高应力区卸压开采方法研究.pdf

1 8 矿 业 工 程 M i ni ng En g i ne e r i n g 第 1卷第 4期 2 0 0 3年 8月 高应力区卸压开采 方法研究 王喜兵王海君 邯邢 冶金 矿 山管理局 ，河 北 邯郸 0 5 6 0 3 2 摘要 针对西石 门铁 矿高应力 区的形成 及产生 的危害 ，采 取有效支 护、崩落 支承柱与大量 放矿松 动 卸压及合理调整回采顺 序等综合技术措施 ，卸掉了高应力区的破坏性地压 ，有效地减少 了地压活动 对 回采作 业的影响 ，并回收了大量 损失 矿量 。 关键词 高应力 区；地压 ；卸 压开 采 中图分类号 T D 8 5 3 ． 2 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 8 5 5 0 2 0 0 3 0 4 0 0 1 8 0 4 l 概述 西石门铁矿为接触交代矽卡岩 型磁铁矿床 ， 矿 体赋存 于燕 山期 闪 长岩 和 中奥 陶纪 马家 沟组灰 岩 的接触 带 中 ，按 自然 赋 存 位 置划 分 为 北 、 中、 南 3个 采 区 ，其 中 中区矿体 长 1 ． 6 k m，宽 1 0 0 ～ 3 0 0 IT I ，矿 体 呈 不 对 称 背 斜 ，轴 部 最 厚 达 1 0 3 ． 4 2 m，一般 为 1 ． 2 ～3 2 m，倾角 1 0 。 ～3 0 。 ， 埋深 7 0 ～4 9 0 IT I ，呈 似 层 状 并 有 波 浪起 伏 产 出。 矿体 与顶板 结 晶灰 岩为稳 固到 中等稳 固 ；底板 矽 卡岩 层不 稳 固 ，闪长岩 稳 固性较好 。矿 石 多为致 密块 状 、侵染 状 与条带 状 ，磁铁 矿平均 地质 品位 4 3 ． 0 6 ％，矿 岩界 限 清 楚 ，裂 隙节 理 发 育 。 矿 岩 物 理性 质见 表 1 。 表 1 西石 门铁矿矿岩物理 机械性质 西石 门铁矿于 1 9 8 6年建成投产，经过 1 0余 年 的开 采 ，到 1 9 9 8年 ，中 区采 空 区顶 板 冒透 地 表 ，塌 陷坑 周 围的上 覆岩 体发生 大规模 岩 移 ，引 起井 下滞 后 开采 的局 部 矿 段 采 动压 力 急 剧增 大 ， 采准巷 道遭 到严 重 破坏 ，生产难 以正常进 行 。为 此，局矿成立了攻关组 ，结合矿山实际情况 ，利 收稿 日期 2 0 0 30 6一O 2 作者简介 王喜 兵 1 9 6 5一 ，男 汉族 ，河 北井 陉人 。邯 邢 冶金矿山管理 局安全 生产资源部副部长 ，高级工程 师。 用岩体冒落规律 ，采取 了一系列综合技术措施 ， 较 好地 解决 了 高应 力 区卸 压 与 矿量 的 回采 问题 ， 取得 了 良好 的经济 和社会 效益 。 2高应力 区的形成及其危害 西石 门铁 矿 中 区从 1 9 8 6年 开始 采用 无 底 柱 分段崩落法回采 7 勘探 线以北 的背斜轴部厚大 矿 体 。前期 生产 中，采 用硐 室放 顶形 成平 均厚度 1 6 ． 2 3 m的岩石 垫层 。在 此 散体 垫 层保 护下 ，连 续 开 采 了 1 9 0 、 1 8 0 、1 7 0 、1 6 0和 1 4 8 m5个 分 段 ，由于 顶板 围岩稳 固 ，采空 区一 直未 冒落 到地 表。从1 3 6 m分段进 入 7 线 以南 开采 ，当时仍 采用 了硐 室放 顶法 处理 顶板 ，但 由于采 空 区连续 暴露面积过大引起地压增高 ，放顶硐室遭到了严 重破坏而未能投入使用 。