大結(jié)構(gòu)采場(chǎng)采礦工藝風(fēng)險(xiǎn)因素分析和控制

夏偉泉,劉 仁

(安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司, 安徽 六安市 237400)

隨著金屬礦地下開采深度和規(guī)模的不斷增大,井下作業(yè)的高危險(xiǎn)性日益突出。為了保障采礦過(guò)程中人員和設(shè)備的安全,避免由于意外事故而影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量,必須分析采礦過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因素并采取有效措施加以控制[1]。地下開采礦山的井下系統(tǒng)是一個(gè)人-機(jī)-環(huán)相對(duì)封閉的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境[2],其危險(xiǎn)因素眾多且事故發(fā)生后較難以控制,故對(duì)采礦過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素的辨識(shí)、分析、把控顯得尤為重要。目前普遍認(rèn)為粉塵、有毒有害氣體、噪音、采場(chǎng)暴露面積、爆破震動(dòng)、井下涌水、火源、巖爆、采空區(qū)、高地壓等是造成井下安全事故的常見風(fēng)險(xiǎn)因素,而采場(chǎng)暴露面積和爆破震動(dòng)是影響地下采場(chǎng)穩(wěn)定性的主要外界因素[3-5]。本文結(jié)合李樓鐵礦分析在大結(jié)構(gòu)采場(chǎng)中采場(chǎng)暴露面積和爆破震動(dòng)的控制機(jī)理和措施。

1 大結(jié)構(gòu)采場(chǎng)主要危險(xiǎn)因素及原因

李樓鐵礦為沉積變質(zhì)礦床,礦體均埋藏于地下,覆蓋層主要為第四系和青白口系老碑組。主礦體埋深標(biāo)高為-103~-800 m以下。李樓礦體頂板巖石主要為片巖、片麻巖、角閃巖、大理巖,裂隙不發(fā)育。礦體底板巖石主要為白云石大理巖,裂隙、巖溶均不發(fā)育,巖石完整性、穩(wěn)定性較好。含礦帶上部巖性主要為片巖、片麻巖、大理巖及石英磁鐵礦石,裂隙不發(fā)育且被充填,礦物蝕變普遍,巖石完整性較好、穩(wěn)定性差;在靠近礦體底板及礦層頂部附近擠壓破碎帶發(fā)育,礦體的完整性、穩(wěn)定性較差。礦床工程地質(zhì)條件中等偏復(fù)雜。

1．1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

李樓鐵礦采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法進(jìn)行回采作業(yè),礦床分礦房和礦柱兩步驟開采,其中礦房、礦柱寬均為20 m,高100 m,長(zhǎng)為礦體厚度。-325,-350,-375 m水平為鑿巖水平,-400 m水平為集中出礦水平。一步驟礦房開采結(jié)束后,利用尾砂和膠凝材料進(jìn)行充填,充填結(jié)束后對(duì)礦柱進(jìn)行回采。

針對(duì)李樓鐵礦的實(shí)際采礦情況,依據(jù)《企業(yè)職工傷亡施工分類》(GB6441-1986)標(biāo)準(zhǔn),組織相關(guān)單位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,列出地下開采當(dāng)前可能存在的工藝危險(xiǎn)因素,通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)因素的分析,確定了合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),并制定了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1．2 主要危險(xiǎn)因素及原因分析

地下采場(chǎng)穩(wěn)定性的危險(xiǎn)因素包括自然因素和外界因素。自然因素是不可改變的因素,只能通過(guò)采取措施去被動(dòng)管理,其中包括地質(zhì)構(gòu)造、地層與巖性、地應(yīng)力、地下水4個(gè)因素;外界影響因素主要是指在礦山開采時(shí)人為擾動(dòng)因素,包括采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、采礦工藝、爆破震動(dòng)、采場(chǎng)暴露時(shí)間、支護(hù)方式等5個(gè)因素,可以通過(guò)采取相應(yīng)措施來(lái)主動(dòng)控制。

