留矿法的采场地压及其控制方法研究.pdf

留矿法的采场地压及其控制方法研究 赣州有 色冶金研 究所邹凯 罗德华 提 要奉文在长期实践讥识和理论 研究的基础上． 论述了留矿法采场地压显现特征 聂阻毫 在回 采、救 矿 ．充填辱各个阶段 盅力与应变发生变化的基本规律，提出了栗场地压控制 的有欹方法和措接 一 、前 言 在我 国钨 锡和 黄金等急倾斜脉状矿床地 下 开采矿 山 p ，留矿法是使用最早、应用范 围碾广 的采矿方 法之一，特别是 浅孔 崩矿 留 矿 洼一直 占有举足轻 重的地位。在 今后相 当 的时 期内， 留矿法仍将是 我国有色金属 和 黄金等矿床 地下开采的重要 的采 矿 方 法 之 一 。 近年 来，随着矿 山开采的 日益延深与扩 大， 地应 力和成本增高等情 况 日益明显，留 矿法 采场 地压的研 究与控制，具 有趸蘑大的 现 实意 。 我们从 现场 的综 合观 测结 果 的 分 析 入 手， 米认识围岩性态改变规律， 获得采场 围 岩在 回采、放矿 、1克填过程的应力状态和 位 移特点，从 而有针对 性 地制定地 压 控 制 方 案，控 制采场地压 ，以利矿 山安 全 持 续 生 产 。 二、 现场 测试 为获取各种具有代 表性 的数据 ，我们 注 重 了对观 测采场 的选择和设计 。 1 ． 观测采场的选择和综台 观； 科设计 1观测采场的基本条件1围 岩 类型具有普遍性， 2回采工艺 及采场结构 要素有代表性， 3 采场位置浅深兼顾，有 相对 性’ 4有能实 现采 、放、充垒 面观 测 的统一性} 5有吏墙厚度适 中、构 造影 响 存在 的综合性 。 有 毛矿 山～ 1 1 ． 6 2综合观测设 计观测系统 的建 立 应遵循观 测网敷设原则和考虑观测元件 妁设 置问题 ， 以保 证观测质 量。 1观测系统 的敷设原则 ①保持观 1捌 网具有 点、线、面、体的统一 性和相应 的独 立性，② 坚持围岩观测为主，盘岩 相邻采 场受影 响的岩体 观测为辅I观 测 范 围 以 采场为 中 心，5 0 1 0 0 m} ④观测点密度应符 台主从分明、近密远疏的严格要求。对脉状 矿 床而言，重 点应放在 夹墙 、矿 柱 及 围 岩 性 态的观测}⑤ 不碍生产 ，便于 施 工 和 测 试 。 2测试元件 的埋 设要 求；l 应埋设在 设 计深度 内，避免开挖及 松动 等不 良彩响， ②对埋设 的元件 ，应设 临时或 永久性保 护装 置I③定期检查 ，损 坏后立 即补上 。 2 ． 主要 观测内容 1 围岩应力应变观测1 岩体绝 对应力测 定。在 留矿法 的回采 中，夹 墙应力 状态的变化直接影响工程结构体的稳定性， 重 点了解夹墙岩体在 回采 、放矿 、充填等 过 程 中应力状态 的改变及 其大小十 分必要 。我 们采用D Y 一3 6 1 2 型岩石三轴应 变 计，作 为孔壁应变测试元件，并运用单孔孔壁应力 解除法 来确 定夹墙岩体应 力大小及其变 化状 态 。 在绝对应力的测量中，我们采用单孔孔 壁应力解除法。在假定岩体基本遵循连续、 均质 、各向同性和弹 性条件下，孔壁的恢复 一 2 7 维普资讯 应变P 和被测点的应力分量之间有 如 下 关 系 t P C k l a C 2 ayCk 3 d E Ck T x， Ck B fr I C 。 T zI 式中l C 【 { C i 一2 1 一 。 c o s 2 e | ] s i n ， 一 t L c o s J ／ E ， k 2 { [ i 2 1 一 c o s 2 0 1 ] s i n 叩 一 0 s 甲j ／ E } C a [ c 0 s J 一 t s i n 中】 ]／ Ej C k 4 [ 一4 1 一 。 s i “ j s i n 2 0 | 3 ／ E j k B C 2 1 s i n 2 q J 】 c 0 9 e【 ]／ E C k e [ 一2 1 8 i n 2 j s i n e【 ]／ E； c k 应 力分 量系数，K4 i 一 1 j ， i _l，2，3． j 1， 2， 3，4， d 、d 。 