到1 2 0 IT 1 分段 回采时 ， 7 线北 采空 区体 积达 到 了 1 4 7万 m ，采 空 区水 平 投影 面积 达2 0 9 0 0 IT 1 0 ；7 线 以南 采 空 区 面积 达 到 了1 8 5 0 0 m2 图 1 。 为避 免 采 空 区 灾 害 事 故 的发 生 ，经过 攻 关 组 研 究 ，采 取 了 7 线 北 采 空 区监 测 、联 通 I 1 封 堵 ；7 线 以南 新 、老 采 空 区交界 部位 留隔离带 等综合技术措施 ，其 中在 7 线 附 近 的 南 、北 两 采 空 区 连 通 V I 的 下 部 ，留 下 了2 0 I T I 宽 的保 安 矿 柱 ，用 以 限制 连 通 口尺 寸 的进一步扩大，以减小 7 线北大采空 区冒落时 气浪对 7 线南工作面的冲击力度。 7 线 北 大 采 空 区于 1 9 9 8年 1 1月 2 1日 冒 落，冒落坑周边不断形成 有规律分布的断裂线， 并 由塌落区中心向外呈环形扩延 ，最外 圈断裂线 的宽度达 2 0～5 0 c m，两 侧最高 落差 达 6 0 c m。 维普资讯 2 0 0 3年第 4期 王喜兵等 高应力 区卸压开采方法研究 1 9 最外 圈断 裂 线 的 裂 缝 最 宽 ，落 差 也 最 大 ，表 明 7 线南 采空 区 的上 覆 围岩产 生 了大规 模岩移 。 与这 次岩 移相 对应 ，井 下也 发生 了大规 模地 压活动 ，地 压活动 以保安 矿柱为 中心 向四周发 展 ，涉 及到 中一 区 1 1 0 、9 9 、8 9 m分段 和8 0 m中 段的数 十条巷 道 。大 部分 联巷 及进路 相继 发生 了 巷道开裂、片帮、剥落等现象 ，部分节理发育地 段 ，发 生 了抽条 冒顶 ，把 整个 进路 全部堵 死 。 本 次地 压 活动 引 起 的 高 应 力 区 集 中在 5 4 5 0 ～ 5 5 0 0 和7 7 0 0 ～7 7 5 0 坐标线 之 间的 区域 内 ，从 1 1 0 mT g平 以下 ，形 成 了一条 逐 渐 变 宽 的高 应 力 条带 。从 采空 区位 置分 析 ，这 一条 带 的压力来 源 于上覆岩层的整体岩移 ，使保安矿柱及其周围矿 岩体承受的压力急剧增大，岩移的巨大压力通过 采空区拱脚、保安矿柱 及相对应的岩柱传下来 ， 集中作用在其下 未开采 的矿 体上，形成 高应力 区 。 高 应力 区强烈 的地压 活动使 许多 巷道堵 塞报 废 ，由此 造 成 了 严 重 的采 准 工 程 报 废 和 矿 量 损 失 ，并对 8 9 m以下 各 分 段 的 回采 产 生 了严 重 影 响 损 失 的矿量见 表 2 。 表 2 中区8 O m中段地压损失矿量 3 卸压开采方案技术思路 在 7 线 北 大采 空 区 冒透 地 表 后 ，攻 关 组 随 即预测出保安矿柱附近将会很快出现高应力 区， 而且保安矿柱的存在将支撑上覆岩体、阻碍其向 塌 陷 区 正 常 塌 落 ，并 积 蓄 岩 体 的崩 落 能 量 。 为 此 ，提出了强采保安矿柱的技术措施 ，以便消除 集 中应力和促使顶板围岩平稳冒落 ，但在回采过 程 中只强采 了1 1 0 m水 平 4 与 5 进 路 的一部分 ， 其更 大 部 分 连 同 6 进 路 就 被 高 应 力 压 垮 图 2 。 - - N 2 } 】 1 0 9 8 7 6 5 4 3 ] 】 一 ．j 区边 界 、＼ 耐 果 边界 f 、 0 厂 ，一 浮渣 断缗 一 、√ ／气 、- 6 ／ 一 ／ ， ／ 1 ／ ．