现行采矿方法对丰山铜矿回采进路跨塌的影响.pdf

现 行 采 矿 方 法 对 丰 山 铜 矿 回 采 进 路 跨 塌 的 影 安全处丁祖 峻 提要丰山铜矿无底柱分段崩落法采辱 是该 矿主 要生 产医 l由 于圊 罟避路大量跨塌使 生产十分被动。过去虽曾 届绕矿岩稳固 性分类和 掘进 支护 方l法开展了 太 试验研究 ，随 着 开 采分段的 下降跨塌 的严重程度 却无减有增 。本 文通过现场调查和分析初步探 讨了无 底 柱分段崩落采矿 法特 点与采 区地压活动显现的必然联系，及其对 回采 进路 大量 跨塌的 影 响 。 以期对 该矿 寻求有 效的控制对策 并予 测评价其效果有所裨益。 一 、采区地形 地貌 及地质概 况 丰山铜矿位于 长江 中下辩成矿 带鄂赣接壤地段。 地质 史上的燕 山运动 使矿 区三叠 系 大 冶灰岩 发生 强烈裆皱 和断裂，火 成岩 侵入形成 1 ． 6 Kin 趵花 岗闪长囊 岩岩 株， 并在 火 成 岩岩体外侧形成矽 卡岩矿床， 即南缘和北缘二 个矿 带。 燕山 运动 以后矿区 以风 化剥 蚀 作用为主，构造运动进入相对平静阶段。由子火成岩抗风亿涟力甚差成 为洼地，使矿区 形 成 现在 三面环山的地 形地貌。 该矿无底 柱分 段崩 落法采 区位于南缘矿 带l O l 6 勘 探 线问，走 向长6 0 0 米。处于 占 矿 区铜 金属储量 一半 以上鼬 一号矿 体最膨 大富集的矽段 1 9 8 6 年将 l 1 线 以东 划 为 自然 崩落诸试 验矿 块 。 南缘矿 带走向近东 西，采 区内矿 休措 南山脚出露地 表，平 均 厚 度 4 0米。矿体从总体上倾向南西，与上盘地表山坡坡面呈斜交， - 矿体倾角6 0 ,- 8 0 。 。 采区 内矿岩稳 固性 主要受其结构类 型、受水鳃风化程度， 以及是否 构造 破碎 等三个 因素严格 控制。上盘太理岩岩 溶不 发育，从地表到深部均属 中等稳定或较稳 定 类 型。 矿 体 和 下 盘 花 岗闪长斑岩的稳同性在垂直剖面和平面上有明显差异． 0 m 标高以上 园风化 强烈，均 呈散体 或碎 裂结构，属不 稳定 或极不 稳定类型。 0 m至 一7 0 m标 高闽 下 盘接触带蚀变强烈，构造破碎带觅达3 o m，裂隙中斜长石风化为高岭土J矿体中的石榴 石透 辉石 矽 卡岩和硅 灰石 矽卡岩遇水 泥化。这些部位均属不 稳定类型。 一1 o 0 m标 高 末 受风 化水解作用，岩 体以银惯 块状 结构 为主，属 中等稳 定或较稳定类型。 、 此外采 区l 1 线 至 一1 1 线间的断裂横 切矿 体，倾 角7 0 8 O 。 ，破碎带霓度 亦达3 o 米，属不 稳定 或极不 稳定 类型。 23 ． ～ 响 ， 维普资讯 采区开采状况及回采进路垮塌特征 采区从1 9 7 1 年投产，近年 来出矿量 占垒矿4 O 以上。 已 经 回采 结 束4 8 m 、40m ， 3 2m、2 2 m、1 2 m、 0m、--l O re、一2 O m共 8个 分段。m3 0 m和一 4 O m 图 1二十 分段 尚在 生产 一5 0 m分段正在抓 紧切 割和 回采前 的准备工 作。 图 1 采区内 回采进 路均 垂直矿 体走 向布 置，间距 均为l o re，净 断 面为3 ． 8 x 3 ． 2 m 宽 高 用 喷射 混凝土或喷锚同联台支护。分段运输联巷和 开拓 、采 准巷道均 布置在 下盘 脉外。沿矿体厚度采取从上盘向下盘的回采顺序。沿矿体走向设计要求 从二翼向中央后 退式 回采 ，实 际为前进 后退结合式。