大顶山矿区悬顶成因及防治措施研究

谭宝会 孙文勇 李金位 张志贵 陈星明

(1.西南科技大学环境与资源学院;2.四川锦宁矿业有限责任公司)

大顶山矿区为四川锦宁矿业有限责任公司的主要铁矿石生产基地，年产铁矿石约50万t。矿床为中温热液交代高镁磁铁矿床，矿体赋存于白云质大理岩中。主矿体分Ⅰ、Ⅱ号矿体，Ⅰ号矿体规模稍大。Ⅰ号矿体总的走向为北东64°，倾向南东，倾角10°～50°，最大厚度 30 m，最小 0.19 m，平均 11.4 m;Ⅱ号矿体总的走向北东39°，倾向南东，平均倾角35°，矿体最大厚度24.9 m，最小0.31 m，平均9.66 m。2个矿体均属缓倾斜矿体，矿体下盘围岩为变质白英砂岩，中等稳固，上盘围岩为白云大理岩，不稳至中等稳固，在矿体与上下盘岩石接触带区域矿岩异常破碎。

大顶山矿区主要采用无底柱分段崩落法进行开采，采矿方法结构参数为10 m×10 m和15 m×12.5 m(分段高度×进路间距)，2 540 m以上各阶段结构参数为10 m×10 m，崩矿步距为1.8 m;2 525 m为过渡分段，结构参数为15 m×10 m，2 525 m以下分段结构参数为15 m×12.5 m，崩矿步距为2.0 m，采用YGZ－90凿岩，炮孔直径70 mm。目前，矿山2 580 m等已采分层正在进行残矿回收，2 540、2 525及2 510 m分段处于正常回采。

据了解，大顶山矿区在回采矿石的过程中，由于种种原因造成回采进路悬顶事故频繁发生，甚至个别进路从回采开始到结束一直都有悬顶发生。据2011年7—8月对2 550及2 540 m分段回采进路的跟踪统计结果可知，矿山悬顶率高达30%以上(按进路数计算)，矿石损失率高达30% ～50%。严重的悬顶不仅造成回采率等技术经济指标大幅度降低，而且给矿山安全生产带来重大的安全隐患。因此，大顶山矿区严重悬顶问题亟待解决。

1 产生悬顶的原因分析

通过现场调研及分析，认为除矿区矿体自身稳固性较差，特别是上下盘矿岩接触带附近存在严重的破碎带等因素外，造成大顶山矿区频繁出现悬顶的原因还有技术及管理问题。

1.1 切割井高度严重不足，切割槽质量无法保证

矿山回采进路垂直于矿体走向布置，切割槽布置于矿体上盘。根据缓倾斜矿体无底柱分段崩落法的回采特点，上盘切割槽附近的崩矿排面应为矩形排面，其余则应为多边形的排面(见图1)。需要特别注意的是，矩形崩矿排面高度应大于或等于分段高度+桃形矿柱高度，而切割井与切割槽的高度则应根据矩形排面高度来确定，才能保证后续步距的正常爆破，否则极易由于前端的夹制作用导致悬顶事故的发生。度仅为7.0～8.0 m的情况发生。显然，大顶山矿区矩形崩矿排面高度、切割井(槽)高度严重不足，是导致严重的悬顶事故频繁发生的最重要的原因之一。实际情况是，国内许多矿山甚至设计单位同样存在把切割槽高度等同于分段高度的错误认识［1］。

图1 缓倾斜矿体无底柱分段崩落法上下盘炮孔排面布置

以大顶山矿区实际采用的10 m×10 m结构参数(分段高度H×进路间距B)为例，当进路尺寸为2.8 m×2.8 m(宽×高)、边孔角β为45°时，矩形排面的最低高度Hj至少为16.4 m，切割井(槽)的高度Hq应为13.6 m。考虑到上盘矩形排面是在上部覆岩没有崩落情况下爆破，夹制性比较严重，通常情况下矩形排面及切割井(槽)应考虑0.5～1.0 m的超高。因此，矩形排面的实际高度Hj应在17 m左右，切割井(槽)的高度Hq应在14 m左右(见图2)。然而，大顶山矿区矩形崩矿排面的实际高度仅为13.0～14.0 m，切割井(槽)的高度仅为11.0～12.0 m，甚至有因受上部回采巷道错位的影响切割井高