4 _ 1． ． ． ， ‘ ‘一 一 图 1 冒落前采空 区形态 示意图 图 2 1 1 O m水平保安矿柱地压破坏范 围 与此 同时保安矿柱之下及其附近的高应力区 岩 体 ，也 有 明显 地压显 现 ，表 现为巷 道 变形使 节 理面张开 ，露出密集的节理裂隙 ，使岩体呈现出 碎裂 结 构 ，8 0 m水 平 运 输 巷 道 持 续 收缩 。 鉴 于 这 一情 况 ，攻关 组认 真分 析 了岩体稳 定 性分 布状 态与地压变化趋势 ，探索了采矿方法及卸压顺序 等一系列技术问题。认 为，高应力区矿体的正常 回采 ，归根 结底 是如 何卸 压 的 问题 ，若 这一 问题 解决不好 ，将会损失较大矿量 ，并给下分段后续 采 矿 带来 极 大困难 。经 比较采 矿 方法 ，认 为无 底 柱 分 段崩 落法 依然不 失 为最好 的卸压 采矿 方法 之 一 ，因为无底 柱分 段崩 落法进 路 间距 大 ，有利 于 对碎裂岩体提供较大的支撑 ，并 以此为基础 ，提 出 了9 9 m分 段卸载 、8 9 m分 段 回收 的技术 思 路 。 但在实施过程中由于持续较大的地压活动， 造成9 9 m分 段 完 成 的 大 部 分 进 路 遭 到 破 坏 ，使 原 计划 在本 分段 崩落卸 载 的 目的难 以实 现 。经研 究将原方案调整 为9 9 m分段辅助 卸载 ，8 9 m分 段全面卸压。并初步拟定了 3项技术措施 为适应 巷道 压力 大 、变形 大 的特 点 ，回 采进路采用喷锚网联合支护 ，同时配备 U 型可 收缩式支架 ，对局部围岩特别是破碎变形大的部 瑚 瑚 啪 蚰 维普资讯 2 0 矿 业 工 程 第 1 卷第 4 期 位进行 二 次支 护 。 确保 8 9 m分 段 三 联 巷 不 被 破 坏 ，以 此 崩落回采其上9 9 m分 段的三联巷并卸掉下 传压 力 。 尽 量 缩 短 8 9 m水 平 进 路 的 存 留 时 间 ， 分 3步 开采 1 ～ 1 0 进路 。 即将 已经 存 在 的 7 ～ 1 0 进路 作 为一个 独 立 的 回采 单 元 ，以梯 段工 作面退采 ；1 ～3 进路作为一个独立的 回采单 元 ，先强 掘强 采 2 进 路 ，并 大 量放 出矿 石 ，用 以部 分卸 掉 相 邻 的 3 进 路 与 l 进 路 上 部 的 压 力 ，之 后再 开掘 1 进 路和恢 复 3 进 路 ，整个 单 元呈 “ v” 型 工 作 面 退 采 。4 ～6 进 路 作 为 一 个独立 的 回采单 元 ，以进路 为单元 组织 回采 ，用 前一 进路 的大 量 出矿 为后一 进路 松动 卸压 。 为尽可能多地 回收矿石 ，将地压的严重破坏 有效地控制 在8 9 m分段 ，攻关组在原技术方 案 上 ，又 提 出了 3条技 术措施 尽 量拖 后 相 应 部 位 7 7 m分 段 进 路 的施 工时 间 ，争 取 7 7 m分 段 绝 大 部 分 采 准 工 程 在 8 9 m分 段 卸 载 后再 施 工 。 同 时 ，尽 量 扩 大 9 9 m 分段 的卸 载范 围 ，力争8 9 m分段 全面 卸载 。 对8 9 m分段强 掘强采 ，将喷锚 网支 护 全部 改为 U 型可 收缩 式金 属支架 支护 。 攻克巷道过散体层技术 ，恢复已经冒落 的 3 与 4 进路 ，并 用 之大量 出矿 。 为此 ，设 计 了超前锚杆 一金属支架加插板方案、前插木板 一 木棚架方案 、预注浆胶结散体方案和崩落与出矿 松动技术措施 方案等 8 9 m分段地 压破坏部位 见 图 3 。 圈 3 8 9 m分段地压破坏部位 4 卸载方案 的实施及效果评价 4 ． 