由 于从 0m分段起往下1 5 1 6 线 坷矿 体下盘侧 突 出 厚大 ，各分段 运输联巷 为保持 与l 5 线以东部分 平直 使其位于矿体厚度 中央 浚矿称为 中 盘沿脉 ，此 间回采时要求 先沿 各进 路分别从 上下盘 向 “ 中盘 退 果， 然后 在 “ 中盘 沿脉内布置中深孔，从1 6 线往1 5 线退采。图 l中1 2 线至m1 3 线同原设计进路掘进几米就 胯 塌，后改掘 大致 沿脉方 向的进 路，但掘进 中巷道变形严重，能否 实 现 回 采 还 难 定 论。 采区开采 以来 回采进 路大量跨塌，不仅使 许多进 路 无法 回采 或 回采不 完全，使 形成 的备采矿量大量损失 见表 1 ，而且恶化了安全生产条件，使生产十分被动。 备采矿量 损失情况 0 m分段 一1 0 m分段 一2 0 m分段 一3 0 m分段 一4 O m分 殷 矿石 量 2 9 ． 1 7 3 3 ． 5 0 3 7 ． 9 0 4 5 。 3 2 4 7 ． 7 8 损失 金 属 量 2 6 ． 2 8 2 5 ． 2 0 2 6 ． 8 2 『 3 7 ． 4 9 4 3 ． 6 7 24 维普资讯 回采进 路跨塌 的特 征和规 律 l 、进路跨塌 顶板冒落的形式出现，冒落发生后若得不到及时有救的加固往往不 断 发展往上 冒透 上一分段 。 2、在矿 体走 向方 向各分 段回采进 路跨塌范 围随着 开采分段 下降而逐步 扩大 。 采 医开采 以来 回采进 路垮塌大致 集中分布 在 以下三个 区域 ①儿线 至-- I I 线阉。 泼 莲域开采 以来 从 上至下始终 普遍出现垮塌。②1 5 线至 1 6 线阉泼 区域 出现在 0 m及 以下 各 分 段。大致 以l 3 线为 中心 的垮 塌区。滨区域从1 2 m分段往下边界呈 台阶状逐渐 扩大妁 趋势十 分 明显。1 2 m和 0 m个分段1 3 线 以东4 0 m， 以西 2 0 m．一 1 O m和一2 0 m二 个 分 段 1 2 线至一1 3 线 间长约 1 5 0 m一3 O m和一4 0 m二个 分段 从一 儿线 至1 4 线周 长 约2 5 0 m范 围 内的进 路几乎每条垮塌 。 3、沿矿体 厚度 方 向回采进 路垮 塌地点大 多位于下盘 附近。 4、 随着开采 分段 下降， 回采进路垮塌耐 间提前 。 除l 5 1 6 线 间垮 塌都发生在进 路内回采 的过程中外，另二个垮塌 区 大致 以 0 m分段 为垮 塌意时间 的分界线。 0 m及以上分段垮塌也 都发 生在 回采 过程 中。 执--1 0 m 分 段往 下 1 1线至一 1 1 线 间几乎全部都提前垮塥在进 路掘进过程 中。一1 0 m和一2 O m二 个分 段 中位于上二 个分 段垮塌 医下方对应 区段的垮塌亦提前发生在进 路掘进过 程中。一3 O m和 一 4 O m二个 分段则几 乎全部垮塌在掘进 过程 中。且凡掘进 中垮塌 都发生在工作面 附 近。 三、采 区地 压亲源 殛特 征对进路垮塌的影 响 一 采 区地压来 源 丰 山矿 区地质史上燕 山运 动后构造运动相对 平静，矿体 又出露地 表， 故开采 以来构 造应力 已无 明显 表现。 矿岩 遇水膨胀 现象也不 明显 采 区内地压 来源主要有 以下三方 面。 l，进 路顶 板复盖 矿岩 的自重压力 浚压力可 按其厚度与容重 的乘积计算。采 区开采 以来 同时回采 分段故仅 1 2个， 故 浚压 力较 小。据 估算约为O ． 