水平 应 力 分 量l 6 铅 垂应力分量， 应变片所处方 向角} e 匣变计三轴在 圆周上 相位角j E 、 分别为岩心的弹性模量和泊 桑 比 。 依据 上式 ，利用最小二 乘法 原理 确定应 力分量 的最佳 值及 其精 度，判别并 台 去残 差 较 大的应变 观测 值，推 算 出最 佳的岩体三维 应力。 2盘岩的相对应力变化 测定。通过 光 应力计的 日常观测，获得岩体应力条纹受 采 动 因素 影响的相对 变化量， 以致确定垂直 钻 孔平面之最大受力方 向。 2围岩 变形性态 的观 测1岩 体 声速 及音频变化观 测。采用声 纳及对音频 捕 捉监听等 测试方 法，视岩 体声速及音频频 度 变化情况，评定周岩的稳定性。 2岩 体位移及应变观 测t①埋设B M l型位移 计和BI 一 2 5 型应变计，直接量 测周 岩和盘岩在采场作 业循环 中所 出现 的位移和 应 变值， ②配 以顶板沉降仪，对采场周围巷 道 顼扳 沉降幅度进行 临测。 一 2 8 一 三、 综合 观测结果与分析 1 ． 夹墙岩体应 力和 应变的观 测 结 果 与 分 析 1夹埔应力测试结 果和分析1 测试结果 t① 兜墙在 采场回采各个 不同阶段 的绝对应力观测值 ，如 表 ②采场回采、 贮矿 、充填全过程 中，上艋夹埔岩体绝剥应 力变化 I } 臼 线，如 图 1。 实制应 力分置 表 1 结 束 l 采空 场 m左l f 充填后 ．q 8 J 2． 2 6 ．0 5 l T 7 6 回采 贮矿 克鹱 ． 二 团l 上盘 夹墙岩 体绝对应 力变化 曲线 纵 班标 鳗 的， 应为a 2观测结果分析 。图 i的实测曲线表 明，回采前采场 围岩处于 原岩应 力状态，随 回采作业进行，采场上下盘方向逐渐卸载， 应力发 生变化。其 中，垂直应力分 量a 变化 微小， 水 平应 力分量 d 和a。 均 有较大 幅 度 的下 降，并 出现应力值突变 的拐 点。 当采场 回采作业结束，空场形成后，a 值 大致为 上下盘方 向应力 分量得到强烈释放， 其值 由一 】 7 ． 3 6 ⅥPa 降 至 一 o ． 8 8 MP a ， 这 时 夹 墙 有 色矿 山一 1 9 莒 1 ． 6 i 4 0 维普资讯 呈现双向受力状态面成为板状结构俸。这同 急倾斜薄矿脉 留矿法开 采后 空场上下盘 明显 卸载的理论分析和实际情况基本吻合。 2应变 、位移的观测结果与分析 1测试结果 。通过测试 ，获得 了兜墙边界 岩体的应变值绘 制的应 变 曲线如 图 2。 图2 央墙 边界岩体 应变观涓 盏壤 2观测结果分析。根据长期观测结果 认为，在 采场作业的全过程 中，夹墙岩体的 位移和应变值均随回采工作面上升而不断变 化，当垂 直矿 脉方向上 的上 下盘卸载 后，位 移和应变值呈上升趋势。从夹墙下盘周边蓟 夹墙内 5 m左右的范围内有拉应变区存 在． 它对夹墙稳 定性影响较 大。 2 ． 磺雇柱的应 力与应 变观澍 结 果 与 分 析 1相对应力观测结果分析由光应 力计对底 柱应力条纹 的变化观 测后得 出，底 柱平面受力变化，随回采高度变化大致可分 为 4 个不同的阶段。若用回采高度h 与 设 计 回采高度H的比值 Q 来 表 示， 则 有t Q 时，变化明显，Q 夹墙 与矿 柱问的制约关 系。在 留矿 法 的工程结构体中，夹墙与矿柱都具有明显的 骨架作用，并共 同秉借 自身的 强度 来承受 采 一 3 0 场地压。可见，无论哪方失稳破坏都牵动对 方，甚至 “ 连锁 反应 ”酿成灾祸 。 2 ． 采场地压 的惫 害 由于 开采范围较大，开采 空间的形 态极 其复杂， 随着 开采工作的开展 ，其规模 和形 态又 不断变化 ，岩 体受 到多次重复的扰动， 呈 现极其 复杂 的受 力状 态。经过时间效应 等 各种 因素 的影响，围岩性态 的改 变则 由量变 向质变转化 ，致 使夹 墙、矿柱失稳破坏 ，激 发采场地压。