1 9 9 m分段 辅助 卸载 现场观察发现 ，9 9 m分段 冒落 部位岩体 已 经被 高应力 压 碎 ，出矿 时 表 现 出 散体 流 动 现 象 ， 即从 进路 口出不 空 。此 时 ，出矿 引起采 场 内部 的 散体 的下 降速度 为 V z e X P 一 1 u 径 向位移 速度 为 e x p“O r P 一 2 式 中q 单 位时 间 放 出量 ；a ，卢 散 体 流 动参数 ； r 柱 坐 标 的径 向值 ；z 柱 坐 标 的高 度值 。 由于在 移 动 中 发生 松 散 ，由 此形 成 松 动 体 。 对宏 观位 移来说 ，有效 松动 范 围为 R3 3 对于释放碎裂体压力来说 ，释放压力的有效 范 围 比宏观 位 移 上 的 有 效松 动范 围更 大 。 因此 ， 适 当增大放矿量 以增大松动体 ，可释放附近碎裂 岩体 的压 力 。基 于 这 一 认 识 ，从 9 9 m分 段 下 盘 侧冒落部位 的进路 口，进行了大量放矿并开始回 采剩余进路与三 联巷 ，回采结 束后形成 了宽约 2 0 m、长 约 1 0 0 m的 卸 压 带 ， 同时 采 出 矿 量 2 ． 4 万 t 左右 。 4 ． 2 8 9 m 分 段 强力崩 落卸 载 对 于一 联巷 冒落 的矿 量 ，从 7 1 采 场 的 7 、 8 进 路 附 近 的 一 联 巷 口 ，进 行 了大 量 放 矿 。 同 时根 据 地 压 活 动 状 况 ，将 8 9 m水 平 7 1 采 场 划 分 为 3个 区域 实施 3个 阶段 回收 。 第一 阶段 是 回采 7 ～ 1 0 进 路 。 按 1 0 一 7 的顺 序 ，呈 阶梯 状 工作 面 退 采。因其 上 部 9 9 m分段已大部分 回采 ，直接下传压力 不是很 大 ，因此 ，因地 制 宜 采 用 了 U 型可 收 缩 式 金 属 支架加强支护充分回收方案 ，这一措施有效地阻 止了 巷道 的破 坏 图 4 ，为 进 路 的 大 量 出矿 提 供 了保 证 。 对于 1 ～3 进 路 的 回采 工 作 ，因 矿 岩 极 度 破碎 ，无法掘进成巷，为避免不必要的工程浪费 并考虑到该部位矿体在7 7 m分段有较 大范围的 出露 图5 ， 因此 ， 将 该 部 位 的卸 载 工 作 与 矿 维普资讯 2 0 0 3 年 第 4 期 王喜兵 等 高应 力区卸压开采方法研 究 2 1 图 4 U型可收缩式 金属支架的支护状 态 量回采都转移到7 7 m分段进行 。 对 4 ～6 进 路 的矿 体 回采 ，利 用 9 9 m分 段 大放矿 局 部 松 动卸 压有 利 条件 ，设 计 从 6 进 路 向 4 进 路掘 进 3条 斜 进 路 ，采 取 了 中深 孔 和潜 孔半 强 制崩落 、半 自然 冒落 的 回采 方案 回采工 程位 置 与9 9 m分 段 回采工程 的对 应关 系见 图 6 。 悬 拱 冒落速度 与 时间关 系见 图 7 。 ／ ／ F e ／／／ ／ ， s ．一2 ．进路 J ， ／ ／ 图 5 8 9 m分段 2 进 路 纵剖 面 图 图 6 斜进路布置与9 9 m分段 工程对应位置关 系 1 2h 4 h 图 7 悬拱 冒落速度 与时间关 系 由图 7可以看 出，每一悬拱冒落到最后 ，等 待 时 间反而 加大 ，这是 因为趋 向于 形成新 的 平衡 拱 。此时便 需要 进行 下一 轮爆 破 以破坏 拱基 ，形 成下 一轮 冒落 。 通过半强制崩落 、半 自然 冒落技术，不但回 收 了本 分 段 大 部 分 矿 量 ，还 回 收 了9 9 m分 段 的 部分 矿量 ，达 到 了在 8 9 m分 段强 力卸 压 的 目的 。 