1．2．1 采場(chǎng)暴露面積

暴露面積是一個(gè)極其重要的影響采礦安全的結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,不僅要考慮采場(chǎng)頂板的暴露面積,還要考慮側(cè)幫的暴露面積。暴露面積的大小直接關(guān)系到采場(chǎng)頂?shù)装搴拖卤P巷道圍巖的穩(wěn)定性。在回采過(guò)程中,礦房跨度大,生產(chǎn)效率高、礦石回采率高,但增大礦房跨度的同時(shí),也會(huì)增加采場(chǎng)的不安全性因素。因此在回采設(shè)計(jì)編制過(guò)程中,必須確定合理的暴露面積。

根據(jù)李樓鐵礦礦巖性質(zhì),通過(guò)采用Mathews穩(wěn)定圖法確定采場(chǎng)暴露面積值,同時(shí)也參照國(guó)內(nèi)外類似條件的礦山,然后給出最終的推薦值。

Mathews穩(wěn)定圖方法的設(shè)計(jì)過(guò)程以兩個(gè)因子——穩(wěn)定數(shù)N和形狀因子(或水力半徑)S的計(jì)算為基礎(chǔ),然后將這兩個(gè)因子繪制在劃分為預(yù)測(cè)穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定區(qū)和崩落區(qū)的圖上。穩(wěn)定數(shù)代表巖體在給定應(yīng)力條件下維持穩(wěn)定的能力,形狀因子或水力半徑S則反映了采空區(qū)尺寸和形狀[6-8]。

圖1 Mathews原穩(wěn)定圖(1980)

待分析的采場(chǎng)幫壁或采空面的形狀因子S按下式計(jì)算:

S＝待分析幫壁或采空面的橫截面積÷待分析幫壁的周長(zhǎng)

描述采場(chǎng)條件的穩(wěn)定數(shù)N,定義為:

式中,Q′為修正的Q系統(tǒng)分級(jí)值,其中的地應(yīng)力影響因素SRF設(shè)為1．0,地下水的影響因素JW＝1;A為巖石強(qiáng)度因子,為在評(píng)價(jià)的采空面邊界上巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc與誘生的壓應(yīng)力σ1之比,其取值范圍為:

若σc/σ1＜2 A＝0．1

若2＜σc/σ1＜10 A＝0．1125?(σc/σ1)-0．125

若σc/σ1＞10 A＝1

B為節(jié)理方向調(diào)整參數(shù),取決于關(guān)鍵不連續(xù)節(jié)理面方向與待分析面方位間的差值;C為重力調(diào)整因子,與重力作用下的待分析采空面的破壞模式如頂板冒落、片幫、幫壁下滑等有關(guān)。

通過(guò)對(duì)李樓鐵礦進(jìn)行Mathews穩(wěn)定分析,以及結(jié)合同類礦山采空區(qū)面積,得出李樓鐵礦合理的采場(chǎng)暴露面積:

(1)采場(chǎng)頂板暴露面積為900~1600 m2,礦體側(cè)幫暴露面積為6000~8000 m2。節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)取小值,反之取大值。

(2)灰砂比為1∶4~1∶8的充填體,其側(cè)幫暴露面積為5000~8000 m2。其中,灰砂比為1∶4的充填體,其側(cè)幫暴露面積為8000 m2;灰砂比為1∶6的充填體,其側(cè)幫暴露面積為6000 m2;灰砂比為1∶8的充填體,其側(cè)幫暴露面積為5000 m2。

(3)因巖性不同,上、下盤圍巖的暴露面積相差較大。其中,李樓鐵礦下盤圍巖暴露面積值為7000~10000 m2;李樓鐵礦上盤圍巖的穩(wěn)固性較差,其暴露面積值為1750~4200 m2,將在一定程度上控制采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

