迫在覆盖岩下放矿和矿体中夹石的大量存在,厂坝铅锌矿李家沟矿区出矿品位持续低迷;矿区902 m中段矿体品位高且赋存完整,超前回采该区域富矿可有效提升李家沟矿区出矿品位。根据902 m中段工程地质和矿体赋存特征,运用Mathews稳定图法,优化了采场极限暴露面积和结构参数。在对采空区塌陷大面积连锁冒落效应致灾机理分析的基础上,建立了地下开挖工程围岩系统的协同承载作用突变模型,分析了超前开采区域矿柱和顶板的稳定性,并提出了采空区嗣后充填和建立地监监测系统的安全措施。实践结果表明:结合Mathews稳定图法和有限元软件分析,可以实现数据的相互验证和决策,为李家沟矿区902 m中段超前回采提供安全保障。
超前回采 Mathews稳定图法 暴露面积 连锁效应 采空区稳定性
厂坝铅锌矿是礼县柞水成矿带西成矿田中的一个大型铅锌矿床,由李家沟等4个矿区组成。民采破坏和长期空场法开采形成了大量采空区,部分矿房顶板垮塌,1 082 m及以上中段被迫在覆盖岩下出矿,加上目前回采的矿体中存在大量夹石,李家沟矿区出矿品位持续低迷。现场踏勘发现,李家沟矿区902 m中段矿体品位高,赋存相对完整。经多方论证,决定超前回采该区域富矿,以有效提升出矿品位。为保证生产安全,需要对李家沟矿区超前回采区域进行安全性分析[1]。
1.1 矿区地质
李家沟矿区位于西秦岭海西褶皱带东段,岷县复背斜轴部;由于构造及成矿原因,岩层片理普遍发育,岩体各向异性明显。矿区水文地质条件简单。
从室内力学测试结果显示,李家沟矿区矿岩硬且脆,试件达到峰值强度后很快破坏,破坏时发出响声,碎片四处飞散[2]。902 m中段超前回采区域矿岩力学性质见表1。
表1 李家沟矿区902 m中段矿岩力学性质
1.2 矿区生产现状
Ⅰ、Ⅲ2矿体为李家沟矿区主要矿体,均为急倾斜矿体。Ⅰ号矿体平均厚度为21 m,采用分段凿岩阶段空场法回采;Ⅲ2矿体平均厚度为5.3 m,采用浅孔留矿法。
目前,李家沟矿区1 022 m及以上中段正在实施回采; 962 m、902 m开拓工程均已完毕。
在矿体回采过程中,采场和采空区的顶板往往因为暴露面积过大而冒落。因此,需要确定902 m中段矿体极限暴露面积和优化采场结构参数,确保采场稳定和生产安全。
2.1 Mathews稳定图法的确定采场极限暴露面积
Mathews稳定图法[3-7]是Mathews等人在NGI法的基础上提出的,实质为采场暴露面形状系数S与岩体稳定性指标N之间的关系。根据岩体稳定性指数N,在稳定性图表上求出采场总体稳定的形状系数S;初选采场某一结构参数后,即可确定其他结构参数与暴露面积。图1为Potvin修正后的Mathews稳定图。
图1 Potvin修正后的Mathews稳定图
2.1.1 Mathews稳定图法计算
(1)稳定性指数N。
(1)
式中,Q为岩体质量指标;A为岩石应力参数;B为节理适应调节参数;C为重力调节参数。
(2)岩体质量指标Q。
(2)
式中,R为岩体质量系数;Jr为节理粗糙度;Jw为节理裂隙水折减系数;Jn为节理组数;Ja为节理蚀变、充填及胶结程度;Sf为应力折减系数。
根据李家沟矿区工程地质及矿体赋存特征,式(2)中各参数取值为:R=81,Jr=4,Jw=1,Jn=5,Ja=1,Sf=1。计算可得Q=64.8。
(3)应力系数A。
(3)
式中,σc为岩石单轴抗压强度;σi为次生压应力。取A=1.0.
