岩爆倾向下隐患资源开采与空区处理协同技术

张海磊 刘武团 雷明礼 严文炳 柴衡山 刘 涛

(西北矿冶研究院)

岩爆倾向下隐患资源开采与空区处理协同技术

张海磊 刘武团 雷明礼 严文炳 柴衡山 刘 涛

(西北矿冶研究院)

由于群采空区的存在和岩爆活动的影响，厂坝铅锌矿小厂坝矿区近90万t高品位矿石成为隐患资源无法采出，严重影响了矿区的可持续发展。结合小厂坝矿区现场实际和充填体作用机理，对采场充填体强度进行分析，提出不等强充填概念，确定了不同位置充填体的强度和厚度，并建立了先进的地压监测系统。实践表明：在现有的条件下，充填是解决矿山安全隐患和回收残矿的最有效途径，采用高浓度膏体胶结充填工艺对采空区进行有计划、有步骤充填，可实现隐患资源开采和空区处理的协同作业，为同类矿山有效控制开采时岩爆带来的安全威胁提供借鉴。

岩爆 采空区处理 隐患资源开采 胶结充填 协同开采 采矿环境再造

厂坝铅锌矿是礼县柞水成矿带西成矿田中的一个大型铅锌矿床；小厂坝矿区开采对象为45～65线的Ⅰ#、Ⅲ2#、Ⅲ8#矿体。随着开采的不断深入，矿区内已形成大量采空区， 850m中段部分矿房出现垮塌；岩爆活动的影响也已开始显现，800 m中段以下巷道已出现岩石弹射、片帮冒顶现象；小厂坝矿区内有近90万t高品位矿石无法采出，正常生产安排被打乱，亟需变革采矿工艺，实现资源的安全高效开采。本文基于采矿环境再造理念和先进的地压监测系统，通过理论分析、数值模拟等手段，采用高浓度膏体胶结充填工艺营造了一个良好的矿岩开采环境，最终实现了隐患资源安全开采与空区处理的协同作业。

1 矿区概况

1.1 地质构造

矿区位于西秦岭海西褶皱带东段，岷县复背斜轴部；主要构造线方位为东西南，格式呈不完整的“米”字型，压、扭性结构面均很发育；由于构造及成矿原因，岩层片理普遍发育，显示出岩体的各向异性。

1.2 矿岩力学参数

按力学效应，厂坝铅锌矿矿岩可分为4类：①石英片岩、黑云母石英片岩、方解石石英片岩；②黑云母片岩、石英黑云母片岩；③灰白色中细粒结晶灰岩、云母条带状结晶灰岩、灰色中粒结晶灰岩；④铅锌矿石。从室内力学测试结果看，厂坝矿的矿岩较硬且脆，试件达到峰值强度后很快破坏，破坏时发出响声，碎片四处飞散[1-2]。小厂坝矿区Ⅰ#矿体矿岩物理力学性质见表1。

表1 小厂坝矿区Ⅰ#矿体矿岩物理力学性质

1.3 采矿工艺

矿区采用浅孔留矿法开采,矿块沿走向布置，长50 m，阶段高50 m，间柱宽8 m。矿房由拉底巷道自下而上分3个分层进行逐层回采，回采后大量放矿。

1.4 群采空区和岩爆活动

1986年以来，厂坝铅锌矿屡遭民采破坏，形成数百个不规则采空区，初步估计体积为300万m3。

在矿区800 m中段以下采场内不时听到岩石开裂声；巷道内也出现岩石弹射、片帮冒顶现象(图1)，支护工程被破坏。基于未测知度理论，刘涛等人通过建立矿山岩爆倾向性及危险性等级评价模型，确定本区域为轻—中度岩爆[3]。

2 隐患资源开采与空区处理协同技术方案

在次生应力和动力扰动的共同作用下，有岩爆倾向采空区隐患资源呈现出应力集中、坚固性和稳定性差等特点，难以用传统采矿方法开采。很多学者认为充填法有利于控制矿体开采后周围岩体内的应力集中和所聚集的应变能均匀释放，提出了采矿环境再造思路[4-6]。

图1 小厂坝矿区巷道片帮现场

2.1 充填体受力分析

研究和掌握充填体受力状态，进行客观地受力分析，确定最佳的充填体配比及强度是协同方案取得成功的关键。

一步空场形成后，即进行尾砂胶结充填，在充填体与围岩共同作用下，充填体内部应力分布见图2。可以看出，充填体中央应力大于上下两部分应力，顶部应力大于底部应力。

图2 一步空场充填后充填体内部应力分布

当一步空场采充完成，相隔采场拉开后，充填体内应力分布见图3。可以看出，其应力分布特征同首采充填后的应力分布基本相同，仍是中央高，上下两部分低，但其数值有所增加。

图3 二步空场拉开后一步空场充填体内部应力分布

当2个空场采充结束后，先充采场的充填体受力未发生变化，后充采场的应力数值要大于先充采场，但其应力分布特征与先充采场应力分布特征基本相同，而中间间柱的应力明显增加，见图4。

