建筑物下采矿可行性研究.pdf

第2 6 卷 第2 期 2 0 0 4 年 6 月 武汉化工学院学报 J ． W u h a n I n s t ． Che m．Te c h Vo 1 ． 2 6 No． 2 J u n ． 2 0 0 4 文 章编 号 1 0 0 4 4 7 3 6 2 0 0 4 0 2 0 0 3 5 0 4 建筑物 下采矿 可行性 研 究 金小田 ， 张电吉 ， 金世伦2 ， 谢世禄 ， 张世斌 1 ． 武汉化 工学院环境与城 市建设 学院， 湖北 武 汉 4 3 0 0 7 3 ； 2 ． 昌达化 学工业公 司樟村 坪磷 矿 ， 湖 北 宜昌 4 4 3 1 0 0 摘 要 通过 对樟 村 坪磷 矿 地质环 境 的分 析 ， 研 究 了在 一定 条件 下 ， 开采 建筑 物 下 矿体 时不 留保安 矿柱 的可 能 性 和可 行 性 ， 探讨 了按松 散 系数计 算 安全 深度 的原理 和方 法 ． 关键 词 地下 开采 ； 保安 矿 柱 ； 松散 系 数 ； 安全 深 度 中 图分类 号 T Q1 7 4 ． 7 5 9 文献 标识 码 A 0 引 言 湖北 省是磷 资源大省 ， P O 总储量 约 1 l 亿 吨 ， 主要集 中在 宜 昌地 区 ， 统 称为宜 昌磷 矿 区． 宜 昌磷 矿 区现 有各类采矿 实体近百个 ， 开采 中， 常常 留有 大量 的 矿柱 以保 护 地表 建筑 物 的安全 ． 以樟 村坪 磷矿 为例 ， 一期 工程采矿 已接近尾声 ， 遗 留的保安 矿柱矿 量达1 6 O ～1 8 0 万吨． 如果 能部 分 回收 ， 按 回 收率 6 O 计 算 ， 2 0 0 3 年磷矿 平均销售 价1 0 0 元／ 吨 ， 潜在 产值 超过 1 ． O 亿． 若 应用 到整 个磷 矿 区 ， 效益 十分可观． 如果不 回收 ， 地 下资源 不能得到充 分 回 收利用 ， 缩短 了矿山的服务 年限 ， 提高 了单位 矿石 的成 本 ， 使工作 面安排极为 困难 ． 本文就建筑 物下开采保安矿 柱 的可行性 进行 研究 ． 1 矿 山概 况 1 ． 1 矿 区地质概 况 樟 村坪磷矿 位于湖北省宜 昌市夷 陵区樟村坪 镇 境 内 ， 东邻 丁家河 矿 区 ， 西 接店 子 坪矿 区 ， 北 与 粟 西 矿 区为邻 ， 南 以 F 1 大 断裂 为界． 本 矿 段地 形 为一独立的南北走 向的 山岭 ， 南宽北 狭 ， 西坡陡而 东坡 较缓 ， 四周深切 ， 比高达4 0 0 m 见图1 ． 矿段 为一 走 向南北 ， 向东倾 斜 的平缓 的单 斜 构造 ， 倾 角5 。 ～8 。 见 图2 ， 褶 皱 不发 育 ， 矿段 内有 北西 向和北 东 向两组 断裂构 造． 设计 范 围内的 F 1 断层 樟 村坪大断裂 走向北西 1 1 O 。 ～2 9 0 。 ． 倾 向 北东 2 0 。 ， 倾 角5 2 。 ～ 6 2 。 ． 破碎带宽8 ～3 2 m． 这一 高角度正断层 F 1 构 成矿段的南部边界 ] ． 矿段 主要含 水层 为顶 板 中厚层 白云岩． 该层 含裂隙 弱承压水 ． 属 中等透 水的弱含水层 ， 是矿 坑 充水 的主要 含水层． 矿 段 四周被 沟谷切割 ， 地表水 和矿段 内地下 水无 水 力联 系 ， 地表 径流 和地 下水 排泄 条件 良好 ， 水 文地质 条件简单 ． 矿段 内岩层层 位 关 系 见表 1 ． C i 、 ； 、 蔓 ≈ ” ． 麓 ≥ }、 ’ ‘ ● 、 v } 、 。 。 i ． t l 、 一 ， t 1 ．r ，／ ● ◇ ‘ 、 ； ’ 。～ ． 二 、 、 ● 1 ． ’ 、 一 一i 。开采移动带 一 剖面线 口民 房 图l开 采移 动 带示 意 图 Fi g ． 1 Ca v e i n l i mi t f o r mi n i n g s k e t c h l 8 000 6 42 00 6 460 0 l 00 0 J 『 ／ m 一 体 ／地形线 口 件宅范m 图 2矿体 产 状 示意 图 Fi g． 