图2 回采进路炮孔崩落排面

此外，对于大顶山矿区来讲，不合理的切割槽位置也是导致悬顶事故频繁发生的重要原因之一。一直以来，矿山通常是将切割槽布置在上盘矿岩接触带内。然而，由于矿体在上下盘接触带处矿岩异常破碎，当切割槽的位置布置在上盘矿岩接触破碎带时(见图3)，成井及拉槽炮孔往往被提前破坏，导致爆破后的切割井和切割槽的尺寸不能达到设计要求，从而增加了后续回采爆破的夹制性，导致出现悬顶现象。

图3 矿山设计切割槽布置位置

1.2 崩矿炮孔深度严重不足，炮孔质量无法保证

事实上，进路始端矩形崩矿排面高度不足的问题不仅导致了切割井与切割槽高度不足，也直接导致了扇形炮孔深度不足。如前所述，在10 m×10 m结构参数下，切割井(槽)的高度一般应在14 m左右，扇形中心孔的高度也应在13.0～15.0 m(从巷道顶部算起)。然而，矿山在实际的设计与施工过程中，不论是上盘附近的矩形排面还是后续的多边形排面，其中心孔的深度一般仅为11.0～12.0 m。显然，扇形孔的深度也存在严重不足的问题，是导致严重的悬顶事故频繁发生另一个重要原因。矿山生产中在悬顶矿岩体中看不到炮孔很好证明了这一点。

同时，在矿山部分采场实际生产中扇形炮孔的布置未严格按照拟崩落体的实际形状进行设计，上分段进路间的桃形矿柱没有在爆破设计图中显示出来。同时，矿山还普遍存在上下分段回采进路没有严格进行交错布置，甚至出现上下分段回采进路重叠现象(见图4)，这就极易造成种不良后果，一是部分拟崩落矿岩体中没有炮孔导致矿岩体无法有效崩落，二是部分炮孔进入了上部已崩落区出现“透孔”和“上向冲炮”现象。这2种不利情况，都容易导致悬顶和隔墙事故的发生，进而严重影响矿山的爆破和矿石回收效果。

图4 大顶山矿区2 580 m水平40#进路中深孔设计

此外，由于个别时段矿区采准工作和回采工作不能良好匹配，导致深孔备用时间过长，譬如2 540 m水平21#和22#进路中的深孔备用期长达8个月，深孔长时间受矿岩接触破碎带、矿岩节理裂隙、矿压的变化和爆破震动影响，极易发生塌孔、错孔、堵孔，导致后续的炮孔装药不到位，爆破效果不良而造成悬顶。因此，爆破深孔的质量无法保证是造成矿山频繁出现悬顶的一个重要原因。

1.3 矿山生产及爆破管理制度不完善

据了解，大顶山矿区部分矿体的个别回采进路因为矿体形态的变化没有掘进或掘进后没有崩落和出矿，形成没有崩落的实体矿柱并成为支撑上部拱顶的基础，致使上分段的覆盖层不能顺利塌落，从而导致本分段或下分段出现悬顶现象。同时，同一采场中往往有若干条进路同时在进行回采工作，如果相邻回采进路不能保持平行退采，加上爆破质量较差等原因，就容易出现支撑上部的未崩落矿柱从而导致悬顶的现象发生［2］。

在凿岩环节上，矿山目前采用TJ25型钻架与其配套的YGZ－90钻机，这种凿岩设备在深空施工中随着孔深的增加，施工精度和凿岩效率都会下降，极易导致凿岩工人失去耐心，工作责任心下降，在炮孔深度上存在“打少报多”的情况。同时，矿体本身比较破碎，错孔、塌孔以及堵孔等现象较普遍，加之炮孔质量也缺乏严格的监督与管理措施，导致悬顶的出现。