1．2．2 爆破地震波分析

炸藥在爆破時(shí),在周圍介質(zhì)中誘發(fā)了振動(dòng),并通過(guò)大地向周圍傳播,給附近建筑物帶來(lái)破壞效應(yīng)及影響。因此,怎樣正確地認(rèn)識(shí)爆破地震強(qiáng)度及相關(guān)影響因素,利用爆破測(cè)試技術(shù),對(duì)爆區(qū)附近被保護(hù)建(構(gòu))筑物和正在運(yùn)行的設(shè)備基礎(chǔ)布點(diǎn)進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試,并通過(guò)采取各種控制爆破振動(dòng)的措施,來(lái)控制一次爆破規(guī)模及危害,以選擇最佳爆破方案來(lái)保證建筑物和運(yùn)行設(shè)備的安全,顯得至關(guān)重要[9-11]。

1．2．2．1 地震波測(cè)量

爆破地震效應(yīng)觀測(cè)試驗(yàn)的主要目的和內(nèi)容:

(1)確定爆破地震波沿充填體及巖層的傳播規(guī)律和某些特征點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,為充填體穩(wěn)定性研究提供科學(xué)依據(jù)和確定允許的最大單段裝藥量,把正常生產(chǎn)爆破對(duì)充填體及地表建(構(gòu))筑物可能造成的危害降到最小,確保充填體的穩(wěn)定及地表建(構(gòu))筑物不遭到破壞。

(2)本次爆破地震效應(yīng)觀測(cè)試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括地表測(cè)振和井下充填體的測(cè)振,收集爆破地震波在巖層和充填體中傳播的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的數(shù)據(jù),確定爆破地震波沿充填體及巖層的傳播規(guī)律。

1．2．2．2 地震波數(shù)據(jù)處理

相關(guān)數(shù)據(jù)的分析方法因考慮的因素差異而有所不同,李樓鐵礦爆破地震效應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí),高差呈規(guī)律變化,在不考慮高差影響的情況下,采用國(guó)家《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)中的公式依據(jù)一元線性回歸方法處理數(shù)據(jù),該公式表達(dá)為:

式中,v為爆破震動(dòng)峰值振速,cm/s;ρ為比例藥量;Q為爆破微差段藥量,kg;R為爆心至測(cè)點(diǎn)的距離,m;k為場(chǎng)地條件系數(shù),由測(cè)振研究確定;α為爆破震動(dòng)衰減系數(shù),由測(cè)振研究確定。

通過(guò)對(duì)李樓鐵礦采場(chǎng)進(jìn)行爆破測(cè)震實(shí)驗(yàn),得出井下充填體和地表震動(dòng)數(shù)據(jù)。采用一元線性回歸方法可以得出,k＝435．9,α＝1．539。根據(jù)爆破震動(dòng)對(duì)地表的影響振速的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),中深孔爆破最大段藥量Q＝880 kg。

2 工程實(shí)際應(yīng)用

李樓鐵礦采場(chǎng)長(zhǎng)度控制在80 m以內(nèi),根據(jù)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以得出頂板暴露在1600 m2以下,側(cè)幫暴露面積在8000 m2以下。采場(chǎng)回采結(jié)束后,通過(guò)對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行三維激光掃描結(jié)果分析,頂板和側(cè)幫未出現(xiàn)大面積冒落和片幫現(xiàn)象。

李樓鐵礦采用孔間微差多排同時(shí)起爆的爆破工藝進(jìn)行回采作業(yè),裝藥過(guò)程中,單段藥量最大為530 kg,通過(guò)對(duì)地表進(jìn)行測(cè)震分析,振動(dòng)測(cè)速最大值為0．986 cm/s,符合爆破安全要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

李樓鐵礦采礦工藝從技術(shù)角度出發(fā)是可行的,通過(guò)對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和爆破參數(shù)的控制,可以避免施工過(guò)程中出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素對(duì)地表和井下安全造成影響。