当中间间柱采空后，空场两侧的充填体应力明显增加，尤其是首采场的充填体更为突出，见图5。

2.2 充填体不等强结构设计

根据围岩应力的分布特征和充填体的力学作用机理，设计充填体的结构为不等强结构[7-9]。

底部充填体作为下中段空场开采的顶柱，要求强度较高，设计强度为2～3 MPa，充填高度为10～13 m，采用灰砂比1∶4、料浆浓度65%的充填体。

图4 二步空场充填后充填体内部应力分布

图5 间柱采空后充填体内部应力分布

中部充填体是整个充填体的主体，但承载的岩体和载荷位移较小，设计充填体强度为0.5～1 MPa，采用灰砂比1∶8、料浆浓度65%的充填体。

顶部充填体要承受顶柱的作用，限制顶柱岩石的位移，同时使整个充填体均匀受压，还要保证顶柱回采时铲运机正常行驶所要求的路面强度，设计强度为2～3 MPa，充填高度为5～8 m，采用灰砂比1∶4、料浆浓度65%的充填体。

单独空区处理时，采用灰砂比1∶10、料浆浓度65%的充填体，强度为0.3～0.5 MPa。

采场内充填体强度分布曲线见图6。

图6 采场内充填体强度分布曲线

2.3 地压监测系统建立

由于在回采过程中频遭扰动，空区及矿柱的受力状态往往无法根据力学公式或数值软件等进行计算，通过地压监测仪器对矿区的地压更直观、更清晰地掌握。根据矿山实际情况，设计采用位移、应力与声发射联合监测的方法。

本矿山岩石为硬岩，采用应力监测，对人员不方便进入的区域采用ZGY-2型钻孔应力计，量程为0～30 MPa，测算精度为0.1 MPa，采用相应的读数仪；对于可进入区域则采用R-50型光弹应力计和矿用手持式光弹读数仪。

对关键点和关键部位需进行声发射监测， YSSC声发射仪能够捕捉岩体内部微破裂的信息，实现无损监测。

对于部分顶板暴露面积较大区域，需进行顶板位移监测，采用SZZX-Q200B型顶板沉降计，测量精度为0.01 mm，量程为200 mm；采用GSL-22A智能检测仪读数。

3 结 论

(1)选择小厂坝矿区800 m中段55～57线、61～65线和850 m中段55～65线共约23.2万m3采空区作为首充区域，为800 m中段57～61线近30万t高品位矿石的回收创造条件。预计2015年8月份开始实施。

(2)在现有条件下，充填是解决矿山安全隐患和回收残矿的最有效途径。基于采矿环境再造思路和先进的地压监测系统，实现了资源开采与空区处理协同作业，为采空区隐患资源的开发利用开辟了一条新的技术途径。

(3)减少爆破对充填体的破坏是协同开采的关键技术之一，需进一步对充填体进行动静态加载测试，确定其抵抗外力破坏的强度；合理选择爆破参数并采取切实可行的保护措施，使充填体免遭破坏。

[1] 赵 文,曹 平,章 光．岩石力学[M]．长沙：中南大学出版社，2010．

[2] 尹贤刚,李庶林,唐海燕,等.厂坝铅锌矿岩石物理力学性质测试研究[J].矿业研究与开发,2003(5):12-13,16.

[3] 刘 涛.基于未确知测度理论的岩爆倾向性及危险性等级评价[J].武汉理工大学学报,2013(s):59-64.

[4] 周科平,古德生．采矿环境再造理论方法及应用[M]．长沙：中南大学出版社，2012．

[5] 陈庆发,周科平.隐患资源开采与空区处理协同技术[M].北京：冶金工业出版社，2011．

[6] 郭 然,潘长良,于润沧.有岩爆倾向硬岩矿床采矿理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2003．

[7] 魏 微,高 谦.充填体强度的RBF神经网络预测[J].化工矿物与加工,2013(12):32-35.

[8] 张海波,宋卫东.空场嗣后充填开采充填体与围岩作用机理研究[J].化工矿物与加工,2014(1):41-44.

[9] 董 璐,高 谦,李茂辉,等.阶段充填采矿优化设计可靠性分析与稳定性评价[J].化工矿物与加工,2014(5):21-25.

2015-07-13)

张海磊(1990—)，男，助理工程师，730900 甘肃省白银市。