采空区稳定性论证

2012-11-17陈建平

采矿技术 2012年2期

关键词：矿块矿岩节理

陈建平

（福建省潘洛铁矿有限责任公司，福建漳平市 364405）

采空区稳定性论证

陈建平

（福建省潘洛铁矿有限责任公司，福建漳平市 364405）

潘洛铁矿经过多年开采后，在井下形成了多个大小不等、形态复杂的采空区。通过对采空区的现场调查、矿岩取样及围岩节理裂隙的综合分析，对现有空区的稳定性进行了论证，为后期矿块采矿设计的矿柱留设、矿房跨度及空区顶板暴露面积的确定提供了参考依据。

采空区；现场调查；岩体分级；稳定性分析

1 矿井概况

福建省潘洛铁矿有限责任公司始建于1958年，早期为露天开采，1993年随着1＃、3＃主矿体露天开采完毕，逐步由露天开采转向地下开采，目前已形成坑内开采和浅部小矿体两大开采系统。全矿设计采矿生产能力为45万t／a，其中坑采系统生产系统为25万t／a，浅部小矿体系统为20万t／a。矿区内铁矿体主要赋存在船山组底部的矽卡岩中，部分小矿体赋存于花岗岩边部的矽卡岩中，其余均赋存于统林组碎屑岩与船山组灰岩之间的层间断裂中。坑采系统主要开采4－14线间的131＃、23＃、122＃、2＃等矿体，这4个主矿体储量均达百万吨。该系统一期设计有＋130，＋100m两个中段，开采地质储量为514万t，可采储量为317万t；二期设计有＋70，＋40m两个中段，开采地质储量为589.6万t，可采储量为442.8万t。目前＋130m中段的开采已结束并作为回风水平，现井下生产主要在＋70m中段，在＋100m中段进行残采，在＋40m中段主要进行采准作业，局部矿块回采作业。

坑采系统采用竖井开拓，采用留矿全面法、点柱浅眼留矿法和水平进路房柱法开采，矿块结构参数为阶段垂高30m、矿块走向长50m、矿块宽为矿体宽度，若矿块宽度较大，则在采场中间留设8m×8 m的矿柱。主要开采2＃、23＃、122＃和131＃主矿体及其周边小矿体，目前已开采形成＋130，＋100，＋70 m和＋40m五个中段。多年的空场法开采形成多个大小不等、形态复杂的采空区，随着开采中段的下降，采空区体积在不断增加，地压活动明显，采空区稳定性状况令人堪忧。因此公司与长沙矿山研究院合作，对公司坑采矿井开展了采空区稳定性认证。

2 现场调查

2.1 采空区现状调查

潘洛铁矿洛阳矿区南矿段位于矿区西部，已探明有矿体142个，其中主采矿体有4个，即2＃、23＃、122＃和131＃，其规模较大，含矿性较好，是矿山开采的主要对象，也是采空区最集中的区域。采空区的形状与矿体相似，总体上近东西向展布，走向多为北东—南东，倾向北东。根据采空区和矿体的分布特点，将井下采空区的集中区域划分为2＃采空区、23＃采空区、122＃采空区和131＃采空区，各采空区因矿脉的不连续性，总体特点为采空区个数多，相互不连续，形态复杂，单个采空区的规模不大，根据开采矿量估计和现场调查统计，南矿段采空区总体积约为65.8m3。较大采空区的调查与统计结果，见表1。

2.2 矿岩取样及试验测试

针对矿山实际情况，在现场采取了矿岩、花岗斑岩、大理岩和矽卡岩4种岩样，按照试验要求对岩样进行二次加工和容重、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及单轴抗压强度参数测试。测试结果见表2。

3 工程地质调查与岩体工程分类

3.1 工程地质调查

潘洛铁矿矿体个数多，矿体连续性差、形态复杂，围岩种类较多，变化复杂。为查明开采区域的岩体工程地质条件，对＋130，＋100，＋70m中段揭露的矿岩体进行工程地质调查和岩体质量分类。共对12点范围内的147条节理进行节理、裂隙的产状、规模、密度、形态、地下水状况等进行了详细的现场调查，再通过体积节理密度换算成RQD指标。节理调查统计结果见表3。

表1 坑采系统体积较大采空区的调查与统计

表2 矿岩力学参数试验结果

表3 现场节理调查统计结果

3.2 岩体工程分类

要进行合理的岩体质量分级，选择适合的岩体分级方法至关重要。本次论证采用了RQD值分级、RMR分级、Q系统分级3种分级方法。

本次节理统计换算RQD指标时，采用Palmstrom给出的体积节理数Jv与体积RQD之间的相关关系计算：RQD＝115－3.3Jv，计算结果见表3。RMR分级结果见表4。

Q系统分级结果表见表5。

3.3 岩体分类变化范围

根据现场节理调查统计结果得出的岩体RQD值、RMR值和Q值的变化范围见表6。

4 采空区稳定性计算与分析

采用Barton“当量尺寸”极限跨度分析法从顶板允许跨度、允许暴露面积两个方面计算分析采空区顶板的稳定性。

表4 RMR分级结果

表5 Q系统分级结果

为了把岩体质量Q指标与开挖体的支护要求联系起来，Barton定义了一个附加参数，称为开挖体的“当量尺寸”（等效直径）De。这个参数是将开挖体的跨度、直径或侧帮高度除以开挖体的“支护比”（ESR），即：

开挖体不支护而能保持稳定的当量尺寸De与岩体质量指标Q有关，关系如图1所示。

开挖体支护比与开挖体的用途和它所允许的不稳定程度有关。对于ESR，Barton（1976）建议采用表7数据。

表6 不同岩组的岩体分类范围

图1 无支护地下开挖体最大当量尺寸De与质量指标Q的关系

表7 不同开挖工程类别的ESR建议值

开挖体的最大无支护跨度SPAN与“当量尺寸”（等效直径）De和开挖比（ESR）的关系如下式：

ESR为开挖体的“支护比”，根据矿岩的Q分类结果，由图1可以查出，矿岩、花岗斑岩、大理岩及矽卡岩岩体中，开挖体不支护的最大当量尺寸De分别为6.6，6.1，6.2，6.4m。当矿山巷道作为矿山永久性工程时，取ESR＝1.6；当老空区及巷道只作为矿山一临时构筑物时，取ESR＝3～5。由上述关系可计算出4种岩体条件下的最大无支护跨度SPAN，见表8。

采空区作为临时构筑物，其无支护跨度的值取开挖体支护比为3～5时的计算结果。