自然崩落采矿法不同拉底方式过沿脉技术分析

杨云强, 何 翔, 王 欢, 游 锋, 苏芳林

(金诚信矿业管理股份有限公司, 北京 101500)

1 前言

自然崩落法采矿原理是利用地球内部的应力、上覆岩的重力、地质构造运动产生的残余应力和矿山井巷工程造成的应力集中和分散,通过一些垂直和水平的巷道沿矿块四周削弱其与周围的联系,破坏矿石整体的应力平衡,使采区内的矿石在阶段的整个高度上自然崩落,并通过合适的底部结构放出、运走,保证崩矿的连续进行[1]。拉底的实质就是在拉底水平采用普通的回采法,利用中深孔爆破将拉底水平上部的一层矿石采出,形成自由空间,随着拉底面积不断扩大,使拉底水平上部矿体失去支撑进而在重力作用下自然崩落,破碎的矿石则通过位于拉底水平下的出矿水平铲出,在出矿水平放出矿体后,使其上部矿石继续破裂,持续崩落。自然崩落法采矿中拉底的目的就是在矿块底部形成自由空间,促使矿石自然崩落,调整应力的分布,使应力向有利于矿岩崩落的方向发展。围绕实现拉底目标,拉底的作用与目的主要体现在三方面:(1)提供充足空间,保证矿岩自然崩落的持续进行。(2)获得要求的拉底面积以进行初始崩落,并使周围岩体的破坏最小。(3)增加崩落水力半径,初始崩落后,随拉底继续推进降低拉底巷道拱脚应力。拉底工作是一项复杂的系统工程,它所影响的范围和深度,是比较广泛、全面的。因此在生产中,要全面认识和考虑拉底工作,趋利避害[2]。拉底形状影响着拉底速度和矿块的初始崩落,对矿山生产特别是新建矿山具有重大的影响。某矿矿石的可崩性为中等,为了减小前期的矿石块度,减少前期投产风险,参考矿山实际生产经验,拉底形状采用扇形断面形式。但是在实际生产过程中,拉底和沿脉巷道交叉口由于应力集中,前期采用无切割井爆破方式进行拉底易造成两条拉底巷道间由于爆破时贯通断面较小,容易形成岩墙;断面部分炮孔处于同一平面上,爆破时容易产生爆破衰减,造成拉底高度下降,严重影响拉底爆破质量,底部结构稳定性易受到影响。经过对爆破条件分析,可以通过有切割井爆破方式过沿脉,实现改变最小抵抗线、增加自由面、调整爆破应力方向的方式有效提高拉底过沿脉爆破质量,解决相应聚矿槽爆破问题的频繁出现,即出现楼板等现象(拉底空间与聚矿槽未完全贯通,无法形成矿石持续崩落面) ,同时一定程度上减小了对底部结构稳定性的影响。

2 工程概况

该矿的矿床成矿作用发生于岩体边部产出脉状矿体的复式斑岩中,由细脉浸染矿石组成的筒状矿体的岩体中心。 该矿以铜为主要成矿元素,并有伴生元素,如金、银、钼、硫等。矿化带呈穹窿状,长2 300余m,宽600～800 m,面积约1.09 km2。首采矿块位于整个矿体偏中南部,矿块尺寸为长×宽=500 m×330 m,面积约16.7万km2。矿体最大崩落高度为370 m,平均崩落高度200 m。岩体质量以Ⅲ类为主,矿岩可崩性中等,根据地质报告和岩石力学研究表明:矿体节理裂隙发育,矿石不自燃,不黏连,允许地表崩落。