2 De po s i t s e c t i o n s ke t ch 收 稿 日期 2 0 0 3 - 0 9 2 6 作者 简 介 金 小田 1 9 4 5 一 ， 男 ． 满族 ． 北 京市 人 ， 副教授 ． 主要 研究 方向 地下 开 采 与交通 土建 工 程． O O O O O 姗 瑚 瑚 维普资讯 3 6 武 汉化 工 学院 学报 第 2 6 卷 陡 山 灰黑 色薄 层一 中厚 层 白云 岩 隐 品质及 碎屑 结构 ， 层问 夹薄层 紫红 色 白云质泥 岩 及燧石 结 O ～ l 2 核 ， 偶见 磷块 岩细条 带和 黄铁 矿结核 深 灰色 、 黑 色 白云岩 薄层 至 中厚层 ． 微粒 及隐 晶结构 ， 含燧 石扁 豆体 ． 扁豆 体在下 部多 而大 ， 上部 少而小 ， 断续 出现 2 9 3 5 砣P h i 。 一 白 云质 磷 块孝 虫鱼 墨堂 萱皇 堕 堡 竺 堂 墨堕 塑 望 壁 堂 墨堕 堡 堕 墨亘 塑 堕，少 二 组 底 砾 岩 浅灰 、 灰 黄 、 灰绿 色 ， 块 状 下 伏地 层 前震 旦系 空岭群 变质 岩 l 2 O ～ 1 6 0 1 ． 2 开 采技术条 件 1 ． 2 ． 1 矿 岩性 能根据 开采实测资料 ， 爆 破后块 度 1 0 c m 左 右 ， 松 散 系数 为1 ． 6 5 ； 自然 安 息 角 为 3 8 。 ． 顶底版属稳定类型． 1 ． 2 ． 2 矿岩 主要 力学指 标 矿岩 主要 力学 指标 见表2 ． 表 2 矿岩 主 要 力学 指标 Ta b l e 2 I m p o r t a n t me c h a n i c s t a r g e t o f r o c k 1 ． 2 ． 3 开 采技 术 条 件 矿 段 内 主要 工 业 矿 层 P h i 3 赋存在第 一含磷层 顶部 ， 矿层呈层状 ， 走 向南 北 ， 向东 倾斜 ， 倾 角 5 。 ～1 5 。 ． P h 。 。 厚 3 ． 8 4 ～ 1 4 ． 1 5 m， 平 均厚 度 6 ． 4 3 m， 分 布标 高 9 1 5 ～1 0 8 5 m， 位 于 当地侵 蚀基 准 面 以上． P h 。 。 矿层 分 为三 个 自然 分层 即三种 自然类 型 a ． P h 。 。 。 白云 质磷 块 岩 ， 位 于 P h 。 。 的上 部 ， 厚 0 ～2 ． 4 5 m， 平 均厚 度0 ． 9 2 m， P O 含量 8 ． 1 5 ～ 2 9 ． 3 5 ， 平 均1 9 ． 0 3 ． b ． P h 。 。 致密状 和假鲕状磷块 岩 ， 位于 P h 。 的 中部 ， 厚 0 ～ 3 ． 6 3 m． 平均 厚 度 1 ． 5 0 m． P O 含 量 3 0 ． 6 2 ～3 6 ． 5 4 9 ／ 5 ， 平 均 3 3 ． 1 9 ， 为矿 山的 主采 矿 层 ． c ． P h 。 。 。 。 ， 泥 质 磷 块 岩 ， 位 于 P h 。 。 的 底 部 ， 厚 2 ． 5 3 ～1 0 ． 8 4 m， 平 均厚 4 ． 7 8 m， P 2 O5 含量8 ． 5 3 ％ ～ 2 1 ． 0 8 9 ／ 5 ， 平 均1 4 ． 1 2 ． 泥 质磷 块 岩 因品位低 ， 设计不考 虑开采． 1 ． 3矿 山生产现状 本 矿采用平 硐开拓 ， 脉 内采准 ， 全面采矿法开 采 ， 开 采厚 度约 2 ． 0 m． 由于本 矿为单 一采矿 型企 业 没有选矿 厂 ， 采出原 矿即作为商 品矿销售． 保 证 地质 品位 ， 控制开 采贫化 是企业 生 产的 主要 方 针和管理原则． 按 此要 求并考虑到生产安全 、 市场 需 求 等 情 况 ，目前 矿 山 主 采 P h 。 ， 部 分 带 采 维普资讯 第 2 期 金小 田等 建筑 物 下采 矿可 行性 研究 3 7 P h 。 ， 方能保证产 品质量． 