盧央澤
(長沙有色冶金設計研究院有限公司)
充填采礦法尾隨作業(yè)及保障措施
盧央澤
(長沙有色冶金設計研究院有限公司)
從增加回采中段和提高礦山規(guī)模出發(fā),探討了尾隨作業(yè)實現(xiàn)方式,運用數(shù)值模擬方式分析了下階段充填體對頂?shù)装逄倚蔚V柱影響及對上階段礦體回采的安全性影響,提出了尾隨作業(yè)安全保障措施,對選擇提高礦山規(guī)模實現(xiàn)方式具有一定的借鑒作用。
尾隨作業(yè) 頂板穩(wěn)定性 有限元分析 安全措施
隨著礦業(yè)的快速發(fā)展,礦山開采規(guī)模越來越大,對地下礦山增加回采中段是加大開采規(guī)模最直接的方式。根據(jù)回采工藝特點,空場法和充填法都有條件實現(xiàn)多階段回采。例如弓長嶺鐵礦空場法、金川二礦區(qū)充填法等[1]。充填法開采時可能會造成中段地壓集中,使該中段回采困難,而采用自下而上尾隨作業(yè),下一中段的回采超前于上一中段,避免了上、下部中段回采后中段應力集中的問題,且尾隨作業(yè)增加了回采作業(yè)面,提高回采強度,年平均下降速度比單中段回采提高約50%。筆者就某充填礦山采用尾隨作業(yè)提高礦山規(guī)模的方式,分析了頂?shù)装逄倚蔚V柱的安全性和保障措施。
1.1 實現(xiàn)尾隨作業(yè)的技術(shù)條件
某礦南部礦體走向長度平均1 km,主要采用大直徑深孔鑿巖、階段出礦、嗣后充填采礦法,礦塊垂直礦體走向布置,平均長度50 m,寬度15~20 m,高度60 m,運輸中段高度120 m。一步采礦塊和二步采礦塊間隔布置,首先回采一步采礦塊,待充填養(yǎng)護完畢后,回采二步采礦塊,其中一步采礦塊和二步采礦塊出礦高度均為60 m。尾隨作業(yè)見圖1。
1.2 實現(xiàn)尾隨作業(yè)的過程
按照可布礦塊數(shù)、有效礦塊數(shù)、同時回采礦塊數(shù)進行生產(chǎn)能力驗證??刹嫉V塊數(shù)統(tǒng)計是根據(jù)分層平面圖和采礦方法布置,分階段統(tǒng)計礦塊數(shù)量;有效礦塊數(shù)是剔除不完整塊礦、上下重合不能同時回采礦塊,并折合成標準礦塊統(tǒng)計出階段礦塊數(shù);根據(jù)統(tǒng)計的有效礦塊再乘以0.25的礦塊利用系數(shù)求得回采礦塊數(shù),乘以礦塊綜合生產(chǎn)能力后得出該階段生產(chǎn)能力。礦塊綜合生產(chǎn)能力是根據(jù)采準切割、回采出礦、充填工序所需時間與出礦量比求得,因此回采礦塊數(shù)還包括采準切割、回采出礦、充填工序所需要的所有礦塊數(shù)。
圖1 二步采回采關系示意
通過上述分析,一個階段同時回采的礦塊數(shù)只是占全部有效礦塊數(shù)的1/4,還有3/4的有效礦塊可以利用。由于采用階段充填采礦法,一步采和二步采礦塊間隔布置,達到階段生產(chǎn)能力時,單中段工作礦塊的工作面長度需要占階段全部工作面長度的1/2,為尾隨作業(yè)創(chuàng)造了條件。
為實現(xiàn)尾隨作業(yè),下中段宜從中間向兩端回采。下部段一步采和二步采間隔布置,先進行一步采,待一步充填養(yǎng)護后,再進行二步采,二步充填養(yǎng)護后,下中段至少有5個礦塊已充填養(yǎng)護好,這時上中段一步采礦塊(下中段對應的一步采礦塊)即可進行回采作業(yè),即上中段尾隨作業(yè)正式開始,上、下中段同時進行。尾隨作業(yè)時,下中段的生產(chǎn)要超前于上中段的回采,其特點:①上中段采準工作必須是在下中段充填體上作業(yè),故對應的充填體必須具備設備安全行走條件;②上中段回采礦塊與下中段回采礦塊平面距離至少為60 m(具體應根據(jù)礦巖和充填體的穩(wěn)定性)以上,遇不穩(wěn)定情況應加大間距。尾隨作業(yè)上下相鄰中段回采關系見圖2。
圖2 尾隨作業(yè)示意
