92號礦體圍巖穩(wěn)定性分析與頂板管理措施探討＊

黃道欽,韋建宏,毛建華

(1.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西河池市 547207;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

92號礦體圍巖穩(wěn)定性分析與頂板管理措施探討＊

黃道欽1,韋建宏1,毛建華2

(1.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦, 廣西河池市 547207;2.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

針對銅坑礦92號礦體目前主要生產(chǎn)區(qū)域圍巖穩(wěn)定性進行了分析評價,采用工程地質(zhì)調(diào)查分析評價結(jié)合現(xiàn)場地壓活動觀測結(jié)果,綜合判斷作業(yè)區(qū)域工作面、采場和空區(qū)頂板安全狀況,并提出了安全隱患排查、監(jiān)測、防治等對策與安全管理措施,該套保障圍巖穩(wěn)定的方法和安全管理措施在生產(chǎn)實際中得到成功應(yīng)用,取得了良好實效。

圍巖穩(wěn)定性;礦山地壓;安全管理;頂板管理;安全措施

0 前 言

廣西大廠礦區(qū)位于河池市南丹縣境內(nèi),為賦存有錫、銻、鉛、鋅、銦、銅等多金屬的大型礦床,與我國其他有色金屬礦山相似,同樣普遍存在工作面和空區(qū)頂板的圍巖失穩(wěn)安全問題。其中92號礦體等厚大礦體因開采規(guī)模巨大,圍巖穩(wěn)定性與頂板管理問題尤其突出。

92號礦體多金屬礦石儲量達3000多萬噸,上部重疊有急傾斜產(chǎn)出的細脈帶礦體、緩傾斜產(chǎn)出的91號礦體。其中,細脈帶礦體在各階段分別采用無底柱分段崩落法、分段空場采礦法、大直徑深孔階段空場法和充填法采礦;91號礦體主要采用嗣后充填的分段空場法或大孔開采,采用水砂膠結(jié)充填和塊石膠結(jié)充填。92號礦體與91號礦體有很大部分在水平投影上重疊,92號礦體在重疊區(qū)采用組合式崩落法回采,非重疊區(qū)采用留連續(xù)礦柱空場法和頂板誘導(dǎo)崩落連續(xù)采礦。由于礦山開采規(guī)模大,受多重開采擾動及高大采空區(qū)的影響,大范圍頂板和圍巖如有失控則易造成對井下作業(yè)人員及設(shè)備的危害,這也是我國金屬礦山開發(fā)普遍遇到的技術(shù)難題。

為杜絕采場或巷道頂板突發(fā)性冒落而導(dǎo)致礦山經(jīng)濟損失和安全事故的發(fā)生,針對92號礦體頂板管理,須進行采場頂板巖層穩(wěn)定性分析,采用科學(xué)的頂板管理與控制技術(shù)方法,才能達到安全、高效的安全生產(chǎn)技術(shù)目標。因此,銅坑礦多年來致力于礦山安全技術(shù)研究和實際應(yīng)用。在92號礦體圍巖工程地質(zhì)調(diào)查研究基礎(chǔ)上,應(yīng)用工程地質(zhì)穩(wěn)定性分析、巖體力學(xué)與壓力拱原理、面積承載理論與數(shù)值模擬等理論方法,綜合分析圍巖穩(wěn)定性,落實了一套頂板管理綜合技術(shù)方法,結(jié)合先進的監(jiān)控手段,為井下生產(chǎn)作業(yè)提供了安全技術(shù)保障。

1 圍巖穩(wěn)定性分析評價

1.1 工程地質(zhì)調(diào)查與穩(wěn)定性評價

92號礦體賦存在570～255m水平之間,礦床水平分布面積約1km2,礦體頂板圍巖為寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r及部分硅質(zhì)巖。礦床水文地質(zhì)條件簡單,坑道涌水量主要以裂隙構(gòu)造水為主。根據(jù)92號礦體各巖層的現(xiàn)場調(diào)查參數(shù)及實驗結(jié)果,對開挖后頂板的穩(wěn)定程度及發(fā)生冒落的危險性進行頂板安全分類。針對細脈帶、91號和92號礦體和圍巖進行工程地質(zhì)調(diào)查,在635～570,531,505,455,405,386,374m水平等區(qū)段揭露采區(qū)進行了節(jié)理裂隙統(tǒng)計。采用RMR及Q系統(tǒng)分級方法對92號礦體及圍巖的巖體質(zhì)量進行了評價,在此基礎(chǔ)上對不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的頂板和礦柱穩(wěn)定性進行了計算分析。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和巖石力學(xué)參數(shù)試驗成果,92號礦體及圍巖的RMR分級結(jié)果見表1,結(jié)果表明:92號礦體及圍巖的質(zhì)量為中等巖體～好巖體。