矿 山在 生产过 程 中， 把原设计 的脉外 采准 工 程改为脉 内采准 ， 大大降低 了成本 ， 唯一不足 之处 是生产 能力难 于充分 发挥 ． 2 地 表 建 筑 物 调 查及 测定 此 次研究 对二期工程 范围 内地表建筑物 的结 构及使 用频 度 ， 建筑 物 的准确 坐标 和 高程 等进 行 了调查及测定 ． 2 ． 1调查范 围及调 查 内容 2 ． 1 ． 1 调 查范 围 调查 主要 涉及地 表移 动带 范 围内 的罗家屋 场 、 胡家屋 场 、 边家 屋场 、 郑 家屋 场 及少量零 星建筑 ； 对 于地表裂缝也进行 了调查 、 测 量． 2 ． 1 ． 2 调 查 内容地表 建筑 物 的坐标 、 高 程 ； 采 矿对地 表的影响 ； 爆破 对地表建筑物 的影响 ； 地表 裂缝形成 的原 因和影 响； 2 ． 2调查 结果 2 ． 2 ． 1 调 查方 法与现 状 a ． 测量 使 用全 站仪 ， 利 用巷道基 准点 作为 已知点 ， 采用数 字测 量方 法 获取各建筑物 的三维坐标 ， 得到测 区数 字地图． 将 测 图与原 图比对 ， 建筑物 的坐标 、 高程误差在工 程 允许范 围之 内． b ． 踏勘 建筑物 大都是土墙 、 平房 ， 仅胡家 屋场 附近有一栋砖房 ， 房屋新 旧程度不 一 ， 以七 、 八 十年代建筑 居 多 ， 房 屋 的利用 率不 高． 有 的土墙 存在 不同程度 的裂缝 经分析 ， 属于土墙使 用过 程 中的正常干 裂 ． 地表 裂缝延 长 约5 4 m， 可 探深度0 ． 5 m， 裂缝陈 旧． 2 ． 2 ． 2 调 查结果a ． 测量 精度 完全 可 以满足工 程要求 ． b ． 矿 山地形 图上建筑物 的坐标 、 高程 的误 差在 工 程允许 范 围之 内． c ． 井 下爆 破 时地 表有 震 感属正 常现 象 ， 远未达 到引起破坏 的域 值． d ． 地表 的裂缝 是断裂带影响 的显现 ， 据推 断 ， 是陈 旧性 古 裂缝 ， 不是采矿活动所致 ． e ． 二期工程 开采范 围内 矿 体上部覆 岩厚度 最薄处 约 为6 5 m， 平 均覆 岩厚 度 为8 0 ～1 2 0 m 见 图2 ． 3 地 下爆 破 对 地 表 建 筑物 影 响 分 析 3 ． 1 爆 破 作 用 圈 地下爆 破 引起地 表建 筑物 地基 的振动 水平 ， 与炸 药种类 、 爆 破药 量 、 起爆方 法 、 爆破 地点 的岩 石性质 、 地 基 的建成状 态及 其 弹性性质 等 因素有 关 ． 当具有 一定 重量 的药包 在 无限介质 内部爆 炸 时 ， 在爆 炸力作用下 ， 距离药包 中心不同区域 的介 质 ， 受到 的作 用力不 同而 产 生不 同程 度 的破坏 和 振动现 象 ， 此现象 随距 药包 中心距 离的增 大而 逐 渐 消失． 此爆破影 响范 围被 称为爆破作用 圈_ z 3 ． 爆破作 用圈 的经验 计算公式 如下 R 一 K Qm 1 式 中 R 爆破 作用圈半 径 ， m； Q药 包重量 ， k g ； K 与地 质条件有关 的常数 ， 见 表3 ． 对 于药 包 重 量 为 3 0 k g的爆 破 区段 ， 根据 经 验公式 1 计算 ， 其爆破 作用圈半径见表 3 ． 表3 K 值 范 围及 爆破 作 用 圈半径 Ta b l e 3 Li m i t o f K ， a n d r a d i u s o f e x p l o d i ng f u n c t i o n 3 ． 2 采矿生产爆 破对地表 影响分析 据矿 山 资料 ， 采矿 生 产一 次消耗 炸药 量不 足 3 O k g ． 按 3 0 k g药 量 计 算 ， 距 离 爆 破 点 7 ． 4 6 ～ 6 2 ． 2 0 m 范 围 内的地 面建 筑物 位 于破 坏圈 外 、 振 动 圈内 见 表 1 ， 有 可 能受 到采 矿 爆 破振 动 的影 响 ， 但还 不至 于导致 破 坏． 需要 说 明的是 经验 公 式 1 中的炸药量指 的是一次齐发爆 破的药量 ， 而 矿 山生产 中是用 火雷 管起爆 的分 段爆 破 ， 即齐 发 爆 破 的药量 小 于5 k g ． 