5 5 Mpa 。 2、松散复岩 的 自重压力 该压 力在采 区平 面分布不 均匀。静态条件下照太 压力可按 其厚度 与松散容重 乘积 计算。平均静压力可应用太沙基 K Te r z a g h i 关于散体地压类似方法推导1 公式 计算 [ 2 。 目前 塌陷坑内松散复岩 厚度8 0 1 0 0 m 一 1 1 线 以东 已辟为露天 采场 的排 土场 。据估算最大 静压力 约1 ． 5 1 ． 8 Mpa ，平 均静压力 达其6 O ％左 右。 3、采 区上盘岩层 的精移力 丰山铜矿于 1 9 8 9 年春发现采 区上盘 山坡l 3 线附近， 距垮 陷坑 边界 水 平 距 离 1 0 0 m 外 ，标 高为 1 3 6 m的一段 截洪 沟 浆砌片石 崩 塌 ，沟底错 动开裂，崩塌长 度 约S 0 m， 沟 的延 长方向与矿体走 向平行。其 两端还 可见 平行 于矿 体走向延长并逐 渐嚣近塌 陷坑 的 岩 移形迹，往东左一1 1 线臆入排土场中，往西在l 4 线至～1 4 线同臆入塌陷坑 内。这两年 雨 季井下1 2 ～1 3 线间 涌水量劂 增。这 些现象说明采 医上盘岩层 已移动，滑 体底 部已形成 贯通塌 陷坑 的断 裂面。 1 9 8 7 年在 --2 0 I l 1 分段进行进 路支护 试验时测得支架上 最大铅垂应力达5 1 ． 2 Kg ／ Cm。 25 维普资讯 约5 ． 0 2 Mp a．当对附近并无掘进或回采作业。按该处进路顶板复盖矿岩和 上 部 松 散复岩 厚度计 算其最大静压 力仅 2 MPn 左 右。笔者认为可能主要 是上盘滑移力未参加计 算的原因。 由于丰 山铜 矿没 有在 这方面进 行过专 门观 测和研 究 ． 特借鉴 苻 山铁 矿的情 况 。 该矿 为 矽卡岩磁铁矿床，矿体横剖面为形，7 7 0 m标高以上矿体上盘地形条件和采矿工艺与丰 山铜 矿类似，其矿岩稳固性 总体上比丰山铜矿 的采 区好 。从 1 9 6 9 年 以来 l 5 年 阃采 完1 O 个 分 段 分段高度均为t o m ，其问上盘山坡 出现 七条 以采动 区中心为 中心的圆弧 形崩落 带，辨 F 周 期性地 出现 四次大面积地压恬动， 使大量 回采进 路垮塌。 笔者据文献 [ 4 将 设矿 地表崩落带 出现 与井下大 面积 地压 恬动显现 的时阐和 位置列 入表 2 文献还认为 地表 岩 移 范围 明显扩大 并表现为 非匀速 状态时 Ⅲ Ⅱ 是 井下大 面积 地压活 动的前 兆． 丰山铜 矿采 区上 盘山坡 目 前只发现一条崩落 带， 这可能 由于泼崩落 带范围内山坡有第 四系表土复盖，植被 厚密 ．岩 移形迹易被雨水冲刷 流失物充 表 2 大面积地压 【 分段标 高 间隔时间 崩落带 活动编号1 m j 年 1 编号 一～～一 _ I～ ～ 一 I一 ～一r I 一 一 开始回采 l 8 6 0 『 1 9 6 9 一～ I 一 一 ． 一 一 一 第一次 f 8 2 0 { 1 9 7 3 1 第三条 第二次 l 7 9 0 1 9 7 7 i 第五条 ⋯一 j ⋯一l l ⋯ 一 i一 一 第三次 4 7 8 o l 1 9 B 0 l 第六条 l 一 一 I 一 一 第四次 1 7 7 0 7 1 9 8 2 l 第七条 填，或 因未作详 细检 查面未发 现。 目前崩落带偏于采区东侧，可能与出现崩落带的范围及其上方恰为山坡上一处突 出隆 起，岩屡内可能存 在与崩落 带产状 联系的较大规模 的结构面有关。