武山銅礦膠結充填體頂板穩定性淺析

張葆春,保文俊,趙永和

(江西銅業集團公司武山銅礦,江西九江 332204)

武山銅礦膠結充填體頂板穩定性淺析

張葆春,保文俊,趙永和

(江西銅業集團公司武山銅礦,江西九江 332204)

江銅集團武山銅礦自 2007年開始在該礦北礦帶試驗下向水平分層膠結充填采礦法;通過兩年多的實踐摸索,解決了一系列工藝環節問題。由于膠結充填體作為采場頂板,故膠結體的穩定性研究是礦山生產技術的一項關鍵工作。本文從定性定量的角度分析了膠結體的受力狀態,從采場實際生產出發,總結了提高頂板穩定性的措施。

膠結充填體;穩定性;頂板

1 前言

伴隨社會技術經濟的發展,礦產資源的珍貴性日顯突出;在此大環境下,安全高效、高回收效的膠結充填采礦方法在國內礦山采礦方法的類別比例越來越大;而在下向采礦法中,膠結充填的同類礦山并不多見,僅有金川鎳礦及會澤鉛鋅礦等少數礦山將膠結充填體作為采場頂板;且各個礦山的礦體賦存情況、地質構造均差異較大。武山銅礦作為一個大型銅硫礦山,自 2007年與長沙礦山院合作,在南礦帶試驗采場進行下向膠結充填前期試驗;在取得階段性成果后,依據中國有色工程設計院所做的《江西銅業股份有限公司武山銅礦深部挖潛擴產技術改造初步設計》,在北礦帶逐步推廣膠結充填采礦新工藝。而采礦工藝是礦山企業的技術核心,直接影響企業的安全效率,在沒有技術積累的前提下,礦山工程技術人員必須立足自身,并積極與相關科研院所配合合作,對膠結充填體工藝悉心研究,控索規律,以指導采場作業。

2 礦區地質概況

武山銅礦屬長江中下游大型銅硫礦床,它分為南北兩大礦帶。北礦帶位于花崗閃長斑巖體的北側,礦化帶長2700m,寬 200m。工業礦段長 1600 m,有工業礦體 7個,其中 1Cu礦體規模最大,為主要開采對象,它位于武山南坡,賦存在泥盤系上統五通組砂巖與石炭巖系中統黃龍階灰巖的層間破碎帶中,礦體呈似層狀順序產出,傾向 165°,傾角 56°～64°,局部地段變陡為 70°～83°,變緩為 44°;礦體長 1600 m,平均厚 16. 8m.礦石類型:淺部為含銅黃鐵礦和含銅高嶺土,深部為含銅矽卡巖和含銅碳酸巖。礦石結構有塊狀晶狀結構、填隙結構、溶蝕結構、共邊結構等,礦石構造有塊狀構造、脈狀構造、浸染狀構造等。1Cu礦體的底板主要為含礫石英砂巖,其次為花崗閃長斑巖;頂板為白云巖、大理巖,局部地段為花崗閃長斑巖、煌斑巖、高嶺土,礦體附近的火成巖脈在淺部均遭受了強烈的風化,為不良工程地質體[3]。

3 下向水平分層膠結充填采礦法

武山銅礦從 1966年開始建設以來,北礦帶起初采用崩落法:高分段崩落,后成低分段崩落及分層崩落,由于礦石易氧化自燃,給安全生產帶來了很大的隱患,也造成了很大的貧化損失。1990年與北京礦冶總院共同完成了北礦帶鋼筋混凝土假底下下向進路式水砂充填采礦方法的試驗研究,1992年完成了南礦帶上向斜壁寬分條水砂充填采礦法試驗。兩種采礦方法一直沿用至 2005年,并在實踐中不斷對采礦工藝進行創新。為了解決下向坑木支護問題及擴產需要,提高單個采場的生產能力,2005年,根據二期擴產工程北礦帶設計的分級尾砂下向膠結充填采礦法,先選擇南礦帶W4盤區進行下向進路式膠結充填采礦法度試驗,取得了成功,2006年后推廣到北礦試驗成功后全面推廣。現武山銅礦所有北礦帶采場使用的采礦方法都為下向水平分層進路式膠結充填采礦法,具體如圖 1:

圖 1 下向水平分層進路式充填采礦法[4]

4 充填采礦法膠結體受力分析

通過在采場預埋混凝土應變計、鋼筋測力計、木支柱壓力計來分別監測不同回采斷面下膠結充填體受力變形的規律與特性,以及豎筋的受力狀況及木支柱受力狀況。

從監測結果分析:

(1)豎筋受力分析。①斷面增大后 (由 3 m＊3 m擴大至 5 m＊3 m)鋼筋計所受拉應力幾乎為原先的 2倍;②從整個豎筋受力變化曲線圖來看,充填體暴露為頂板之前,曲線較為平緩,而且主要為壓應力,說明此時充填體中的豎筋受力較小,變化不大。在充填體暴露為頂板時,曲線斜率較大,且呈拉應力,證明此時豎筋受力明顯增大,豎筋對充填體起了懸吊作用,之后的一段時間,曲線又趨于平緩,說明隨著充填體暴露時間的增大,充填體中豎筋受力變化不大,整個豎筋受力比較穩定 (如圖 2)[1]。

