自然崩落采礦法不同拉底方式過沿脈技術分析

楊云強, 何 翔, 王 歡, 游 鋒, 蘇芳林

(金誠信礦業管理股份有限公司, 北京 101500)

1 前言

自然崩落法采礦原理是利用地球內部的應力、上覆巖的重力、地質構造運動產生的殘余應力和礦山井巷工程造成的應力集中和分散,通過一些垂直和水平的巷道沿礦塊四周削弱其與周圍的聯系,破壞礦石整體的應力平衡,使采區內的礦石在階段的整個高度上自然崩落,并通過合適的底部結構放出、運走,保證崩礦的連續進行[1]。拉底的實質就是在拉底水平采用普通的回采法,利用中深孔爆破將拉底水平上部的一層礦石采出,形成自由空間,隨著拉底面積不斷擴大,使拉底水平上部礦體失去支撐進而在重力作用下自然崩落,破碎的礦石則通過位于拉底水平下的出礦水平鏟出,在出礦水平放出礦體后,使其上部礦石繼續破裂,持續崩落。自然崩落法采礦中拉底的目的就是在礦塊底部形成自由空間,促使礦石自然崩落,調整應力的分布,使應力向有利于礦巖崩落的方向發展。圍繞實現拉底目標,拉底的作用與目的主要體現在三方面:(1)提供充足空間,保證礦巖自然崩落的持續進行。(2)獲得要求的拉底面積以進行初始崩落,并使周圍巖體的破壞最小。(3)增加崩落水力半徑,初始崩落后,隨拉底繼續推進降低拉底巷道拱腳應力。拉底工作是一項復雜的系統工程,它所影響的范圍和深度,是比較廣泛、全面的。因此在生產中,要全面認識和考慮拉底工作,趨利避害[2]。拉底形狀影響著拉底速度和礦塊的初始崩落,對礦山生產特別是新建礦山具有重大的影響。某礦礦石的可崩性為中等,為了減小前期的礦石塊度,減少前期投產風險,參考礦山實際生產經驗,拉底形狀采用扇形斷面形式。但是在實際生產過程中,拉底和沿脈巷道交叉口由于應力集中,前期采用無切割井爆破方式進行拉底易造成兩條拉底巷道間由于爆破時貫通斷面較小,容易形成巖墻;斷面部分炮孔處于同一平面上,爆破時容易產生爆破衰減,造成拉底高度下降,嚴重影響拉底爆破質量,底部結構穩定性易受到影響。經過對爆破條件分析,可以通過有切割井爆破方式過沿脈,實現改變最小抵抗線、增加自由面、調整爆破應力方向的方式有效提高拉底過沿脈爆破質量,解決相應聚礦槽爆破問題的頻繁出現,即出現樓板等現象(拉底空間與聚礦槽未完全貫通,無法形成礦石持續崩落面) ,同時一定程度上減小了對底部結構穩定性的影響。

2 工程概況

該礦的礦床成礦作用發生于巖體邊部產出脈狀礦體的復式斑巖中,由細脈浸染礦石組成的筒狀礦體的巖體中心。 該礦以銅為主要成礦元素,并有伴生元素,如金、銀、鉬、硫等。礦化帶呈穹窿狀,長2 300余m,寬600～800 m,面積約1.09 km2。首采礦塊位于整個礦體偏中南部,礦塊尺寸為長×寬=500 m×330 m,面積約16.7萬km2。礦體最大崩落高度為370 m,平均崩落高度200 m。巖體質量以Ⅲ類為主,礦巖可崩性中等,根據地質報告和巖石力學研究表明:礦體節理裂隙發育,礦石不自燃,不黏連,允許地表崩落。

