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水平礦柱回采頂板安全厚度

來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:地質(zhì)礦產(chǎn)時間:瀏覽:

  摘要:為了安全回采松散礦碴及低強(qiáng)度充填體壓覆下的階段水平礦柱,采用古典楊森散體壓力理論及矩形等厚薄板力學(xué)模型分析了留設(shè)頂板受載情況及安全厚度,并通過工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,當(dāng)上中段破碎底部結(jié)構(gòu)不予回采,下中段頂柱留設(shè)安全厚度時,可通過進(jìn)路式充填采礦法實(shí)現(xiàn)水平礦柱的安全開采;其中,下中段頂柱高5m,采高3.5m,頂板安全厚度1.5m,礦石回收率68%,貧化率3%,取得了較好的安全與經(jīng)濟(jì)效益平衡。

  關(guān)鍵詞:充填體壓覆;矩形等厚薄板;頂板安全厚度;進(jìn)路式回采;安全論文發(fā)表

  隨著國家對礦山開采安全與環(huán)保重視程度的加深,越來越多的地下金屬礦山選擇或改用充填法進(jìn)行開采。出于節(jié)約投資、加快投產(chǎn)的目的,很多礦山采用多中段同時自下而上進(jìn)行充填法開采,從而在中段間留下了數(shù)量眾多的水平礦柱。據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)受充填體壓覆或影響的礦柱礦量占礦山總儲量的20%~40%。階段水平礦柱的回采歷來是采礦界的難題[1],其結(jié)構(gòu)完整性及穩(wěn)定性不僅受到開采過程中應(yīng)力的二次分布及開采擾動的影響,同時也與相鄰中段充填體的接頂質(zhì)量密切相關(guān),因此表現(xiàn)出極其復(fù)雜的受力狀態(tài),加劇了開采的安全隱患。如雞冠嘴銅礦在低強(qiáng)度高水充填體條件下采用兩步驟進(jìn)路充填間隔回采頂?shù)字l(fā)現(xiàn)開采前底柱上覆充填體拉應(yīng)力遠(yuǎn)超其極限抗拉強(qiáng)度,容易在開采時發(fā)生破壞[2]。銅綠山充填體下階段水平礦柱存在表面剝落、裂隙擴(kuò)展、損傷積聚、剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn),因此盤區(qū)殘礦采用上向分層充填法進(jìn)行回采時必須留設(shè)護(hù)頂層和點(diǎn)柱[3]。瑯琊山銅礦頂柱回采時上下中段礦房均已回采并充填,仍發(fā)現(xiàn)水平礦柱處于高度受力狀態(tài),回采難度大,安全系數(shù)低[4]。

  平衡好回采過程中的安全性與經(jīng)濟(jì)效益是充填體下水平礦柱回收的關(guān)鍵問題,其中最重要的參數(shù)是留設(shè)頂板的安全厚度,留設(shè)頂板過厚,則礦石損失率大;反之,則存在頂板垮塌、破壞的風(fēng)險(xiǎn)。眾多學(xué)者采用模型物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬、半定量分析等方法進(jìn)行頂板安全厚度的計(jì)算[5-7],對充填體壓覆條件下的階段水平礦柱安全回采提供了良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。本文以石頭嘴銅鐵礦高中段充填體壓覆下的階段水平礦柱回采為工程背景,基于古典楊森散體壓力理論、彈性矩形薄板力學(xué)模型來分析階段水平礦柱的受力狀態(tài)及護(hù)頂層厚度,并通過進(jìn)路式充填采礦法進(jìn)行工程驗(yàn)證,保障了充填體下水平礦柱的安全回采。