因此，采场地压具有地压显现 剧 烈，波及 范围大，次生应力场复杂，其 活 动规律短时 间内难于 认识 等突 出特 点，而且 给生产和安全 带来严 重后果 。 采场地 压往往借 助构 造弱面的作用 ，寻 找应 力释放 “ 突破 口”，使其得 以发展 、漫 延 ，甚至促成规模 不等的矿 区性地压活动。 自6 0 年代 以来 ，全 国先 后有l 2 个统配钨矿山 上部 阶段发生 以岩层 移动为 主要特 点的大面 积地 压活动，共达 3 O 余 次，几乎都是 由于 长 期大量酌采空区未及时处理而导致采场框架 倒塌的结果。 江西钨矿已有5 0 6 0 年开采历史。盘古 山钨矿在地 压活动发生 前，采澡为2 6 0 3 2 0 m，采 空区累计达 1 7 8 ． 9 万 m。 未傲任何处理 。 第一次岩层移动发生 在 1 9 6 6 年 6月2 9 日，主 要在 8 9 9 8 3 3 阶段 之 间。 1 9 6 7 年 9月2 4 日发 生第二 次大规 模地 压活动 ， 波 及6 9 6 1 0 1 2 m 6个 阶段 ， 连续 4年生产能力平均下 降4 5 ％， 钨资 源损失价值达2 4 8 0 万元 ，企业直 接经济 损失 7 3 5 万元 。大吉山钨矿1 9 6 0 年一次 大 面 积地 压活动，使南组6 6 6 阶段 以上， 中组7 2 9 、 6 2 5 5 6 7 阶段 以上 遭到严重破坏， 冒落 体 积 这 数百万m。 ，被迫停产，并造成重大资源损 失 。下 垅钨矿樟 斗矿区1 9 7 0 年 5月和小龙钨 矿1 9 7 2 年 4 月 以及铁山垅黄沙矿区1 9 7 9 年 5 月 的地 压活动、大岩移和塌落 等，都严重影 响 了生产和威胁安全 ，甚 至全矿停 产，损失 矿石资 源。 工程 实例与理 论研究 认为，采场地压活 有 色矿 山-- 1 9 9 1 ． 6 维普资讯 动 的程 度主要取决于 地下 工程 中以采 区为 t p 心的结构体 的稳定性 。由于稳定性是受诸多 因素影响，所 以采场地 压激 发成灾的情况不 尽 相 同。 从统 计规 律认 为 ， 主要 有 以下三种情 况容 易形成地 压灾 害。 1 采空场 总体积达 到百 万 m。 ，采 深 超过j 5 O m时， 又有空场在走 向方向 的 长 度 达 F i 3 o 0 m和宽 度范围大 于1 0 0 i n 的 条 件 下。 尤 以连续空区体积越大，诱发地 压活动的条 件 就越充分。 2 夹墙厚度小 于5 m，且 空实 比卫 大 于2 0 的情况下 。 3采 空场的 临 空 总 平 面 积 超 过 3 0 ， 0 0 0 m 时 。 此 外， 地下水一方面对岩体 结构面起 溶 蚀、软 化和混化作用 ，降 低了弱面 的强度 另一方面在裂隙水压的破坏作用下，降低了 岩体的抗剪强度。从而大大缩短采场地压的 成灾 时同。 五、采场地压的控制 采场地压控制应 坚持 从实 际出发，因势 利导 的原则，依据 采场地 压活动 的 基 本 规 律，采取切实可行、经济有效的技术措施和 方法，来减少或避免地压危害，争取最佳的 生 产、经济和社 会效益。我们从实践 与理论 相 结台的 角度 出发，提 出如下几方面， 以供 综 台决策 和应 用参考 。 ， ． 维 护围岩 稳定性 1 采场构成要素的台理 确定 1 控制 果场 暴露 面积 。设计 中应依 据岩性 条件等来 确定 暴露 面积 。一般认为在 中等 稳固以上的 岩石 中， 暴露 啊积 限釉 i 在 5 0 0 ～7 0 0 m 的范围 较好。对 有构造影响的矿块 还要适 当减少 暴 露 面积 ，并 加强顶板管理。 2 及时铡 整回采 高度。数据分析表 明， 采场 围岩 的稳定程 度与采场构成要素紧密相 关。在 高为5 0 i n 的采场 回采 中，当采高超过 3 o m左右时，围岩开始 出现拉应力 。这与 现 场3 0 m左 右上采 困难的情况相吻合。 回采 高 度与应 力变化 曲线如 图 4所示。 在钨矿床开采中，不少矿山由于采深加 大，将会带来许多复杂的技术问题和理论问 题 。采矿作业 日益艰 难，地压增大 ，围岩不 稳等，5 0 m的 回采 高度难 于顺 利达到。