4 ． 3调 整7 7 m分段 回 采循 序 全面 卸载 8 9 m分 段 一联 及 斜 进 路 和 7 ～ 1 0 进 路 的 巷 冒落 区大量 出矿 ，使 该 区域 内的 高应力 得 以大 量 释放 。但 2 进路 以及 接 近一 联巷 侧 的 3 ～5 进 路 的压 力 ，并 没 有 得 到 根 本 性 的 释 放 ，为 此 ， 在 开采7 7 m分段 时 ，改变 了 3 ～5 进路 的切 割 方式 图 8 ，在高应 力 区边缘 部 位 设 置切 割 槽 ， 把这 3条进 路分 为两 部分 回采 。先 掘进 回采 靠近 一 联巷 的 高应力 部分 ，后 掘进 回采 靠 近三联 巷部 分 。3条进路 同步 回采 ，设 计 崩 矿高 度 1 8 m，该 采场 的 回采不仅 较好 地 回采 了本分 段 的矿量 ，而 且 大量地 接收 了上分 段 的残 留矿量 。 图 8 7 7 m分 段 采 准 工 程 布 置 综上 所述 ，由 于西 石 门铁 矿 7 线 以南 采 空 区上覆 岩体 的大规 模 岩移 ，产 生 了高应 力 区 ，造 成 1 1 0 、 9 9 与 8 9 m分 段 采 准 工 程 的 大 规 模 破 坏 表 3 地压损 失区及高 压力区回采矿石量 维普资讯 2 2 矿 业 工 程 M i n i ng En g i n e e r i ng 第 1卷第 4期 2 0 0 3年 8月 倾斜脉状 薄矿体开采方法 的研 究 伍衡 山 招 国栋 李 超 刘培 云 李 乐云 1 ． 南华大学 ；2． 水 口山矿物局柏坊铜矿 ，湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 摘 要 某铜 矿在矿区南 部探边扫盲时 ，探获 了与原主矿体赋存状态 截然不同 的倾斜 薄矿脉 ；其产 状变化大 ，开采条件较复杂。根据矿脉地质条件 的不 同，探讨了改进型的采矿方法 ，即房柱全面矿块 空场 采矿法和分段空场 留矿法 ，并获满意效果 。该采矿方法 的成功应用 ，将对该矿 山或 同类倾斜 薄矿 脉的开采具有一定 的指导意义 。 关键词 倾斜薄矿脉 ；采矿法 ；空场 留矿法 中图分类号 T D 8 5 2 ． 2 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 8 5 5 0 2 0 0 3 0 4 0 0 2 2 0 3 1概 况 某 铜矿 是一 个 以矿 体小 而 富 闻名 的中小 型矿 山 ，由于矿 岩稳 固性 普遍 较差 ，因此 ，主要 采用 胶结 充填 法 采 矿 。该 矿 经过 4 0多 年 的 开 采 ，现 已进入末期 ，资源枯竭成 为困扰矿 山的主要难 题 。为 了寻 找 新 的 接 替 资 源 ，延 长 矿 山 服 务 年 限 ，近 几年 来 ，进行 了大 量 的探边 扫盲 和外 围找 矿 工 作 ， 1 9 9 9 年 在 矿 区 南 部 探 获 了规 模 较 大 的 收稿 日期 2 0 0 3 0 4 0 8 作 者简介 伍衡 山 1 9 6 4一 ，男 汉族 ，湖南 祁 阳人，南华 大学教务处 副处 长，副教授 ，硕士生导师。 脉状 富辉铜 矿体 ，其矿 石 总 储 量超 过 6万 t ，铜 金 属量达 5 0 0 0 t ，这对 于一 个硐 老 山空的老矿 山 来 说无 疑是一个 巨大 的收 获。这些 矿体 均为倾 斜 薄矿脉 ，矿脉平 均厚度仅0 ． 