該礦設計將3 720 m出礦水平以上的200 m礦體為采場,通過對出礦水平上16 m的3 736 m拉底水平實施中深孔拉底爆破,使其內部不連續面的拉底空間(高15 m)在重力作用下按產量要求的速度和期望塊度崩落,拉底空間在次生應力場作用下不斷崩落擴大,達到初始崩落面積之后,崩礦通過布置在拉底和出礦水平之間的聚礦槽放出。拉底巷道垂直礦體走向布置,在兩條出礦巷道之間上方布置兩條平行的拉底巷道(空間上) ,采用雙拉底巷道上向扇形炮孔拉底方式,拉底巷道采用13 m、17 m間隔布置方式,出礦巷道間隔為30 m,巷道凈斷面尺寸為3.8 m×3.8 m。13 m距離的拉底巷道對應兩條出礦巷道之間的聚礦槽中心位置,17 m距離的兩條拉底巷道則與下部出礦穿脈之間形成較為規整的底部結構礦柱。

3 拉底過沿脈原理

3.1 拉底過沿脈簡介

某銅礦拉底水平工程包含24條拉底穿脈、2條上盤沿脈、2條下盤沿脈、1條切割大巷,將整個拉底水平分為4大塊,具體如圖1所示,其中平巷總長為6 224.1 m,凈斷面一致,規格為3.8 m×3.8 m,噴混凝土或錨噴網支護。24條拉底穿脈均需爆破過沿脈,拉底穿脈與沿脈交叉位置應力較集中,爆破前常出現中深孔堵孔、沿脈垮塌現象,對拉底中深孔爆破質量造成嚴重影響。

圖1 某銅礦拉底水平平面

拉底過沿脈由于所處位置特殊性,如拉底爆破質量產生問題,將產生嚴重影響。

(1)由于應力集中,容易造成拉底穿脈和沿脈交叉口區域巷道破壞嚴重,炮孔堵孔、變形較大,同時巷道頂板破碎,造成安全風險。

(2)影響拉底爆破質量,拉底穿脈和沿脈交叉口區域巷道的應力集中,炮孔變形不符合質量要求,容易造成拉底爆破質量問題。

(3)由于礦區最大主應力垂直礦體走向,一旦拉底爆破產生質量問題,應力會通過殘余礦柱和松散礦堆傳至底部結構,底部結構應力大量集中可能導致出礦進路甚至穿脈垮塌,會給底部結構穩定性帶來致命威脅。

(4)由于采用前進式拉底方式,殘余礦柱和崩落礦堆傳遞的應力,造成底部結構應力集中,施工聚礦槽時,長期應力集中區礦巖勢必引發巖體進一步破碎,造成聚礦槽中深孔施工困難和塌孔、堵孔、錯孔現象頻繁,給聚礦槽形成帶來較大問題。

(5)難以觀察拉底效果,一旦拉底出現巖墻、巖柱,在不知情的情況下繼續拉底,將使處理變為不可能,對礦山生產造成致命威脅。

3.2 沿脈應力集中原因

對于拉底和沿脈巷道交叉口出現變形、垮塌現象,主要原因是受到本區段的采動和相鄰區段的殘余采動兩個方面的影響。從表1可以看出,由于地應力方向不同,穿脈巷道和沿脈巷道所受最大主應力有明顯不同,穿脈巷道應力值在24.15～24.51 MPa,最大位移在8.21～11.78 mm,沿脈巷道應力值在34.20～36.59 MPa,最大位移在12.51～18.01 mm,在拉底推進線方向約20 m范圍內的區域處于應力集中狀態,最大主應力接近30 MPa,而在拉底推進線后方40～50 m區域附近應力已發生釋放,最大主應力僅為3～20 MPa[3]。

表1 穿脈和沿脈巷道應力和位移統計表

拉底工作面回采引起的超前支承壓力的影響是在工作面的正常推進過程中,由于拉底工作面的持續推進,拉底面積越來越大,工作面前方形成了很大的超前支承壓力作用,這個超前支承壓力的影響是巷道在圍巖變形和破壞的主要原因。工作面空頂區前方會出現應力集中,這與現場完全符合,根據現場觀察、經驗得到應力增高區大約20～30 m距離,在應力增高區是巷道出現變形、垮塌的主要區域,并且變形、垮塌區域隨著拉底的推進而向前移動。同時相鄰區段工作面回采時引起的側向支承壓力的影響同樣不可忽視,由此會在拉底和沿脈巷道交叉口出現應力疊加區,即支承壓力和側向支承壓力的疊加,具體如圖2所示。