根 据经 验公 式并 取最 大参 数 ， 计 算 可 知 其振 动 圈半 径 为3 4 m， 远小 于 采 场 上部 的覆岩厚度 ． 所 以 目前 的生产爆 破 ， 爆破 振动 不会对地表建 筑物产生破 坏性影响． 4 研 究 结 论 4 ． 1安全深度的分 析 4 ． 1 ． 1 安全 深度 的定 义某 深度处 地 下开采 不 致引起地表岩 体移动时 ， 称 此深度 为安全深度． 安 全深度与矿 体埋 藏深度 、 开采厚度 、 矿岩物理 力学 性质关系密切 ． 4 ． 1 ． 2安全 深度 的分析岩 石可 以承受 上覆 岩 体 巨大 的静 压力 且 变形极 小 ， 此静 压力对 岩石 的 挤压破坏 比爆 破对岩石 的挤压破坏要小很 多__ 4 ] ． 采空 区顶板 初始 冒落 时 ， 冒落体 可以充分松散 ， 直 至接顶． 在其后较 长时 间内 几个月到几年甚 至几 十年 ， 冒落体 内部 空隙减少 ， 将逐 步沉降压紧 ， 随 后其 上将 有少量 冒落 以填充原 冒落体 压实后 新形 成 的空 间． 任 何 矿岩破 碎后 也绝对 不 可能再 压实 到原岩 密度而 永远 存在一 个碎 胀 系数 ， 且 冒落体 逐 步沉降压紧后 的最终 松散系数必定 大于挤压爆 破 的松 散系数 1 ． 1 ～ 1 ． 4 ， 取 最小值 1 ． 1 ． 为 了保 证 生产 的安全 和保护 地 表建筑 物 的稳 定 ， 应该按 采 空 区顶板 冒落后 再压实的情况来考虑采空 区的影 维普资讯 3 8 武 汉 化工 学 院学报 第 2 6 卷 响范围 ， 确 定采矿 的安 全深度． 4 ． 2樟村 坪磷矿 的安 全深度 樟村坪 磷矿矿石 松散 系数1 ． 6 5 计 ， 开采厚度2 m， 设 冒落 X m 可 充 满采空 区 ， 实现接顶 ， 则 1 ． 6 5 X一2 十X， 即 X一2 ／ 0 ． 6 5 3 ． 1 m， 因此 ， 冒落3 ． 1 m 就可 以实 现接顶 ． 但其 后 冒落体将 逐 步压 实而 出现新 的空间 ， 上部会 产生新 的 冒落． 类 比国 内外 矿 山三 下开 采实例 ， 考 虑樟 村 坪 磷矿 地质 和 岩石 力学 的特 定条 件 ， 根据 调查 资料 和研究 结果 ， 综合前 述分析 ， 建议 本矿采 空 区顶 板 冒落后再 压实 的最 终碎胀 系数取挤压爆破 的最 小 碎胀 系数 1 ． 1 ， 并按 此 系数 确定安 全深 度． 小 于安 全深 度的 矿段 开采 时设 保 安矿柱 ， 大 于安 全深 度 的矿段 按正常 矿段设计 开采 ， 不 必设保 安矿柱． 取 矿 山采 空区顶板 冒落再压 实后 的碎胀 系数 c U 一1 ． 1 ， 开采厚 度 平均 取 h一2 ． 0 m， 则顶 板 冒落 至接顶 支撑 ， 而不影 响地 表的最小厚度 Ⅳ 为 H 一 c U ／ c U 一 1 一2 ． 0 1 ．1 ／ 1 ． 1 1 一2 2 m 此数 值 小 于前 述 一 次齐 发爆 破5 k g时 所 要 求 的最 小安全 距离3 4 m， 因而是 安全的． 从 图1 、 图2 可见 ， 几 片民房区下面的覆 岩厚 度 都大 于6 0 m， 按 以上 研究 结 果判 断 ， 地 下 开采 不 会 引起 地表破坏 ， 可 以不 考虑保安矿柱． 5 几点建议 F1 断层 以北 ， X一6 4 8 O O m 以南 的矿段 地 下 开采 可 以按正 常矿段设计开采 ， 不必 留保 安矿柱． 其它范 围可 参照 “ 湖北 昌达化学 工业公 司樟 村坪 磷矿 房屋 下保安矿 柱设计说 明书 ” 湖北 宜昌樟 村坪磷矿 金世 伦 、 谢世 录 等 执行． 九二 矿保 安矿柱 设计说 明书 湖北宜 昌 樟村 坪磷矿 张智勇 、 谢 世录等 设计 合理 ， 可继 续 执行 ． 根据此 次研 究 结果 ， 建议 采深 大 于6 0 m 的 块段 可以不设保安矿柱 ． 