该矿设计将3 720 m出矿水平以上的200 m矿体为采场,通过对出矿水平上16 m的3 736 m拉底水平实施中深孔拉底爆破,使其内部不连续面的拉底空间(高15 m)在重力作用下按产量要求的速度和期望块度崩落,拉底空间在次生应力场作用下不断崩落扩大,达到初始崩落面积之后,崩矿通过布置在拉底和出矿水平之间的聚矿槽放出。拉底巷道垂直矿体走向布置,在两条出矿巷道之间上方布置两条平行的拉底巷道(空间上) ,采用双拉底巷道上向扇形炮孔拉底方式,拉底巷道采用13 m、17 m间隔布置方式,出矿巷道间隔为30 m,巷道净断面尺寸为3.8 m×3.8 m。13 m距离的拉底巷道对应两条出矿巷道之间的聚矿槽中心位置,17 m距离的两条拉底巷道则与下部出矿穿脉之间形成较为规整的底部结构矿柱。

3 拉底过沿脉原理

3.1 拉底过沿脉简介

某铜矿拉底水平工程包含24条拉底穿脉、2条上盘沿脉、2条下盘沿脉、1条切割大巷,将整个拉底水平分为4大块,具体如图1所示,其中平巷总长为6 224.1 m,净断面一致,规格为3.8 m×3.8 m,喷混凝土或锚喷网支护。24条拉底穿脉均需爆破过沿脉,拉底穿脉与沿脉交叉位置应力较集中,爆破前常出现中深孔堵孔、沿脉垮塌现象,对拉底中深孔爆破质量造成严重影响。

图1 某铜矿拉底水平平面

拉底过沿脉由于所处位置特殊性,如拉底爆破质量产生问题,将产生严重影响。

(1)由于应力集中,容易造成拉底穿脉和沿脉交叉口区域巷道破坏严重,炮孔堵孔、变形较大,同时巷道顶板破碎,造成安全风险。

(2)影响拉底爆破质量,拉底穿脉和沿脉交叉口区域巷道的应力集中,炮孔变形不符合质量要求,容易造成拉底爆破质量问题。

(3)由于矿区最大主应力垂直矿体走向,一旦拉底爆破产生质量问题,应力会通过残余矿柱和松散矿堆传至底部结构,底部结构应力大量集中可能导致出矿进路甚至穿脉垮塌,会给底部结构稳定性带来致命威胁。

(4)由于采用前进式拉底方式,残余矿柱和崩落矿堆传递的应力,造成底部结构应力集中,施工聚矿槽时,长期应力集中区矿岩势必引发岩体进一步破碎,造成聚矿槽中深孔施工困难和塌孔、堵孔、错孔现象频繁,给聚矿槽形成带来较大问题。

(5)难以观察拉底效果,一旦拉底出现岩墙、岩柱,在不知情的情况下继续拉底,将使处理变为不可能,对矿山生产造成致命威胁。

3.2 沿脉应力集中原因

对于拉底和沿脉巷道交叉口出现变形、垮塌现象,主要原因是受到本区段的采动和相邻区段的残余采动两个方面的影响。从表1可以看出,由于地应力方向不同,穿脉巷道和沿脉巷道所受最大主应力有明显不同,穿脉巷道应力值在24.15～24.51 MPa,最大位移在8.21～11.78 mm,沿脉巷道应力值在34.20～36.59 MPa,最大位移在12.51～18.01 mm,在拉底推进线方向约20 m范围内的区域处于应力集中状态,最大主应力接近30 MPa,而在拉底推进线后方40～50 m区域附近应力已发生释放,最大主应力仅为3～20 MPa[3]。

表1 穿脉和沿脉巷道应力和位移统计表

拉底工作面回采引起的超前支承压力的影响是在工作面的正常推进过程中,由于拉底工作面的持续推进,拉底面积越来越大,工作面前方形成了很大的超前支承压力作用,这个超前支承压力的影响是巷道在围岩变形和破坏的主要原因。工作面空顶区前方会出现应力集中,这与现场完全符合,根据现场观察、经验得到应力增高区大约20～30 m距离,在应力增高区是巷道出现变形、垮塌的主要区域,并且变形、垮塌区域随着拉底的推进而向前移动。同时相邻区段工作面回采时引起的侧向支承压力的影响同样不可忽视,由此会在拉底和沿脉巷道交叉口出现应力叠加区,即支承压力和侧向支承压力的叠加,具体如图2所示。