因 此 应 及时调整 回采高度 。实践证明，采用短矿 块、矮采场 3 0 3 0 m和加大回采强度。 对采场地压控 制效果显著。 0 1 O 3 8 9 5 O 1 0 Pa h c 圈●回采 高度与应 力变 化曲线 b -- 5 0 5 0 m高长采场 ；c ．d f 3 o 3 O re矮短采琦 3 减少对底部结构的破坏i在现场设计 高3 m的底柱，往 往 因’ 漏斗 施工破坏 其 强 度 大大降低。为减少遮种破坏，除 改 善 施 工 工艺外，遥可适 当加大漏斗 间距，以确保有 有 色矿 山一 1 9 9 1 ． 6 效尺寸和设计结构的完整性 2 保 持上下盘围岩边界的完整 性 1 改善爆破 工艺 ， 保持采场边界 的完整 性 ， 减少 蝈采边界的严重 凸不平 现象，可避免 边界 -- 31 ～ 维普资讯 局部应力的过份 集 中，有 利于 围岩的稳定 。 2 留设 原生矿 柱。矿块 回采 中可针对构 造性质 和穿 越部位的岩性 等情况，及时 留设 原生矿 柱， 以支撑上下盘 围岩，保 持受支撑 点的岩体处于三 维受 力的 稳定 状态 。 3 减少采场 之间的相 互影 响。回采同一 阶段 的上下盘矿 脉时 ，下盘采场 的回采宜错 开上盘采场回采 【 起的岩移峰值期，并保持 走向距 离上大于 5 0 r f l ， 以减 少采场之 间的相 互影响。 2 ． 提 高围岩 强度 1注浆加 固对 由于受 构造影 响或 松软破 碎不 稳 固岩体 施行 加 固，能 明显提 高 岩体强度，起 到对采场地 压的控制作 用，并 扩大了留矿法的应用范围 。 2采用锚 杆支护通过对片理 或层 状岩体安装锚 杆后所起的组 台作用 ， 以及对 块状 结梅岩体安装锚 杆所起的悬 吊作用来提 高围岩固有的强度。采幅较宽的采场利用锚 杆支护，对防止片帮和安全回采具有现实意 义 。 3 ． 厦时有效地处理采 空场 在开采深 度不断增大、矿 山地质条件 日 趋复 杂、空场 日益增 多的情况下，为 了提 高 夹壁的稳定性 ，控制采场地压，保证回采安 全，及时有效 地处理 采空 医仍为首要。 1 基 本方 法根据钨矿开采特 点， 采 用废石 充填 等方法来处理 空场， 经济 台理。 常用 的废石 充填方式有 以下几种 ； 1 输料 充填 。利用 窿内外手选废石干 式 充填 空区，更适用 于矿脉密集的单脉采 空区 处理。此法在盘古山，画眉坳、铁山垅，大 吉山，小龙等钨矿使用获得成功。亦可采用 尾砂、碎石水力充填处理 空 医。 2 自然崩落 围岩充填 。任 凭采空场的围 岩 自然崩落充填 空场 ，多用于 边缘或矿 脉稀 疏处l的采空场处理。如下垅钨矿 樟 斗 矿 区 l O { 线以东和 1 0 6 线 以西的采 空场处理 。 3 强制 崩落围岩充填 。人 工强制放顶或 -- 32 -- 爆破 强制崩落 围岩 来充填采 空场 。其卸压效 果 明显 ，尤其适 用于 地表允许 陷落 、围岩 较 稳固且整体性好的脉群台采和空区规模较大 的矿带 密集 空区的处 理 。此法 先 后 在 大 吉 山 、岿美 山 、 铁 山墟 黄沙 、 下墟 樟斗 等矿 区推广应 用，取 得了较好 的充填处理 空 医的效果 。 2废 石充填 处理 空场 的主要作用 1 充填体对矿壁产生反压力，增加了围岩向 空场 塌落 的阻力，改变了 回采 空间周围边缘 区域 内岩 体变形的条件，使围岩的 变形破坏 受 到阻尼，从而缓和了岩移速度， 降低 了岩 移幅度， 可 以维持回采作业的正常进行 。盘 古山钨矿 6 3 5 阶段 以上 空场 充填后 ，各 阶 段 位于主 构造带 、玄武岩 脉的岩体 沉 降速度逐 年变缓的事实，充分证明了上述作用。充填 后岩体 下沉实 测曲线见 图 5。 L【 皿m 】 ． 年 图5 玄武岩 脉的岩 体下沉 曲线 2 充填 体减少了岩体移动 的空间，增 强 了矿柱的支撑能力，对 夹墙产生的静止侧压 力在一定时 间内和一定 程度上提 高了夹墙稳 定性 。 