圖2 穿脈和沿脈巷道交叉口應力疊加示意圖

拉底爆破的拉底方式、拉底形狀、拉底速度對拉底水平底部結構的應力狀態影響較大。前進式拉底,巷道段越靠近崩落前鋒,誘導應力越高,但是從前鋒第一個15 m以外開始迅速下降,即拉底穿脈底部結構的應力會隨著拉底推進線前進而前進。拉底過沿脈時,拉底線臨近或位于底部結構的正上方時,應力達到峰值,極易造成底部結構破壞;當拉底線越過沿脈之后,應力急劇下降,形成緩解區,并逐漸趨于穩定[4]。

拉底和沿脈巷道交叉口在支承壓力和側向支承壓力的疊加下,形成一個高應力集中區,對拉底過沿脈造成一定影響。

3.3 拉底過沿脈巷道爆破作用原理

拉底穿脈鑿巖爆破一般為距離13 m兩條相鄰拉底穿脈同時進行,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,炸藥采用ANN-2型粒狀銨油炸藥,連續柱狀裝藥,孔底反向起爆,起爆藥包為4節乳化炸藥,嚴格控制裝藥長度和裝藥密度,所有炮眼均以炮泥堵塞,堵塞長度不得小于0.2 m。爆破采用排間微差爆破,兩排延期為45 ms。每次拉底中深孔爆破后,需進行拉底出礦作業,出礦量為崩礦量的30%,要保證能夠觀察爆破效果,保證待崩礦巖與松散礦堆之間5～7 m的距離為宜,為下一次爆破通過爆破補償空間。

拉底過沿脈巷道爆破實質即排間微差爆破、擠壓爆破,作用原理如下所述。

(1)爆破應力的疊加作用。當先爆破的中深孔形成爆破漏斗,將漏斗范圍內的巖石破碎后,應力場和微裂隙也就產生在漏斗周圍的巖體上。在該應力場尚未消失之前的有利時間起爆后爆中深孔,形成先、后起爆的炮孔爆破應力的相互疊加,可以有效改善破碎效果[5]。

(2)補充破碎作用。當先爆孔破碎的巖石飛起尚未回落時,后爆孔緊接著起爆,爆下的巖石向剛形成的補充自由面方向高速飛散,與先爆破的巖石相互碰撞,起到補充破碎作用,不僅可以改善破碎效果,而且爆堆集中[6]。

(3)產生擠壓破碎作用。中深孔爆破時,后起爆的巖塊以50～100 m/s的速度高速沖擊先爆破完成的巖塊,將爆破產生多余的能量用于擠壓破碎。但是拉底爆破時如果采用單排中深孔爆破就只可以產生一次擠壓作用,破碎效果不顯著,而采用多排中深孔微差爆破時,可以使中深孔單排或者多排依次微差起爆,只要控制合理的微差爆破間隔,可以多次產生擠壓破碎作用,起到破碎巖石,降低大塊的作用。

(4)降低爆破地震作用。中深孔合理的微差爆破間隔時間,可以使爆藥包產生的地震波能量在時間上、空間上錯開,從而降低了爆破地震效應。

(5)改善自由面條件。拉底時先爆破的中深孔形成的爆破漏斗破裂面,為后爆孔創造了新的自由面,先爆的中深孔會造成后爆中深孔前方排距小于孔底距,形成新的自由面,使爆破時最小抗線方向改變,從而改善了后爆孔的爆破條件,加強了入射應力波和反射性拉伸波對巖石的破裂面的作用。使后爆孔周圍巖石受到破壞,抗爆強度降低,同時增加爆破自由面,減小夾制作用,有利于爆破效果的提高。

(6)形成瞬間自由面(空槽)的作用。多排中深孔微差爆破時,前排爆下的巖塊向前擠壓,在排面處瞬時形成一個空槽,因為多排微差擠壓爆破前后炮孔的起爆間隔很短,往往為數十毫秒,后排中深孔起爆前可以在瞬時尚存一條最寬處約1 m的空槽,此時后排中深孔起爆,便可以以瞬時空槽為爆破自由面。