在爆破环节上，由于个别爆破工作人员责任心差和矿山爆破管理制度不健全，在回采进路的装药爆破作业中出现中深孔装药不到位现象，拟崩落矿体的顶部往往不能被有效崩落，从而形成了悬顶隔层，不仅阻止了脊部残留和端部残留矿体的放出，也造已崩落的矿石由于铲装安全原因不能有效采出。同时，矿山现行的深孔爆破作业中普遍没有对深孔进行堵孔。根据爆破理论，炸药在爆破的瞬间会释放出大量高温高压爆轰气体对岩体产生破坏，由于孔口未进行堵塞，部分爆轰气体在爆破瞬间由孔口冲出，这就减弱了炸药对岩体的破坏作用［3］，增加了爆破后出现悬顶的几率。

此外，回采进路出现悬顶后处理不及时或处理效果不佳，是造成同一回采进路继续产生悬顶事故的另一原因。

2 悬顶的预防措施

为了从根本上减小大顶山矿区悬顶出现的几率，矿山经过与西南科技大学合作科研攻关之后，从设计、施工、管理等方面进行了改进，主要措施如下。

2.1 确保切割槽高度及质量的措施

(1)在施工设计上改进切割槽的设计，主要从切割槽高度和切割槽位置两方面入手，切割槽高度应大于分段高度+桃形矿柱高度0.5～1.0 m，这样才能减少矩形排面和扇形排面在回采爆破时由于夹制性过大而发生悬顶的几率。

(2)当遇到上盘矿岩接触破碎带时，在切割槽设计方案中将切割槽的位置适当向前移动(约5～8 m)，从而使切割槽避开破碎带以保证切割槽的质量。

(3)根据不同矿岩条件灵活选择采用不同的切割井和切割槽的形成方法，比如在矿岩复杂情况下可采用无井成槽方法［4］，确保切割槽的有效断面尺寸和高度以满足后续炮孔爆破的需要。

2.2 确保深孔质量的措施

(1)严格按拟崩落矿岩高度设计深孔，确保深孔有足够的崩矿深度。

(2)当上下分段进路在空间位置上发生偏移或者重叠时，严格按照崩落体的实际形态来布置炮孔排面。

(3)同时，为了减小由于地压、爆破震动等原因引发炮孔破坏而堵孔的几率，矿山目前正在与西南科技大学项目攻关组联合试验研制一种可重复使用的矿用炮孔防堵塞装置，目前正在矿山试用。

2.3 完善生产管理

矿山目前已步入2 525和2 510 m分段的采准阶段，结构参数逐渐过渡为12.5 m×15 m。结构参数的增大势必引起排面炮孔深度的增大，因此现行的YGZ－90钻机难以满足生产的需要。为了调动工人的积极性，确保打孔质量，矿山计划更换能满足生产需要的凿岩台车;车间应安排专人在每次爆破前对排炮进行测孔，一旦发现排炮严重破坏现象应立即上报车间，车间及时安排人员进行补孔措施;放炮工作结束后，出矿人员在出矿过程中发现悬顶隔墙事故，立即报车间安排人员进行处理;在生产管理上尽量保持相邻回采进路平行退采;矿山加强对凿岩工、爆破工、铲运工等特殊工种的培训，提高工人岗位素质及工作责任心，明确责任，对应考核;发生悬顶后积极分析原因，采取措施，为以后避免及处理悬顶总结经验。

3 一种处理悬顶的新措施

目前国内矿山处理悬顶的主要技术手段有自然冒落法、气球带药处理技术、竹竿顶药包处理技术、前倾孔处理技术以及硐室处理法、扩孔药壶处理法等等。这些处理悬顶的技术手段各有使用范围及其优缺点，比如自然冒落法主要用于悬顶厚度不大的情况，随着悬顶时间的增加以及暴露面积的增大，悬顶受到上部覆岩的重压而垮落［5］，这种方法经济成本低，但缺乏安全性;气球带药处理技术和竹竿顶药包处理技术一般也用于悬顶规模不大的情况，但这2种方法都受到药量的限制，而且可靠性差;硐室法一般用于悬顶规模较大的情况，成功率高，但这种方法周期长、工序多，而且影响正常生产;前倾孔和扩孔药壶处理法一般也用于规模较大的悬顶情况，但这2种方法都很容易对后几排炮孔造成破坏，在矿岩破碎的情况下更是如此，继而会导致后几排爆破后继续出现悬顶。