  1安全厚度計(jì)算

  1.1水平礦柱開采技術(shù)條件

  石頭嘴銅鐵礦-270m中段11B#線以西階段水平礦柱高5m,長60m,平均厚度15m,礦體傾角75o;礦柱上部依次為電耙底部結(jié)構(gòu)及-270m中段充填體,下部為-320m中段充填體;其中底部結(jié)構(gòu)較破碎且不規(guī)則地分布大小不均的殘礦碴,上下中段充填體高度均為50m。采場采用低灰砂比的分級尾砂膠結(jié)充填,采場上部充填體強(qiáng)度低(部分為純尾砂體),底部強(qiáng)度稍高;但總體上充填體強(qiáng)度分布極不均勻,整體性較低,穩(wěn)定性一般,且均未完全接頂。

  礦體位于風(fēng)化帶之下,頂板主要為大理巖,底板為花崗閃長巖及閃長斑巖,局部地段為矽卡巖。大理巖整體性好,銅鐵礦石次之,花崗閃長斑巖最差;其中,礦體與大理巖的接觸帶部位的巖體強(qiáng)度相對較低,但接觸影響寬度較小;礦體與花崗閃長斑巖的接觸帶礦巖破碎,遇水容易膨脹崩解且強(qiáng)度迅速降低,穩(wěn)定性最差。主要礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

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  1.2矩形等厚薄板力學(xué)模型由于階段水平礦柱長高比較大,因此可將最終留設(shè)的安全厚度頂板簡化為均布載荷下的四邊固支彈性矩形薄板力學(xué)模型,并采用重三角級數(shù)解法求解撓度及應(yīng)力[8-9]。

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  2進(jìn)路充填采礦法

  2.1采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

  以整個階段水平礦柱為一個回采單元。根據(jù)頂板安全厚度分析結(jié)果,-270m中段高8m的破碎底部結(jié)構(gòu)不予回采,回采區(qū)域?yàn)?320m中段厚5m的頂柱,設(shè)計(jì)回采高度為3.5m,上部1.5m作為護(hù)頂層。回采區(qū)域中央布置一條垂直礦體走向的出礦穿脈,故采場沿走向布置,長30m,寬15m,高3.5m。考慮到下中段充填體未完全接頂,因此,在-320m頂柱設(shè)計(jì)標(biāo)高下沉0.5m向礦體掘進(jìn)工程,采用“邊探邊充、先充后掘”的方式,一旦遇到采空區(qū)即進(jìn)行充填處理,在充填體凝固到所需強(qiáng)度后再繼續(xù)向前掘進(jìn),以保證進(jìn)路下方不留采空區(qū)。回采進(jìn)路寬3m,高3m,其中充填體內(nèi)0.5m,礦體內(nèi)2.5m;進(jìn)路上方為1m的挑頂層。

  2.2采礦工藝

  1)回采順序

  回采單元內(nèi),沿礦體走向的采場按“隔一采一”的形式,從礦體下盤回采至上盤。豎直方向上,先進(jìn)行進(jìn)路式采礦,待整條進(jìn)路開采完后進(jìn)行上向淺孔挑頂,再進(jìn)行充填處理。

  2)采準(zhǔn)切割

  根據(jù)現(xiàn)場條件,從上盤斜坡道-275.5m標(biāo)高(即頂柱開采標(biāo)高下0.5m)開口布置采準(zhǔn)工程,首先,從斜坡道開口施工斜坡道聯(lián)絡(luò)道連通礦體,再從上盤相應(yīng)位置向兩側(cè)施工上盤運(yùn)輸巷道聯(lián)通相鄰區(qū)的溜井;其次,繼續(xù)向礦體內(nèi)掘進(jìn)出礦穿脈(規(guī)格3m×3m)至下盤礦巖界線;從穿脈可依次向礦體兩側(cè)掘進(jìn)回采進(jìn)路,進(jìn)路沿礦體走向布置,規(guī)格3m×3m。

  3)鑿巖爆破

  鑿巖采用YT7655鑿巖機(jī)鑿巖,鉆頭直徑40mm,孔深2.3m,設(shè)計(jì)每個循環(huán)進(jìn)尺為2.0m,鑿巖臺效為約70m/臺班。炸藥單耗為0.7kg/t。

  4)通風(fēng)