图2 穿脉和沿脉巷道交叉口应力叠加示意图

拉底爆破的拉底方式、拉底形状、拉底速度对拉底水平底部结构的应力状态影响较大。前进式拉底,巷道段越靠近崩落前锋,诱导应力越高,但是从前锋第一个15 m以外开始迅速下降,即拉底穿脉底部结构的应力会随着拉底推进线前进而前进。拉底过沿脉时,拉底线临近或位于底部结构的正上方时,应力达到峰值,极易造成底部结构破坏;当拉底线越过沿脉之后,应力急剧下降,形成缓解区,并逐渐趋于稳定[4]。

拉底和沿脉巷道交叉口在支承压力和侧向支承压力的叠加下,形成一个高应力集中区,对拉底过沿脉造成一定影响。

3.3 拉底过沿脉巷道爆破作用原理

拉底穿脉凿岩爆破一般为距离13 m两条相邻拉底穿脉同时进行,一般一次爆破2～3排,炮孔采用上向扇形孔,炮孔排距1.8～2.0 m,孔底距1.5～2.4 m,炸药采用ANN-2型粒状铵油炸药,连续柱状装药,孔底反向起爆,起爆药包为4节乳化炸药,严格控制装药长度和装药密度,所有炮眼均以炮泥堵塞,堵塞长度不得小于0.2 m。爆破采用排间微差爆破,两排延期为45 ms。每次拉底中深孔爆破后,需进行拉底出矿作业,出矿量为崩矿量的30%,要保证能够观察爆破效果,保证待崩矿岩与松散矿堆之间5～7 m的距离为宜,为下一次爆破通过爆破补偿空间。

拉底过沿脉巷道爆破实质即排间微差爆破、挤压爆破,作用原理如下所述。

(1)爆破应力的叠加作用。当先爆破的中深孔形成爆破漏斗,将漏斗范围内的岩石破碎后,应力场和微裂隙也就产生在漏斗周围的岩体上。在该应力场尚未消失之前的有利时间起爆后爆中深孔,形成先、后起爆的炮孔爆破应力的相互叠加,可以有效改善破碎效果[5]。

(2)补充破碎作用。当先爆孔破碎的岩石飞起尚未回落时,后爆孔紧接着起爆,爆下的岩石向刚形成的补充自由面方向高速飞散,与先爆破的岩石相互碰撞,起到补充破碎作用,不仅可以改善破碎效果,而且爆堆集中[6]。

(3)产生挤压破碎作用。中深孔爆破时,后起爆的岩块以50～100 m/s的速度高速冲击先爆破完成的岩块,将爆破产生多余的能量用于挤压破碎。但是拉底爆破时如果采用单排中深孔爆破就只可以产生一次挤压作用,破碎效果不显著,而采用多排中深孔微差爆破时,可以使中深孔单排或者多排依次微差起爆,只要控制合理的微差爆破间隔,可以多次产生挤压破碎作用,起到破碎岩石,降低大块的作用。

(4)降低爆破地震作用。中深孔合理的微差爆破间隔时间,可以使爆药包产生的地震波能量在时间上、空间上错开,从而降低了爆破地震效应。

(5)改善自由面条件。拉底时先爆破的中深孔形成的爆破漏斗破裂面,为后爆孔创造了新的自由面,先爆的中深孔会造成后爆中深孔前方排距小于孔底距,形成新的自由面,使爆破时最小抗线方向改变,从而改善了后爆孔的爆破条件,加强了入射应力波和反射性拉伸波对岩石的破裂面的作用。使后爆孔周围岩石受到破坏,抗爆强度降低,同时增加爆破自由面,减小夹制作用,有利于爆破效果的提高。

(6)形成瞬间自由面(空槽)的作用。多排中深孔微差爆破时,前排爆下的岩块向前挤压,在排面处瞬时形成一个空槽,因为多排微差挤压爆破前后炮孔的起爆间隔很短,往往为数十毫秒,后排中深孔起爆前可以在瞬时尚存一条最宽处约1 m的空槽,此时后排中深孔起爆,便可以以瞬时空槽为爆破自由面。