联系 苻 山铁矿 的研究 成果 求分析 车山铜矿采 区有关现 象，可 以确定上盘岩 移的滑 移力是采 区地压重要来源之 一 ，该作用力沿崩落 角指 向塌 蹈坑 内，并 通过松散复 岩传 递到 固采进 路顼板。 二 采 区地压来 源特 征对 回采进 路垮塌 的影响 1、回采进 路围岩 中以顶压作用为主。此特征基奉控 制了进 路垮塌 的形式 。 由于回采进路顶板复盖矿岩和塌陷坑内松散复岩 的自重压力均为铅垂方向。据目前 崩落带中心位置估算其崩落 角在4 5 。 以上 ， 上盘滑移力的铅垂分力 大于水平分 力 ， 且水平 分力平行 于圊采进 路中心线，因此采 区内回采进 路围岩 受 顶压 作用为主。 1 9 8 7 年现场 实测最 大铅重应 力为最大水平应力 的 4倍 3 ，这 与 阱上分析是吻 合的。 当顶压以载荷形式作用于进路顶板上方使其沉降变形，并使顶板表面衍生拉应力， 矿 岩 抗拉 强度 极低 ，于是扳 易造 成 冒落。这是项 压作用下巷遭破坏 的普 遍规 律。 至于顶板 冒落后不断发展至上部分段，很可能是 因为顶板复 盖矿岩 厚度小， 使回采 进路璜板冒落具有浅埋矿体的地压特征所致 [2 。 2，采源越 大，地压值及其波 及范围越大 。 开采初期采 琢较小 ，上盘地表 尚未 出现栏 体性移 动，此时回采进路围岩 中主要 承受 维普资讯 进 路顶板复盖矿岩 和松散复岩 的 自重压力 ，因此 地压值 较小 且在采区 平面上分 布 较 均 匀。 因此 采区开采 至2 2 m分段 以上尽管矿岩稳 定性 很差 ，除 I 1 线 至一 l 1 线区间外广大地 段并无垮塌 现象。 随着 采源 增加，上盘滑移力成为采区地压来源后， 由于矿体倾 向与 上 盘山 坡坡 面呈斜 交，崩 落带呈弧形往 山顶扩展，精体规模愈来愈大，其罱 侈力及 其波及 范围 也必 然愈 来愈 大。故采区 内沿矿体走向 回采进路垮塌范围不断增大而且 垮塌 时间不 断提 前。 从1 2 m分段 往下以1 3 线为 中心的垮塌区范 围不仅不 断扩大且从 0 m分段往 下在 进 路 掘进工 作面附近垮塌十分频 繁，而 l 3 线正是上 盘山坡上 截洪沟崩 塌的 中心 部位 。显 然 目前--3 0 m和一4 0 m二个分段垮塌范 围最 大，危 害最为严 重的 区域 主要 是受 _ 匕 盘 滑移 力控 制的。 3、沿矿 体厚度方向靠下盘一侧地压集 中。 由于上盘滑 体底 部的断裂面总是 滞后于回采分段 的下 降面形成 的，上盘 滑移力 的作 用 方向受崩落 角控制 ，故该力 通过松散复岩 传递必然沿矿 体厚度 方向向矿体下 盘 侧 集 中。加 之采 区内矿 体下盘接触 带稳固性差，进路与下盘运输联 巷岔 口附近本身为应力 集 中部位， 因此 回采进 路垮塌 多发生在矿体下盘一侧 四、采 区应 力场动态特 征及其对 回采进路 峥塌的彤 响 一 采 区应力 场的动态 特征 l、 回采过程对工 作 面附近应力分布l状态 的影响。 由松散复岩 下放 矿规 律和放矿椭球 体理 论可知 参 见 图 2 ， 进 路 内出矿过程 中随着放 出椭 球体 l内部的矿 石 向出矿 口移动，其周 围松动椭球 体 2范围内的岩石 发 生二 次松散 面不能继续支承上 部复岩 传递的压 力，使其 顶部 出现 卸压披 3。拱上部 的压 力被传向四周 ，从而形 成 以放出椭球 体为 中心 的卸压 带 应力 降低区 和松动 椭 球 体四周 的增压 带 压力支 承带 。随着各进路依 次 图 、 回采 和工 作面不断推进 ，采区 内压力支 承带的位置在不 断 移动。