  進(jìn)路式開采時,按巷道獨(dú)頭掘進(jìn)方式進(jìn)行通風(fēng)。進(jìn)路工作面采用JK58-1No4.0(5.5kW)或JK58-1No4.5(11kW)局扇輔助通風(fēng)。當(dāng)送風(fēng)距離短時采用抽出式通風(fēng),當(dāng)送風(fēng)距離較長時,可采用壓、抽混合式通風(fēng)。

  5)支護(hù)

  根據(jù)Mathews穩(wěn)定圖法分析,3m×3m的進(jìn)路基本可在回采過程中保持穩(wěn)定。考慮到礦山曾在-320m中段巷道掘進(jìn)時遇到過采動地壓及巷道片幫、冒頂現(xiàn)象,因此,對穿脈巷及回采進(jìn)路采場,應(yīng)在爆破后及時撬毛,并視具體情況采用管縫式錨桿或液壓木支柱加固處理,必要時采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。

  6)出礦

  進(jìn)路內(nèi)崩落礦石采用WJD-1.0型柴油鏟運(yùn)機(jī),通過穿脈出礦進(jìn)路、上盤運(yùn)輸巷運(yùn)至上盤礦石溜井,然后放至-320m中段水平,再通過主井提升至地表。

  7)充填

  充填分成兩部分,一是穿脈運(yùn)輸巷道及分層進(jìn)路掘進(jìn)時,需采用尾砂膠結(jié)充填對-320m頂柱下方空區(qū)進(jìn)行處理,再在充填實(shí)體上繼續(xù)掘進(jìn);二是進(jìn)路采場的充填,一步驟礦房采場用灰砂比為1∶4的充填料漿充填,二步驟礦柱采場采用灰砂比1∶10的充填體進(jìn)行充填。回采一步驟采場時,在穿脈運(yùn)輸巷道兩側(cè)各布設(shè)1架充填擋墻,保證二步驟采場開采時的出礦通道;回采二步驟采場時,在進(jìn)路內(nèi)布設(shè)1架充填擋墻。

  2.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

  進(jìn)路式充填采礦法回采區(qū)域?yàn)?320m中段高5m的頂柱,回采高度3.5m,其余1.5m作為護(hù)頂層不予回采。自現(xiàn)場應(yīng)用以來,采場進(jìn)路并未發(fā)現(xiàn)明顯的垮塌、冒頂與片幫事故,留設(shè)頂板保持了較好的穩(wěn)定性。開采區(qū)域一般同時布置3條進(jìn)路同時回采,單條進(jìn)路采場生產(chǎn)能力70t/d,礦塊生產(chǎn)能力約200t/d,礦石綜合回收率68%(表2);由于采場上方留設(shè)了1.5m的護(hù)頂層,礦石貧化率得到較好的控制,貧化率僅3%。進(jìn)路式充填采礦法實(shí)現(xiàn)了階段水平礦柱的安全回采,也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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  3結(jié)論

  1)古典楊森散體壓力理論適用于松散殘礦及低強(qiáng)度充填體壓覆下的階段水平礦柱受載荷分析,結(jié)合彈性矩形等厚薄板力學(xué)模型可計(jì)算留設(shè)頂板的安全厚度。

  2)石頭嘴銅鐵礦-270m階段水平礦柱由上中段破碎底部結(jié)構(gòu)與下中段頂柱組成,采用進(jìn)路式充填采礦法時底部結(jié)構(gòu)不予回采,下中段5m高頂柱設(shè)計(jì)回采下部3.5m,留設(shè)上部1.5m作為護(hù)頂層不予回采。

  3)采場進(jìn)路及留設(shè)頂板在開采周期內(nèi)保持了較好的穩(wěn)定性,通過進(jìn)路式回采及上向淺孔挑頂,實(shí)現(xiàn)了階段水平礦柱的安全回采,礦塊生產(chǎn)能力200t/d,礦石回收率68%,貧化率3%。

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