頂?shù)字扑闅埖V體開采安全技術(shù)

顏秉超

(山東地礦集團有限公司)

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頂?shù)字扑闅埖V體開采安全技術(shù)

顏秉超

(山東地礦集團有限公司)

隨著新城金礦的大量開采，礦體頂?shù)字鶜埖V量持續(xù)增加，已占全礦儲量的8%，且礦石品位較高,為有效回收利用頂?shù)字鶜埖V資源，分析了該礦的地質(zhì)情況，通過礦山巖石力學試驗、現(xiàn)場地壓測試，選擇采場進路寬度4～6 m、進路長度30 m進行開采。

殘礦開采 巖石力學 回采寬度

礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)利用，導(dǎo)致許多礦山面臨資源枯竭的危險[1-2]。由于受到礦體賦存形態(tài)、地質(zhì)勘查程度、采礦方法、投資回收期等因素的影響，在礦石開采過程中常常出現(xiàn)采富棄貧、采易棄難等現(xiàn)象，致使地下存在大量的殘礦體，且品位較高，極具回收價值。因此，安全高效回采殘礦資源，成為采礦界亟需解決的一大難題[3-4]。

1 殘礦體開采地質(zhì)概況

新城金礦礦區(qū)位于沂沐斷裂東側(cè)，膠東隆起的西北部，棲霞背斜的北翼，黃縣—掖縣弧形斷裂帶的南西端，即焦家斷裂帶上，地質(zhì)構(gòu)造及裂隙較為發(fā)育。斷裂帶走向北東40°，傾向北西，傾角26°～30°。距離地表較近的1#礦體為主礦體，已經(jīng)基本開采完畢，僅有上部殘礦與-470 m水平以下少量礦石尚未開采。礦巖整體較為穩(wěn)固，大部分巷道無需支護，但局部地段圍巖較為破碎，裂隙比較發(fā)育[5-6]。礦體上盤巖石主要為絹英巖、絹英巖花崗質(zhì)碎裂巖，下盤為硅化絹云母化似斑狀花崗閃長巖。礦體賦存于黃鐵絹英巖化或硅化、絹云母化花崗閃長質(zhì)碎裂巖中。礦體下盤圍巖及部分礦體強度較高，普氏系數(shù)為8～10。礦井水文地質(zhì)條件簡單[7-8]。

2 礦巖物理力學試驗

為反映上下盤圍巖及礦體的巖石力學參數(shù)，采用電子天平、游標卡尺、WEP-600微機控制屏顯萬能試驗機、100 t壓力傳感器、開天4600計算機及相應(yīng)的繪圖機(圖1)進行礦巖物理力學試驗。在井下-120 m礦體上下盤取樣，并加工成巖石試件，如圖2所示，所得礦巖物理力學參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)據(jù)處理設(shè)備

圖2 測試試樣

巖性單軸抗壓強度/MPa彈性模量/GPa抗拉強度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)絹英巖花崗質(zhì)碎裂巖85．7321．224．8744．32黃鐵絹英巖花崗碎裂巖135．926．58．5345．78斑狀花崗閃長巖125．524．866．3745．21

3 地壓測試

圍巖應(yīng)力和變形是地質(zhì)、采礦各種因素綜合影響的結(jié)果，是評價現(xiàn)場采掘工作是否安全的關(guān)鍵因素，也是判斷采場是否需要采取支護措施、支護方式、檢驗支護效果的重要指標。

1407采場測點布置見圖3[9-10]，對1407#、1408#、1409#采場的4個斷面布點，其中3個斷面進行了有效測量，如圖4～圖6所示。

(1)進路采礦過程中，隨采礦的推進，進路頂板中各斷面壓力和位移均有不同程度的變化。其中1#斷面的水平壓力變化最大，為14.5 MPa，為垂直壓力變化的3倍多；水平位移和垂直位移變化都比較大，其他斷面較1#斷面稍小，但總體上變化規(guī)律相似。

圖3 1407#采場測點布置(-145 m平面)

圖4 1#斷面壓力及位移測量曲線

圖5 2#斷面壓力及位移測量曲線

圖6 3#斷面壓力及位移測量曲線

(2)測量斷面壓力和位移的變化與進路走向推進距離有關(guān)，開始階段變化急劇，增長快，待回采推進5～6 m之后，變化值趨于穩(wěn)定。

4 回采進路的寬度確定

4.1 力學模型建立

采用進路式回采，礦石采出后，直接頂為分層礦體或人工假頂，假頂上方進行尾砂充填。因此，回采進路寬度的直接頂分為分層礦體和人工假頂承載的兩種情況考慮[11]。根據(jù)進路開采特點，采用梁結(jié)構(gòu)極限穩(wěn)定理論來分析礦體或人工假頂?shù)膶挾龋⒘航Y(jié)構(gòu)力學計算模型，如圖7。設(shè)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別為p，q。

圖7 梁結(jié)構(gòu)力學計算模型

4.2 最大撓度的確定

(1)最大撓度計算。

(1)

從式(1)可知，撓度與垂直載荷成線性關(guān)系，與水平載荷呈非線性關(guān)系，隨著水平力的改變，最大變形將發(fā)生在梁的中部，即x=l/2處。

最大撓度[12]為

(2)

(2)最大許可撓度計算。設(shè)梁的許用拉應(yīng)力為[σt],則

(3)

進路的變形正比于進路寬度的4次方，即寬度增加一倍，變形量增加16倍，即進路寬度增加一倍，則水平臨界載荷減少4倍。對于水平應(yīng)力較大的礦井，采用大寬度進路開采有可能會由于水平力的影響而造成垮頂。因此，在新城金礦的開采中，以盡量不增大進路寬度為宜，選擇采場進路寬度4～6 m、進路長度30 m。

5 結(jié) 論

(1)對于頂?shù)字鶜埖V回收，試驗地段上盤圍巖抗剪切強度低，下盤圍巖比上盤圍巖抗剪切強度大。礦塊上盤的焦家主斷裂面有10～20 cm厚的斷層泥，遇水極易軟化。

(2)在-120 m殘礦回采地段上盤、礦體及下盤進行了取樣，分別進行了密度試驗、單軸抗壓強度試驗、抗拉強度試驗、抗剪試驗。

(3)通過現(xiàn)場測試，得到了殘礦回采區(qū)域的原巖應(yīng)力場，及進路采礦過程中進路頂板壓力與位移的變化關(guān)系。

(4)當進路垂直主應(yīng)力時，進路的受力情況及穩(wěn)定性是最差的；當進路平行主應(yīng)力時，進路的受力情況及穩(wěn)定性最好。應(yīng)用極限分析法和薄板理論，根據(jù)1407#采場實際情況，計算得到采場進路寬度4～6m、進路長度30m。

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2016-08-31)

顏秉超(1983—)，男，工程師，250014 山東省濟南市歷下區(qū)歷山路74號。