从 面使 采区二次应力场具有动态特瓿。 2、吏承压力 向底板传播。 据 文献 [ 5 ] 采区 内支承压力向板底传播具有 以下 规 律 垂 ； 见 图 3 t支承压力随传播深度增加其波及范 围不断扩大，最大值逐渐碱小。 波及 范围边界 线 夹 角 称 压力传递 角e约2 5 m5 5 。。被 及深度一般 可达 3 0,5 0 m。压力最大值有逐 渐背离采 空区方 向 的 趋 势。支承压力越 大、集 中程度越 高、矿岩越 松软其波 及 深度及压 力传 递角越大。 此 规律说明采区应力场 的动态特征 不仅 表现在采区 出矿过程 中二 次应力 分 布 情 况 维普资讯 平面上． 由于波 及深 度 一般可 达 3 5个 分段 高度，便岩矿体 中尚未掘进进 路之前 已周 期性 反复 多次受到上部几个 分段 回采中支承压力的影 响。 采区应力 场动态特 征对 回采进路垮塌的影响。 l、使 回采 进 路围岩 强度进一步削弱、降低，甚 至成为垮塌 的直接 原因。 众所周知，地下 空问围岩 变形破环是空阃形成使其围岩应力场 出现扰动的结果。采 区应力场动态 特征使岩矿体 中掘进进路之前就反复 多次 出现拢动。这 对 于采 区内广 泛分 布 的非理想弹性状态的软弱矿岩来说 即预先长期处 于加 载、 卸载，应 力 一一应 变， 使矿 岩强度不断疲劳 、削弱、 降低 的过程 。而巷遘垮 塌是 其周 边出现应力 集 中并达到和超过 其强度，使其发生不 稳定蠕变引起的。 由于采 区应力场主要是 各种地压 来源 以及开采 中残余爆破应力 组成 的复杂力 系在 开采 过程 中重新分布 的结果，故采 区应力场 的动态 特征可能造成矿岩 中某 些 豁位 的应力 高度 集中，甚至成为进 路垮塌的直接 原因。 2、采 区平 面回采顺序 与回采进 路垮塌 密切相关 。 从 0m分段 往下1 5 一 】 6 线间 “ 中盘” 沿脉 内和 二删 附近进路 中大量垮塌使 各 分 段 中盘 梏脉内均未实 现 回采。看来此垮塌区并束明显受 到上盘滑移力的影响和控 制。 这 主要 是各条垂直矿体 走向的进路分别从上 、下盘 相向回采时， 各进 路工作面 附近 的压 力支承带也逐渐 相 向移近，不 可避免地在 “ 中盘 ”附近出现二个压力支承带 的叠加 区产 生的恶果 。当然 由于 泼区域 内 “ 中盘 沿脉与回采进 路的岔点密集破坏’岩 矿体 的整体 性 、 目前 回采 中爆破方 法及其参数不尽 台理，爆 破震动甚为剧烈等 也是重要 因素。这个 区域纳垮塌现象可视作采 区应力场动态特征导致回采进路垮塌的典型表现。 3、各 毁 匾呆中遗留未采动实体的危害。 由乎 圆采姚路垮塌便回采工作不能正常进行，采医开采以来各分段遗留下断断续缕 形态备异的未采 嗾 体。这些实体不仅就是损失的备采矿量，而且具有应力高度集中的 特点。 产生应力 j茸 度枭中的原因是①附近回采工作面产生的立承压力影响J③塌陷坑内 松散复岩中的 成拱作用，使实体成为其压力传递的拱脚J③若多分段实体重叠使圆采遴 赂 顶板复盖矿岩 厚度 及其 自重压力增 大。又 由于支承压力 『 目 底 板传 播的 规律，使实体下 方 进路掘进、维护更为困难。 因此采 区内各分 段遗 留的未采 动实体层层重叠并往 下逐步 扩大。笔者把采区应力场动态特征造成的这种现象称为未采动实体的恶性 循环效益。 