大顶山矿区矿岩破碎且地压较大，地质情况复杂，频繁的悬顶造成大量的矿石损失，采矿局面被动。矿山结合实际情况认真分析悬顶出现的各种原因，并根据大顶山矿区矿体的特殊赋存条件及当前的生产情势，经过一段时间的探索之后，找出了一种利用侧向倾斜孔处理悬顶的有效方法。此法的原理为:回采进路爆破后如若发现悬顶现象，技术人员到现场勘察悬顶的高度，并结合悬顶处的地质实测图，预计悬顶的大小以及悬顶的支撑点位置，由此确定侧向倾斜孔位置及数量，继而在相邻进路中利用凿岩机向悬顶位置钻凿侧向倾斜孔。此技术的关键是确保侧向倾斜孔穿过悬顶拱的支撑点，而在装药时只需要对孔底进行装药，从而起到处理悬顶的作用。

此法适用于各种悬顶，尤其是对矿岩破碎、节理裂隙发育条件下的厚大悬顶情况处理效果更显其优越性。优点是处理悬顶时不会对后续炮孔产生较大的破坏，避免了由于后排炮孔受到破坏而继续出现悬顶的问题，处理悬顶的成功率较高，且施工工序简单。缺点是处理悬顶后大块较多，施工精度要求较高。

2012年5月，大顶山矿区2 525 m分层2 513采场6#进路第19排炮孔和20排炮孔2次爆破后连续出现悬顶，为了防止大空场引发不安全事故，生产人员及时上报车间，车间组织技术人员对悬顶现场进行了勘察。根据技术人员目测，悬顶距本分段进路顶部9 m左右，悬顶情况严重。结合炮孔施工设计图及地质实测图，技术人员初步掌握了悬顶的规模及支撑点位置，结合之前探索出的一些技术经验，决定尝试采取“侧向倾斜孔”技术来处理此次悬顶事故。

方案设计:根据6#进路悬顶位置与联巷的距离确定出悬顶在7#进路中的平行位置，调动YGZ－90凿岩机在2 525采场7#进路中向悬顶部位打侧向倾斜孔，共打2排侧向倾斜孔，每个排面2个孔，第1个孔孔深19 m，倾角50°，第2个孔孔深18 m，倾角60°，排距1.8 m，孔径70 mm。为减小处理悬顶时爆破对后排孔的破坏，只在炮孔的底部进行装药，每个孔装粉状铵油炸药24 kg，装药长度6.5 m，采用导爆管雷管孔底同时起爆，起爆前撤离所有人员及设备，以保证安全。施工示意图见图5。

此次爆破顺利将悬顶崩落，据车间统计共处理下矿石1 200 t左右，创造经济价值30余万元，更为重要的是为矿山以后处理类似悬顶情况提供了宝贵的技术经验。

图5 侧向倾斜孔处理悬顶施工示意

4 结论

缓倾斜矿体条件下正确的采切设计及合理的生产管理措施是预防悬顶事故发生的根本所在，特别是在破碎矿岩条件下，需要针对矿山的实际情况来采取有效的处理手段，侧向倾斜孔处理悬顶方法目前已成为大顶山矿区处理悬顶事故的主要技术手段。大顶山矿区通过改进矿山生产技术、管理措施以及运用新的处理悬顶方法，矿区悬顶频率明显减少，由原来的30%降为现在的12%(按进路条数计算)，矿山的回采率由原来的30% ～50%提升至70%，经济效益明显提高。

［1］ 各 方.丰山铜矿北缘难采矿体的回收实践［J］.现代矿业，2011，5(5):65-66.

［2］ 唐红兵.无底柱分段崩落法悬顶成因分析［J］.甘肃冶金，2011，6(3):35-36.

［3］ 郭学彬，张继春.爆破工程［M］.北京:人民交通出版社，2007:100-109.

［4］ 明世祥，袁 猛，鲁炳强.无切井扇形深孔爆破自拉槽新方法［J］. 金属矿山，2010(3):20-22.

［5］ 郝志贤，李荣昌.无底柱分段崩落采矿法悬顶的处理和预防［J］. 黄金，2010，31(2):31-32.