(2)應變數據分析:上層充填體剛暴露為頂板時,充填體變形較為明顯,變形幅度大,但隨著分條的繼續回采作業,暴露為頂板的充填體變形穩定在一個范圍內,直到分條結束回采 (如圖 3)[1],從小平面內垂直于回采分條軸線方向應變計監測結果來看,充填體下部產生受拉變形,上部產生受壓變形。由此可以以為,在大斷面回采情況下,頂板充填體在垂直于分條思線平機內變形形式為梁彎曲變形;充填體變形使得頂板中間部位出現較大的拉應力。

圖 3 監測點充填體應變曲線

(3)木支柱受力分析:①被監測的木支柱受力很小,說明分條回采過程中,頂板充填體下沉量很小,沒有對木支柱產生較大的壓力。②經比對發現,靠近充填體一側立柱所受的壓力略大于靠近礦體一側受所的壓力。說明回采分條中,靠近充填體一側充填體的下沉量要大于靠近礦體一側。

5 增強頂板膠結體穩定性措施

從分析結果來初步判斷,下向膠結充填采場頂板的膠結充填體呈梁彎曲受力變形狀態。且失去礦巖支撐后,變形主要由膠結體自重引起,受外力的影響因素不多。和過去下向水沙充填受力不同的是:水沙充填時,木支柱與頂板的鋼筋混凝土假底形成簡支梁受力結構;而膠結體依托周邊礦柱或人工支護形成組合梁受力結構。

依據以上結論,礦山工程技術人員在提高充填體質量的前提下,主要采取以下兩大現場措施來增強膠結充填體的穩定性:

(1)合理調整豎筋長度。膠結充填體下部(1:4的灰沙比)與上部(1:8的灰沙比)形成組合梁;而其中豎筋起錨桿的錨固作用,對組合梁進行強化。這樣豎筋的網度與長度起了關鍵作用。根據麥康公司提供的計算公式:

H=l/3+0.5

公式中的 l為回采斷面的跨度,H為豎筋的高度。在斷面為 5 m時,H=2.17 m,豎筋的網度為1.6m＊1.6 m。而斷面增大到 5 m(寬)＊4 m(高)后,原有的豎筋長度已難以滿足組合梁的要求 (與下部膠結體高度 2 m相近),不能有效地將上下部膠結體錨固牢靠。

在此情況下,豎筋的網度仍維持在 1.6 m＊1.6 m,而長度必須及時調整。根據巷道高度及么填工藝,將豎筋長度由 2.2 m增大到 2.4 m,即為巷道高度的 60%。所以豎筋長度的確定不能單一的依據回采巷道跨度,而是要結合充填工藝,將巷道高度納入考慮因素。

(2)在采空區內增設人工點柱,下向膠結充填采礦中,由于受充填接頂率的制約,膠結體難以支撐頂柱,而補充的尾沙接頂后,強度不高。隨著回采的進行,頂柱膠結體的暴露面積和暴露時間逐漸增大;在自重的影響下,下沉量也逐漸增加,隨著塑性變形量的增大,頂板膠結體中部會產生非充填質量引起的裂縫和層狀掉塊。針對這種現象,在對采空區充填前在空區內施工梅花形坑木頂柱,形成人工點柱 (如圖 4);而充填后,膠結充填體會對頂柱提供足夠的側向壓力,使頂柱的豎直方向單軸抗壓強度陡增。有效的支撐了頂板[2],換個角度說是減少了頂板組合梁的跨度,降低了下沉變形量。

圖 4 人工頂柱布設圖

6 效果比對

隨著以上措施的實施,武山銅礦下向膠結充填采場的頂板穩定日趨加強,有效控制了頂柱的下沉引起的膠結體破壞。在圍巖風化破碎的 E8采場,通過實施采空區人工頂柱后,頂板開裂現象大幅減少;而維護頂板所耗的鋼梁減少 60%以上。豎筋長度增加后,懸吊作用更為顯著,再未發生膠結充填體整體脫落的重大事故。并且上述措施在實踐成功后,經過整理總結,已納入礦山膠結充填技術規范?？傊?隨著工程技術人員對下向分層膠結充填認識的不斷深入,一些受力機進理逐步被了解,在此基礎上摸索出的防范措施有效指導了采場作業;促使膠結充填采礦方法在礦山企業的不斷成熟運用,新型采礦方法的掌握也是促使礦山企業安全、高效發展的核心基礎。

REFERENCES

[1] 趙奎.武山銅礦在斷面開采條件下分級尾膠結充填試驗研究[R].2009.

[2] 《采礦手冊》編委會.采礦手冊第一卷[M].冶金工業出版社, 1988.

[3] 王忠玲.武山銅礦床的地質特征及成因[J].地質與勘探, 1987.

[4] 吳已成.三中段開采在武山銅礦的研究應用[J].銅業工程, 2009,(3).

The Stability Analyses to Top Tray of the Cemented Backfill Process in W ushan CopperM ine

ZHANGBao-chun,BAO Wen-jun,ZHAO Yong-he
(Wushan CopperMine of JCC,Jiujiang,332204,Jiangxi,China)

Since 2007,underhand sublevel cemented backfill mining method has been used in north zone of Wushan Copper Mine.After two years practice,thismethod solved lots of problems in process.Since the cemented backfill body is to be the top tray, so the research of cemented stability should be the key pointofmining production technology.This article analyses the stress of cemented and summarizes the effective measures to improve the stability of top tray

cemented fillingmass;stability;top tray

book=22,ebook=140

TD853.34

B

1009-3842(2010)03-0022-03

2010-06-08

張葆春(1968-),男,漢族,江西上猶人,本科,采礦工程師,主要從事采礦工程管理及礦山地下開采研究工作。E-mail:wstkzbc @sina.com