(7)改变应力波的能量分配。当爆破应力波传播到自由面时,反射波能量减少,透射波能量增加,因为自由面前面有比空气密度大得多的挤压物质。虽然反射波能量下降对岩体爆落不利,但由于对已爆岩块(压碴)的挤压和破碎,透射波能量上升对爆破岩块有利[7]。

4 拉底过沿脉分析

4.1 拉底过沿脉巷道的主要方式

现阶段拉底过沿脉巷道主要方式有两种,无切割井和切割井拉底过沿脉,主要区别就是是否有无切割井提供爆破自由面,两种方式主要施工参数如下:

1)无切割井直接拉底过沿脉巷道

沿脉设计净断面宽度3.8 m,现场实际宽度在4.0 m左右,设计增加中深孔3排,排距2 m,其中第一排和第三排各增加一排加强排,共计5排中深孔,高度较正常拉底高度增加1米,平顶部分为11 m(自巷道底板计算),桃形矿柱顶端16 m(自巷道底板计算),中深孔角度范围为26°～154°,炮孔孔底距不大于2.5 m;拉底巷道中炮孔孔底距为1.5～2.5 m,边孔角为42°。单排中深孔如图3所示,正常排和加强排中深孔一致。爆破时五排中深孔一次完成爆破,采用电子雷管毫秒微差爆破,第一排和第一排的加强排同时起爆,毫秒延期5 ms,第二排毫秒延期55 ms,第三排和第三排的加强排毫秒延期115 ms。

图3 无切割井拉底过沿脉巷道中深孔示意图

2)有切割井直接拉底过沿脉巷道

切割井布置在沿脉巷道一侧,尺寸为2 m×2 m(长×宽) ,间距为10 m,高度为15 m;切割巷中深孔炮孔设计如图4所示,炮孔采用上向扇形孔,排线方位角90°,拉槽边孔角70°,靠近切割井第一排炮孔排距1.0 m,其余炮孔排距1.4 m。第一次爆破扩井排和近井排,第二次爆破两切割井之间的剩余排位。采用排间微差爆破,微差时间25～50 ms,个别扩井炮孔采用孔间微差,间隔时间取25 ms,具体的雷管段位数将根据生产爆破效果进行调整。

图4 有切割井拉底过沿脉巷道中深孔示意图

4.2 不同拉底方式过沿脉巷道爆破分析

1)最小抵抗线

上述已经介绍无切割井和有切割拉底过沿脉巷道方式的参数,两种不同的拉底方式最小抵抗线也不同。在中深孔爆破中,每米钻孔爆破量的破拆效果受到最小抵抗线的直接影响,抛投距离和每米钻孔的块度也受其影响。爆破时岩石阻力最小的方向实际上就是最小抵抗线的方向,而这个方向的岩石运动速度最高,爆破作用也最为集中。最小抵抗线是拉底中深孔爆破作用的主导方向和抛掷作用的主导方向。

无切割井拉底过沿脉巷道排距为2.0 m,最下边孔与沿脉巷道距离2.5 m,实际施工时,由于沿脉巷道的变形,中深孔施工的误差,最下边孔与沿脉巷道距离小于2.5 m,甚至小于2.0 m,这就造成最小抵抗线发生了变化,原设计爆破作用的主导方向设计朝向已拉底空区方向,由于最小抵抗线发生变化,导致主导方向为沿脉巷道。有切割井拉底过沿脉巷道就不存在类似问题,爆破作用的主导方向始终为切割井方向。

2)自由面条件

自由面是爆破工程首先要考虑的因素,拉底爆破自由面的大小、数量直接影响了爆破效果,如果拉底爆破时增加自由面的数量,提高爆破自由面的大小,则可以减小爆破夹持作用,改善爆破条件,减少单位炸药消耗量。拉底中深孔和自由面的相对位置也会对爆破效果产生影响,自由面上装药的炮孔投射面积越大,产生反射性拉伸性破坏作用的爆破应力波就越有利。自由面小,夹制作用大,破碎体积小,且容易形成飞石,自由面条件大,爆破条件有所改善,破碎体积增加[8]。