五 、结 鼍 一 丰山铜矿无底柱分段崩落法采 区开采以来回采进路大量垮塌同然与矿岩稳 固 性差和进路的掘进支护方法有重要关系，然而本采矿法固有的地压来源及其显现规律和 采医地形地质条件铸就了开采中上盘岩移出现后随着开采分段进一步下降井下地压活动 大规模 加 剧的 必然趋势和井下地压 显现 与矿 山施 工技术管 理密 切相 关的特 点。而且奉采 矿法开采 中地 表塌 陷为大气降水汇入井 下使 软弱 矿岩 的稳 固性 进一步 降低 也是 回采进 路 垮 塌 的重要 影 响因索。 二 采 区开采 以米不 仅囡回采进路垮塌使备采矿量 大量损 失，而 且 由于矿体接触 界线 不规 则、夹石穿插频繁、 回采 炮孔变形堵塞严妻 利 用率 约6 0 、 出矿 中松散复 岩流 动性好，使圈采过程l中 的损失率和贫化率均 这4 0 ％。并 下职工愈来愈缺乏安垒感 下 转第 4 2 页 维普资讯 对 于 回转式 园筒烘 干机来 说，其长径比、倾角、扬料板结构一定时，改变烘 干机转 速 可改变物 料在烘干机筒 内的挣留时间。如果将现配置 的交流 电动机改为调速 电动机， 根 据不 同的季节、不 同的物料特性在一定范围 内适 当地调整烘干机转速， 则更 有把 握确 保物料烘干质量 和严 量，并可根据物料的终水分含量 及废气 温度 ，进 一步 实现进 料、 出 料 自动化联锁 。 四 回转式 园筒烘干机的 简体保温 t 烘干机筒体 的保温 一直被人 忽视 。随着环保及节能 意识的提高，这个问题 逐渐被 重 视 起来 。 在生产 中，回转式 园筒烘 干机 简体表面温度平 均高达9 0 1 0 0 ℃，长期 以 来，这 些 宝贵 的热能不 单 白白地 被浪费掉，而且 降低 了烘 干机 筒体 内的温度，恶 化 了作 业 环 境 辐 射热 害 。 l 9 8 7 年 ，笔者提 出了对劳 动服务公司水泥 厂 1 ． 8 3 m x 1 2 m回转式 圆筒烘干机筒体 采用硅酸铝 耐火纤维毡进 行保温的建议，实施后效果 很好 。烘干机 简体温度平 均 降 为 5 0～ 6 0℃。 通过观察 ，物 料的烘干质 量和产 量均有提高，作业环境也得到 了改善。 如果对燃煤炉墙 也进 行保 温处理，将会进一步提 高节能 效果，并创造 更 高 的 经 济 效 益 。 上接 第2 8 页 如继 续沿用无底柱分段 崩落法往深部开采，矿 山生产被动局 面只会进 一步 恶化。鉴于采 区内矿石含铜 品位 达 l 以上，并有伴生金银， 1 9 8 8 年中国有色金属工业总公司 己批准 改 用上 向分段低标 号混凝土胶结充填 采矿方法，其方 向是正确 的，决策是 及时的。 当前 矿 山应积极创 造条件抓 紧进行工业试验，验证和完善设计 方案， 以尽快扭转生产被动 的 局 面 。 ’ 参考 文献t [ 1 ] 李晋 辉，韦俊 龆， “ 丰 山铜矿南缘矿 带坑 采矿 段工程岩 体稳定性初步评价一 ‘载大冶 有色金属公 司设计 研究 院 科技 资料 9 0 ． 5 2 高磊主编 ， 矿山岩石 力学 P． 1 7 1 ，P． 1 9 9 西安冶 金建 筑学院印 【 8 ] 长抄 矿 山研究 院， 丰山铜矿 、犬冶有色金属公司矿冶所， 丰山铜矿 南缘矿 带崩落法采 区平巷支护试 验研 究1 9 8 7 年度 工作总 结 P． 1 1 4 玉国进、丁延棱、 那洪 良等编写 苻 山铁矿 四矿 体地压显现规 律及其控 制方 法 8 7 ． 6苻 山铁矿四矿体 地压研究鉴定会资料 之一 【 5 林韵 梅等编 矿 山地压讲座 8 1 ． 1 2 第一版P． 3 8 4 煤炭工业 出版社 42 维普资讯