3 充填废石作为 空场 垫层 ，可起到对地 压 “ 暴风” 的缓 冲作用 ，减少大 面积岩 移所 产生的冲击气浪危害。 六 、 结束语 我们 通过 多年大量的试验研究工作，从 实践 与理论相 结合的角度，在 掌握 留矿法采 场地 压显现特 征及活动规律的 同时 ，能较为 下转弟7 l 页 有 色矿 m 1 9 9 1 ． 6 维普资讯 产锡 国协会 的预测 产锡 国协 会 T h e A s s o c i a t i o n o f Ti n P r o d u c i n g C o u n t r i e s 预测 ，1 9 9 1 年 世 界 耗锡量将达到 1 7 ． 8 万t ，但总的供锡 量 可 能 只有1 6 ． 5 万t 。这种状况有 助于减少 库 存 锡 1 ． 3 ～1 ． 4 万 t 。但这取决于多 个 因 素，其 中 包括美 国战 略储 备多余锡 的出售水平 。 1 9 9 1 年第1 季度库存锡 的减少 额 为 1 4 3 3 E ／ 月，超过产锡 国协会 目标量4 2 5 t 。成 员 国 出 口了2 2 2 0 4 2 t 锡 ，比该 协会最 高 限 额 少 大 约8 ％。 巴 西 与 中 国 分 别 出 口 锡 8 1 4 2 和 2 5 9 3 t ，也低于承诺的平均量。产锡 国 协 会 希望巴西夸年 的 总 出 口量 低 于1 9 9 0 年 的 30 50 0t 。 李 怀先 译 自 Mi n ． J o u r n a J u n e 2 1 。 1 991 ， 47 8 巴西国营采矿公 司寻求合 资人 据 报道，CVR D公司正在寻找 国内外风 险投资 伙伴， 以4 ． 3 亿美元在亚马孙 州 东部 C a r a j s 地区建设铜 选 厂。该 公 司 已 投 资 8 0 0 0 万美元 研究 了地质 ，建 了实验厂 。矿石 储量1 2 亿t ，选厂初期规模将为7 万t ／ a ，铜精 矿 品位3 8 。 李怀先译 自 “ Mi n． Ma g ． Ma r ． 1 9 9 1 ， 1 77 美国克莱马克斯钼矿选厂改造 克 莱马克斯铝公 司决定实施 一项 计划 ， 改造其 位于美 国科罗 拉多州利德维 尔 L e a ～ d v i l l e 附近 的克莱马克斯钼矿选厂 的设 备。 第一期改造 计划包括安装 新的仪表系统 ，将 选厂控制室 、试 样室与分析试 验室 拼入新 的 控制 大楼 ，在 试验基础上用1 4 ma 新浮选槽 更 换部分粗选槽。其他更替与改进工作将在稍 后进行。初期改造投资为4 4 0 万美 元，目 的 是 更好地控制粗磨 与浮选回路 以及节省 电力 成本。 该 矿是在 关闭 2年后于 1 9 8 9 年重新 生产 的，现在雇 有大约2 0 0 名 员工，今 年6 月 1 3 日 已结束地下采 矿作业 ，露天 开采预定今 年晚 些时 候恢 复。 李 怀先译 自 Mi n． 1 o u r n a l J u n e 2 1 ， 1 991 ． 4 75 上接第3 2 页 有效地对采场地 压实行控 制。在 与一些矿山 共同制定的控制方 案 和 技 术 措 施 付 诸 实 施后，取 得了显著的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 。 脉钨 矿床开采 山体 的围岩从稳定 到产生 较 大舰模的岩移与崩塌，一般都 要 历 终 显 现 、渐 变、加速到突变等 四个阶段， 即地 压 有 一个缓慢移动、加速移动和剧 烈岩移、崩 塌的灰展过程。而采场地 压的激发是促成 突 有 色矿 山一 l 9 9 1 ． 6 变的关键因素。随着矿山开采作业不断扩大 和向深部转移，更加广泛深入地开展采场地 压研究及其控制，起具有深远意义。展望新 的研究课题，在 以往 工作 的基 础上不断总 结 经验，开拓前进， 以期实现对采 场 地 压 主 动、全面、合理地控制 目标，保 护 矿 产 资 源，提高采矿回采率和降低贫化率，改进采 矿 作 业 的 安 全 。 责任 编辑解 忠 ． 7l 一 维普资讯