5 m左右 ，大部分产 于壶 天 群 完 整 灰 岩 之 中 ，矿 岩稳 固 性好 f6 ～ 1 0 ，但 产状变 化大 ，膨大缩 小、分枝 复合、 尖 灭再 现现象 严重 ，给采矿 方法 的选 择带来 了一 定 的 困难 。近年来 ，对 这 些矿体 的采 矿方法 进行 了探索 ，取 得 了一些 有益 的经 验 。 2采矿方 法 2 ． 1 采矿 方法 的 比选 对于倾角小于 3 0 。 的缓倾斜薄矿脉 目前 国内 和矿 量 损失 。通 过技术 攻关 ，采 取 有效支 护 ，崩 落 支承 柱与 大量 放矿 松动卸 压及 合 理调 整 回采顺 序等综合技术措施 ，卸掉了高应力区的破坏性地 压 ，保 证 了7 7 m及 以下 各 分 段 的正 常 开 采 ，有 效 地减 少 了地压 活动 对 回采作业 的影 响 ，并 大量 地 回收 了 因 地 压 活 动 而损 失 的矿 量 见 表 3 。 实 践 表明卸 压开 采方 案是 成功 的 。 更重 要 的是 ，通过 “ 高 应力 区开 采技术 实验 研究” ，为西石 门铁矿找到了开采高应力区矿体 的有效方法 ，经济效益和社会效益显著，可为类 似矿山提供参考。 S t u d y o f s t r e s s - r e l e a s i n g mi ni n g m e t h o d i n hi g h- s t r e s s z o n e WANG Xi - b i n g ，WANG Ha i - j u n H a n d a n a n d X i n g t a i A d mi n i s t r a t i o n o f Me t a l l i c Mi n e s ，Ha n d a n 0 5 6 0 3 2 ，C h i n a Ab s t r a c t I n Xi s h i me n I r o n Or e M i n e ，t h e r e i s a h i g h s t r e s s z o n e wh i c h i s u n f a v o r a b l e f o r s a f e mi nin g．Ac c o r d i n g t o t h e c o nd i t i o n s o f t h e zo n e， e f f e c t i v e me a s u r es s u c h a s e f f i c i e nt s u p po r t i ng， pi l l a r s a ga i n s t c ol l a p s e ，l a r g e v o l u me o r e d r a wi n g， a p p r o p r i a t e a d j u s t me n t o f mi n i n g s e q u e n c es a r e a d o p t e d t o r e l e a s e h i g h s t r e s s ． By t h ese mean s ，t h e saf e mi n i n g i s e nsu r e d a n d a la r ge a mo u nt o f i r o n o r e i s r e c ov e r e d． Ke y wo r d s h i g h s t r e s s zo n e ； s t r a t a ； p r e s s u r e ；s t r e s s r e le a s i n g mi nin g me t h o d 维普资讯