(7)改變應力波的能量分配。當爆破應力波傳播到自由面時,反射波能量減少,透射波能量增加,因為自由面前面有比空氣密度大得多的擠壓物質。雖然反射波能量下降對巖體爆落不利,但由于對已爆巖塊(壓碴)的擠壓和破碎,透射波能量上升對爆破巖塊有利[7]。

4 拉底過沿脈分析

4.1 拉底過沿脈巷道的主要方式

現階段拉底過沿脈巷道主要方式有兩種,無切割井和切割井拉底過沿脈,主要區別就是是否有無切割井提供爆破自由面,兩種方式主要施工參數如下:

1)無切割井直接拉底過沿脈巷道

沿脈設計凈斷面寬度3.8 m,現場實際寬度在4.0 m左右,設計增加中深孔3排,排距2 m,其中第一排和第三排各增加一排加強排,共計5排中深孔,高度較正常拉底高度增加1米,平頂部分為11 m(自巷道底板計算),桃形礦柱頂端16 m(自巷道底板計算),中深孔角度范圍為26°～154°,炮孔孔底距不大于2.5 m;拉底巷道中炮孔孔底距為1.5～2.5 m,邊孔角為42°。單排中深孔如圖3所示,正常排和加強排中深孔一致。爆破時五排中深孔一次完成爆破,采用電子雷管毫秒微差爆破,第一排和第一排的加強排同時起爆,毫秒延期5 ms,第二排毫秒延期55 ms,第三排和第三排的加強排毫秒延期115 ms。

圖3 無切割井拉底過沿脈巷道中深孔示意圖

2)有切割井直接拉底過沿脈巷道

切割井布置在沿脈巷道一側,尺寸為2 m×2 m(長×寬) ,間距為10 m,高度為15 m;切割巷中深孔炮孔設計如圖4所示,炮孔采用上向扇形孔,排線方位角90°,拉槽邊孔角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。第一次爆破擴井排和近井排,第二次爆破兩切割井之間的剩余排位。采用排間微差爆破,微差時間25～50 ms,個別擴井炮孔采用孔間微差,間隔時間取25 ms,具體的雷管段位數將根據生產爆破效果進行調整。

圖4 有切割井拉底過沿脈巷道中深孔示意圖

4.2 不同拉底方式過沿脈巷道爆破分析

1)最小抵抗線

上述已經介紹無切割井和有切割拉底過沿脈巷道方式的參數,兩種不同的拉底方式最小抵抗線也不同。在中深孔爆破中,每米鉆孔爆破量的破拆效果受到最小抵抗線的直接影響,拋投距離和每米鉆孔的塊度也受其影響。爆破時巖石阻力最小的方向實際上就是最小抵抗線的方向,而這個方向的巖石運動速度最高,爆破作用也最為集中。最小抵抗線是拉底中深孔爆破作用的主導方向和拋擲作用的主導方向。

無切割井拉底過沿脈巷道排距為2.0 m,最下邊孔與沿脈巷道距離2.5 m,實際施工時,由于沿脈巷道的變形,中深孔施工的誤差,最下邊孔與沿脈巷道距離小于2.5 m,甚至小于2.0 m,這就造成最小抵抗線發生了變化,原設計爆破作用的主導方向設計朝向已拉底空區方向,由于最小抵抗線發生變化,導致主導方向為沿脈巷道。有切割井拉底過沿脈巷道就不存在類似問題,爆破作用的主導方向始終為切割井方向。

2)自由面條件

自由面是爆破工程首先要考慮的因素,拉底爆破自由面的大小、數量直接影響了爆破效果,如果拉底爆破時增加自由面的數量,提高爆破自由面的大小,則可以減小爆破夾持作用,改善爆破條件,減少單位炸藥消耗量。拉底中深孔和自由面的相對位置也會對爆破效果產生影響,自由面上裝藥的炮孔投射面積越大,產生反射性拉伸性破壞作用的爆破應力波就越有利。自由面小,夾制作用大,破碎體積小,且容易形成飛石,自由面條件大,爆破條件有所改善,破碎體積增加[8]。