(4)节理适应调节参数B。是度量影响采场稳定的倾斜的采场表面和关键节理组相对不同的参数,可依据相关资料[3]选取。该矿取B=0.9。
(5)重力调节系数C。
(4)
式中,α为顶板水平向倾角,取α=0°,即C=1.0。
(6)采场形状系数。任何暴露面均可认为由2个相互垂直的跨度组成,则定义采场形状系数S为
(5)
式中,L为采场宽度(采场沿走向布置时,一般取矿体厚度),m;L1为采场长度,m。
Q=64.8,A=1.0,B=0.9,C=1.0时,N=58.3。结合图1,查得N=58.3时,采场稳定时的采场形状系数S为9.6。
2.1.2 结果分析
李家沟矿区Ⅰ号矿体平均厚度为21 m,当采场形状系数S=9.6时,计算得L1=224 m。即当902 m中段采用无间柱连续采矿时,矿房极限跨度为224 m,此时采场暴露面积为4 704 m2。
根据以上分析,确定李家沟矿区超前回采范围为902 m中段71~79线Ⅰ、Ⅲ2矿体,超前回采区域间距200 m,暴露面积4 050 m2,对照Mathews稳定图表,超前回采区域处于稳定状态。
2.2 902 m中段采场结构参数优化
902 m中段超前回采采用空场采矿法,矿块长50 m、高60 m,间柱厚8 m;拟留上部一定厚度的矿体作为安全隔离层,待采空区处理后回收。
借助FLAC3D软件,对不同厚度隔离层的安全性进行了分析。分析结果显示,采场最大应力和应变均与隔离层厚度呈负相关关系,具体见图2。同时考虑隔离层占矿块的矿量比例,隔离层厚度不应超过15 m;隔离层厚度为10 m、15 m时,采场最大应力、应变相差不大;确定隔离层合理厚度为10 m。
图2 不同隔离层厚度采场应力及位移
矿区暂未建成充填系统,902 m中段超前回采区域空区搁置时间无法确定。为避免空场长期搁置造成矿房垮塌,需要进一步分析该中段矿柱-顶板组成的采空区群结构失稳风险。
3.1 采空区冒落的连锁效应
空场法开采以留设矿柱的方式维护空间稳定,如果矿柱强度不够或分布不合理,单一矿柱的破坏足以引起矿区顶板连续大面积垮塌,不仅损失资源,还影响安全生产。
采空区塌陷的连锁效应是一种由局部矿柱破坏引发的顶板荷载传递和矿柱连锁式破坏,最终导致大面积塌陷灾害的现象[8]。如图3所示,3号矿柱被压垮,其承载力转移给相邻的2、4号矿柱,导致2、4号矿柱破坏;2、4号矿柱破坏后,1、5号矿柱额外承担了2、4号矿柱担负的荷载,也产生破坏;最终当足够多的矿柱发生失稳,顶板将发生大面积瞬时切冒型塌陷的突变。
图3 采空区塌陷的连锁效应示意
3.2 李家沟矿区超前回采安全性分析
矿区902 m中段部分区域超前开采时,势必会干扰周围岩层应力场,引起应力的重新分布,使岩体产生移动变形和破坏;随着采矿工作的推进,这一过程将不断重复。在空区围岩系统失稳特点的基础上,利用Phase2有限元软件[9]建立地下开挖工程围岩系统的协同承载作用突变模型(从略),对902 m中段71~79线矿体超前回采所形成的二次应力扰动强度进行了分析,见图4。
从图4可以看出,由于李家沟矿区矿岩稳固性较好,且超前回采区域范围不大,902 m中段71~79线矿体超前回采对1 022 m及以上中段影响较小;超前回采区域采空区长期搁置后不会发生采空区连锁式大面积冒落。
图4 二次应力扰动后李家沟矿区矿岩移动规律
3.3 超前回采安全技术措施
(1)建立地压监测系统,对矿柱、顶板等重点工程进行应力应变监测,对关键点和关键部位需进行声发射监测。
(2)从矿区上下中段协同开采角度出发,采用合理的地压控制与采空区嗣后充填技术,减小902 m中段超前回采区域岩层移动带范围,确保上部中段的正常回采。
(3)根据矿区采场地压显现与岩层移动规律,结合地压监测和902 m中段超前区域“三带”范围,优化矿区1 022 m及以上中段采矿布局、回采顺序等。
通过以上分析,只要控制好200 m的超前回采区域范围,保证10 m的隔离层厚度,实施相关的安全技术措施,李家沟902 m中段71~79线矿体超前回采安全可行。
(1)2012年3月,李家沟矿区902 m中段71~79线矿体超前回采开始实施,该区域已累计采出高品位矿石30万t,矿区品位指标提升了12%。
(2)近3 a的实践表明,902 m中段超前回采区域矿柱、顶板应力、应变状态良好,未发生一起安全事故。
(1)结合Mathews稳定图法与FLAC3D软件,优化了采场极限暴露面积与结构参数;利用Phase2软件建立地下开挖工程围岩系统的协同承载作用突变模型,分析了采空区冒落的连锁效应,介绍的方法可为国内外矿山解决类似问题提供一条新的思路。
(2)通过现场实践,李家沟矿区902 m中段71~79线矿体超前开采方案安全可靠,为矿山产能及矿石品位的提升创造了条件。
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(责任编辑 徐志宏)
Analysis of Safety Technology Factor of Advanced Mining in Lijiagou Mine Area
Liu Wutuan1Zhang Hailei1Wang Chengcai1Zhao Lijun2Sun Jia1
(1.NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy,Baiyin730900,China;2.ChangbaLead-zincMineofBNMC,Longnan742504,China)
Due to be forced to make ore drawing under surrounding rock and large number of waste rock in ore-body,ore grade in Lijiagou Mining Area of Changba Lead-zinc Mine remains at a low level.The ore-body in 902 m level owns a higher grade and is under an intact occurrence state.Advanced mining of the rich ore in this area can effectively enhance the ore-drawing grade of Lijiagou mining area.According to the engineering geology and the ore body occurrence characteristics in 902 m level,the limit exposed area of the stope and structural parameters are optimized by Mathews stability chart method.Based on the disaster mechanism analysis of goaf collapse ripple effect,the synergistic bearing effect catastrophe model of underground excavation rock system is established,and the stability of pillars and roof in advanced mining region is analyzed.Meanwhile,safety measures including goaf subsequent filling and ground surveillance monitoring system are proposed.Practical results show that:the combination of Mathew stability chart method and the finite element software,data's mutual authentication and decision-making can be achieved,which provides security for advanced mining at 902m of middle section in Lijiagou Mining Area.
Advanced mining,Mathews stability chart method,Exposed area,Ripple effect,Stability of goaf
2014-11-09
刘武团(1969—),男,高级工程师。
TD325+803
A
1001-1250(2015)-03-169-04