尾隨作業(yè)是上中段在充填體上作業(yè),而充填體因沉縮不會完全接頂,制約尾隨作業(yè)的影響因素主要有:巖體穩(wěn)定性、原巖應力、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、充填體質(zhì)量、回采工藝技術(shù)等。設計采用大型有限元分析軟件-ANSYS對其進行穩(wěn)定性分析和評價,以確保礦體的安全回采[2-6]。
2.1 計算參數(shù)
計算采用的礦巖及充填體力學參數(shù)見表1。
表1 礦巖和充填體力學性質(zhì)
2.2 ANSYS模擬結(jié)果
應力、位移最大值和采場穩(wěn)定性關系見表2,頂板及充填體礦柱的拉應力分布見圖3~圖5。
表2 采場應力及位移數(shù)值模擬結(jié)果
圖3 頂板拉應力橫剖面
2.3 結(jié)果分析
(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明,各采場靠下盤頂板和充填體礦柱底板出現(xiàn)拉應力集中,頂板拉應力最大值為0.7~1.1 MPa,對整體采場穩(wěn)定性不會造成較大或嚴重影響。
圖4 充填體礦柱位移分布
圖5 充填體拉應力分布
(2)充填體礦柱中最大壓應力為0.88 MPa,出現(xiàn)于充填體頂部。從受力狀態(tài)來看,充填體頂部較穩(wěn)定,由于上部覆巖載荷的影響,充填體底板出現(xiàn)了不同程度的拉應力集中。
(3)從充填體的位移來看,其最大變形主要出現(xiàn)在充填體中央,相對變形值一般為0.03%~0.04%,數(shù)值較小,表示充填體和頂板未產(chǎn)生大的變形,頂板上覆巖層的變形很小。
(4)綜上所述,礦巖穩(wěn)固的情況下,頂板極限暴露面積約1 260 m2,為確保上部隔水礦柱不產(chǎn)生導水裂隙,沿礦體走向每200~300 m,垂直礦體走向留30~40 m的條形礦柱,該礦柱要求自上而下統(tǒng)一留設,且要求上下對應。
(1)沿礦體走向,采用由礦床中部向兩翼推進回采順序,減輕上部中段地壓應力對回采的影響,為尾隨作業(yè)創(chuàng)造條件。
(2)在礦房、礦柱采場回采過程中,應嚴格實行留礦爆破,減少采空區(qū)暴露高度??刂畦弾r偏斜率,以控制采場崩落界線,優(yōu)化鑿巖爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu),選擇合理的起爆順序,控制最大單響藥量,以便有效減少爆破對采場完整性的破壞。同時,實施強化開采,縮短采場回采周期,減少采空區(qū)暴露時間,加強上、下中段的爆破工作管理,做到同時爆破,協(xié)調(diào)一致,減少爆破振動對上部礦段礦房及充填體的影響,確保人員及設備的安全。
(3)加強生產(chǎn)管理,合理布置尾隨作業(yè)生產(chǎn)礦塊。采用自下而上尾隨作業(yè)時,下中段回采、出礦、充填、養(yǎng)護,上中段采準、采切;下中段的一步采和二步采礦塊超前上中段回采,只有下中段礦塊完成充填養(yǎng)護最后一道工序后,在頂部充填不小于1m的高配比膠結(jié)充填層,當充填體養(yǎng)護強度至少要達到設備行走所要求的強度時,上部中段才能回采。
(4)采取多點下料、多次接頂?shù)却胧┍WC較高的接頂率,加強充填材料特別是水泥的質(zhì)量檢測、充填料配比控制及充填體強度檢驗,使充填體強度達到設計要求。
本次數(shù)值模擬所使用的力學參數(shù)都是在地質(zhì)報告提供的巖體力學性質(zhì)條件下,類比其它礦山得到的,即未考慮構(gòu)造應力的條件下得出的。由于構(gòu)造應力的復雜性、巖石力學性質(zhì)試驗取樣的局限性、巖體結(jié)構(gòu)面的復雜性等因素,計算所需的巖體力學參數(shù)難以準確確定。因此,模擬得到的絕對數(shù)值(如應力、位移等)與實際工程可能存在差距。建議在礦山投產(chǎn)后盡早開展采礦方法試驗,盡快掌握符合礦山實際的地壓活動規(guī)律,為安全生產(chǎn)提供有力保障。
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2014-07-30)
盧央澤(1981—),男,碩士,工程師,410011 湖南省長沙市解放中路199號。