樟 村坪磷 矿 山坡保 安矿 柱安 全 开采可行 性 研究 冶金工业部 长沙矿 冶研究 院 马光等 ； 湖北 宜昌樟 村坪磷 矿 张学骏 、 金世伦 理论 性强 ， 应继 续 以此为 参考设 计边 界矿 柱 和矿房 矿柱． 本 矿 区 的边界矿 柱不可省略． 矿 方应 与矿 区相关 人 员进行 交流 ， 以增 强理 解 、 消除 疑虑． 矿 方 每年 对 各屋 场 进行 必 要 的察 访 ， 及时 掌握屋场 的使用频度及 荷载变化情况 ， 了 解采矿 可能的影响． 参考文献 [ 1 ] 温 子祯， 张智 勇， 王 军 ， 等． 宜 昌磷矿樟村 坪矿 区 第 三矿段详细勘探储量报告E R] 。 宜 昌 湖北省第七 地 质 大队 ， 1 9 7 6 ． [ 2 ] 王德胜． 爆破振动安全标准的研究E J ] ． 有色金属 矿 山部 分 ， 1 9 9 5 ， 3 4 7 4 9 ． [ 3 ] 廖大学 ， 宋光明 ， 史 秀志． 爆破地震振动危害及评价 方 法 的探 讨 E J ] ． 世 界采 矿快 报 ， 1 9 9 9 ， 1 5 7 4 卜4 5 ． [ 4 ]边 克 信 ， 刘 殿 中． 采 矿 设 计 手 册 矿 床 开 采 卷 下 E M] ． 北京 中国建筑工业 出版社， I 9 8 7 ． E 5 ] 徐 小荷 ， 廖 国华， 林韵 梅 ， 等． 采矿 手册 第 二卷 E M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． A s t u dy o n t he f e a s i bi l i t y o f m i ni ng u nde r b u i l di ng s JI N Xi a ot i a n ， Z HANG Di a ni i 1 ， J I N S h i l u n 2 XI E S h i l u 2 ， ZHANG S h i b i n 2 1 ． S c ho o l o f Env i r o n m e n t a l a n d Ci v i l En g i n e e r i n g， W u h a n I ns t i t u t e o f Ch e m i c a l Te c h n o l o g y， W u h a n 4 3 0 0 7 3， Ch i n a 2 ． Z h a n g Cu n Pi ng Ph o s p h o r u s M i n e， Yi c h a ng 4 4 31 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t By a n a l y s i n g g e o l o g i c a l e n v i r o n me n t o f Zh a n g Cu n P i n g Ph o s p h o r u s M i n e ， t h e p o s s i b i l i t y a n d f e a s i bi l i t y of m i n i n g u nd e r bui l di ngs i n c e r t a i n c on di t i o ns w i t ho ut r e t a i n s a f e p os t s ha v e b e e n s t u di e d．The c a l c ul a t i ng pr i n c i p l e a nd m e t ho d o f m i ni ng s a f e d e pt h by l o o s e c o e f f i c i e nt ha v e be e n pr ob e d． Ke y wor dsun de r gr o un d mi ni ng； s a f e p o s t ； l o o s e c o e f f i c i e nt ； m i ni ng s af e de p t h 本 文 编 辑 传 一 点 维普资讯