有切割井拉底过沿脉巷道自由面条件较无切割井好,有切割井拉底过沿脉为3个自由面,分别是拉底空区、切割井、沿脉巷道,而无切割井自由面少1个切割井方向的自由面,由此分析,无切割井拉底过沿脉较有切割井夹制作用大,爆破效果将下降。

3)装药量

装药量是爆破设计中非常重要的参数, 装药量的大小直接关系到爆破效果的好坏、造价的高低以及爆破的安全问题[9],影响炸药单耗的因素很多,最主要的是工程地质情况、自由面条件、爆破方法和爆破要求等,在不同拉底方式过沿脉巷道爆破中,由于自由面条件、最小抵抗线、爆堆空间等条件的改变,导致有无切割井拉底过沿脉巷道的爆破参数产生较大差异,具体参数见表2,有切割井拉底过沿脉巷道的炸药单耗、雷管单耗、每米单耗、每米崩矿量和装药系数明显优于无切割井。

表2 不同拉底方式过沿脉爆破参数表

4)爆破的应力

炸药在固体介质中爆炸,爆破的破坏过程因介质的非均一性和爆炸反应的特殊性(高温、高压、高速)等多种因素而十分复杂。爆破的破坏过程是爆炸物能量在极短时间内释放、传递和工作的过程,荷载和介质在此过程中相互影响[10]。多排药包齐发爆破的应力波相互作用的情况较为复杂。在前、后排各两个炮孔所形成的四边形岩石中,各炮孔的爆破应力波相互叠加,造成了应力极高的状态,使岩石破碎效果大为改善。但另一方面,多排成组药包齐发爆破时,只有第一排药包爆破具有侧面和上表面两个自由面的优越条件,而后排药包的爆破只有上表面一个自由面,因自由面较少而受到较大的夹制作用,影响爆破效果。因此,就有无切割井拉底过沿脉的爆破应力进行简单分析,在无切割井拉底方式过沿脉中,由于最下炮孔与沿脉巷道距离和排距基本相等,导致在爆破时主应力被分散,形成两个次应力,导致爆破作用的主导方向发生改变。有切割井拉底方式过沿脉巷道爆破主应力将只产生一个,对爆破较为有利。

5 结论

通过以上分析,得出以下结论。

(1)拉底和沿脉巷道交叉口在支承压力和侧向支承压力的叠加下,形成一个高应力集中区,且在拉底前20～30 m应力就开始逐渐增大,应力叠加区拉底的推进而向前移动。拉底巷道和沿脉巷道交叉口位置需加强支护,并且加强支护区域需向拉底巷道两边延伸20 m,避免由于应力叠加导致巷道发生较大变形破坏,影响拉底爆破施工。

(2)拉底穿脉巷道受力较小、稳定性较好,但其和沿脉巷道交叉口处暴露面积大、稳定性较差,工程受力大、应力集中明显,需重点监控其稳定性。

(3)有切割井拉底过沿脉巷道较无切割井优点较多,从爆破自由面条件、装药量单耗、爆破应力等方面均优无切割井。且可知,爆破条件对爆破效果影响极大,为此,在爆破之前必须进行再次出矿,可保障自由面条件、爆堆空间在爆破时发挥较好的作用。

(4)拉底爆破在自然崩落法采矿中至关重要,在中深孔拉底爆破作业中,往往由于钻孔、装药施工质量、炸药或雷管质量、中深孔施工后塌孔、孔内掉块、地压错动等原因,会造成爆破不彻底、没有达到设计意图的现象,形成岩墙、岩柱、悬顶等,应根据现场实际条件进行设计优化,采用不同方式达到设计意图。

(5)中深孔施工质量严格的必要性,无切割井拉底方式过沿脉爆破设计常由于中深孔施工的误差导致最小抵抗线发生变化,导致爆破效果产生不确定因素。