有切割井拉底過沿脈巷道自由面條件較無切割井好,有切割井拉底過沿脈為3個自由面,分別是拉底空區、切割井、沿脈巷道,而無切割井自由面少1個切割井方向的自由面,由此分析,無切割井拉底過沿脈較有切割井夾制作用大,爆破效果將下降。

3)裝藥量

裝藥量是爆破設計中非常重要的參數, 裝藥量的大小直接關系到爆破效果的好壞、造價的高低以及爆破的安全問題[9],影響炸藥單耗的因素很多,最主要的是工程地質情況、自由面條件、爆破方法和爆破要求等,在不同拉底方式過沿脈巷道爆破中,由于自由面條件、最小抵抗線、爆堆空間等條件的改變,導致有無切割井拉底過沿脈巷道的爆破參數產生較大差異,具體參數見表2,有切割井拉底過沿脈巷道的炸藥單耗、雷管單耗、每米單耗、每米崩礦量和裝藥系數明顯優于無切割井。

表2 不同拉底方式過沿脈爆破參數表

4)爆破的應力

炸藥在固體介質中爆炸,爆破的破壞過程因介質的非均一性和爆炸反應的特殊性(高溫、高壓、高速)等多種因素而十分復雜。爆破的破壞過程是爆炸物能量在極短時間內釋放、傳遞和工作的過程,荷載和介質在此過程中相互影響[10]。多排藥包齊發爆破的應力波相互作用的情況較為復雜。在前、后排各兩個炮孔所形成的四邊形巖石中,各炮孔的爆破應力波相互疊加,造成了應力極高的狀態,使巖石破碎效果大為改善。但另一方面,多排成組藥包齊發爆破時,只有第一排藥包爆破具有側面和上表面兩個自由面的優越條件,而后排藥包的爆破只有上表面一個自由面,因自由面較少而受到較大的夾制作用,影響爆破效果。因此,就有無切割井拉底過沿脈的爆破應力進行簡單分析,在無切割井拉底方式過沿脈中,由于最下炮孔與沿脈巷道距離和排距基本相等,導致在爆破時主應力被分散,形成兩個次應力,導致爆破作用的主導方向發生改變。有切割井拉底方式過沿脈巷道爆破主應力將只產生一個,對爆破較為有利。

5 結論

通過以上分析,得出以下結論。

(1)拉底和沿脈巷道交叉口在支承壓力和側向支承壓力的疊加下,形成一個高應力集中區,且在拉底前20～30 m應力就開始逐漸增大,應力疊加區拉底的推進而向前移動。拉底巷道和沿脈巷道交叉口位置需加強支護,并且加強支護區域需向拉底巷道兩邊延伸20 m,避免由于應力疊加導致巷道發生較大變形破壞,影響拉底爆破施工。

(2)拉底穿脈巷道受力較小、穩定性較好,但其和沿脈巷道交叉口處暴露面積大、穩定性較差,工程受力大、應力集中明顯,需重點監控其穩定性。

(3)有切割井拉底過沿脈巷道較無切割井優點較多,從爆破自由面條件、裝藥量單耗、爆破應力等方面均優無切割井。且可知,爆破條件對爆破效果影響極大,為此,在爆破之前必須進行再次出礦,可保障自由面條件、爆堆空間在爆破時發揮較好的作用。

(4)拉底爆破在自然崩落法采礦中至關重要,在中深孔拉底爆破作業中,往往由于鉆孔、裝藥施工質量、炸藥或雷管質量、中深孔施工后塌孔、孔內掉塊、地壓錯動等原因,會造成爆破不徹底、沒有達到設計意圖的現象,形成巖墻、巖柱、懸頂等,應根據現場實際條件進行設計優化,采用不同方式達到設計意圖。

(5)中深孔施工質量嚴格的必要性,無切割井拉底方式過沿脈爆破設計常由于中深孔施工的誤差導致最小抵抗線發生變化,導致爆破效果產生不確定因素。