92號礦體及圍巖的Q系統(tǒng)分級結(jié)果見表2,分類結(jié)果表明:92號礦體及圍巖的質(zhì)量為中等巖體～良好巖體。

表1 銅坑礦巖體RMR分級結(jié)果

表2 Q系統(tǒng)分級結(jié)果

1.2 92號礦體圍巖穩(wěn)定性計算分析

采用多種方法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了計算和分析。根據(jù)巖體質(zhì)量評價結(jié)果和室內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)試驗成果,選取的力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山設(shè)計的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)和初步試算結(jié)果,采用位移不連續(xù)法三維數(shù)值模擬對礦房頂板穩(wěn)定性進行分析,計算結(jié)果表明:

(1)細脈帶開采結(jié)束后,地表發(fā)生垮落,塑性區(qū)大多在頂板中心位置,大面積呈現(xiàn)剪切破壞,局部為拉伸破壞,細脈帶所留礦柱處于嚴重的剪切塑性狀態(tài);

(2)91號礦體開采結(jié)束后,細脈帶與91號礦體重疊區(qū)塑性區(qū)連通,出現(xiàn)大范圍應(yīng)力轉(zhuǎn)移,細脈帶東北區(qū)地表以下幾十米范圍均出現(xiàn)塑性區(qū),91號礦體的空區(qū)頂板與細脈帶空區(qū)底板塑性區(qū)連通;

(3)由于92號礦體的開采,在重疊區(qū)92號礦體圍巖及上覆巖層中產(chǎn)生大面積塑性區(qū),重疊區(qū)中的塑性區(qū)逐步連通至地表;92號與91號礦體的隔離巖層處于塑性破壞狀態(tài),整體穩(wěn)定性差。

考慮礦區(qū)地壓活動等方面因素,采礦范圍擴大和礦柱回采過程中應(yīng)特別注意空區(qū)頂板管理。

2 安全對策措施

2.1 各階段安全隱患排查和綜合分析

影響圍巖穩(wěn)定性的因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、礦山開采和井下采空區(qū)充填等。92號開采的地壓活動大部分由采空區(qū)引起,整體上主要表現(xiàn)為礦柱破壞、頂板冒落、巖層移動,以及局部的巖層破裂,伴有隨采空區(qū)的擴大、地應(yīng)力調(diào)整和應(yīng)力轉(zhuǎn)移過程中造成的局部區(qū)域的地壓活動。目前地壓活動范圍主要發(fā)生在采空區(qū)上方及鄰近的周邊區(qū)域,部分波及到地表,規(guī)模從較小至中等。針對倒三角楔體垮落、沿斷層破碎帶冒落、巖層面滑移、脫層、松散體冒落、幫壁“鼓起”、采場充填體壓壞開裂、采場側(cè)壁脫層開裂等頂板圍巖失穩(wěn)的主要類型,需采取相應(yīng)的對策措施。

2.2 加強礦山壓力控制與支護

針對92號礦體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高應(yīng)力環(huán)境條件,實行了以下地壓控制和處理措施。

(1)按照三大礦體合理的回采順序,先完成上部細脈帶和91號殘留礦體開采,逐步優(yōu)化回采92號礦體。遵循分區(qū)開采的原則,實行整體地壓控制。

(2)采用適當?shù)牟傻V結(jié)構(gòu)與支護參數(shù)。在礦巖體工程地質(zhì)與地壓活動規(guī)律調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,針對不同類別的采場,實施各類相適應(yīng)的支護方案。

(3)實施頂板處理和空區(qū)治理的有效措施,緩解92號礦體大范圍開采的地壓活動。

2.3 有效實施采區(qū)地壓活動與采場頂板巖層監(jiān)測

目前采用了綜合性的地壓監(jiān)測手段,包括:井下巖移水準測量、巷道收斂量測、圍巖位移測量、裂縫變化觀測、巖體應(yīng)力變化監(jiān)測、巖體聲波測試、巖體聲發(fā)射監(jiān)測、宏觀地壓的觀測。為及時掌握地壓活動動態(tài),礦山采用多手段相結(jié)合,對不同監(jiān)測手段獲取的信息進行綜合分析,為礦山生產(chǎn)安全提供保障。

2.4 加強安全隱患防治

根據(jù)生產(chǎn)進展加強采場頂板控制,及時處理采空區(qū),實行頂板分級管理,加強塌陷區(qū)的監(jiān)測與安全管理,以及其它相應(yīng)的治理和防范措施。

銅坑礦近年來結(jié)合科技攻關(guān)研究和安全生產(chǎn)實際,根據(jù)圍巖穩(wěn)定性及地壓活動發(fā)展趨勢,采取了相應(yīng)的監(jiān)控和預(yù)防措施,為了有效控制地壓活動的危害,確保安全生產(chǎn),制定了地壓觀測和頂板管理及相應(yīng)的安全措施,針對頂板安全問題,進行規(guī)范的技術(shù)管理。

3 地壓管理與頂板安全管理制度

3.1 地壓管理制度

為全面系統(tǒng)地監(jiān)測和分析礦區(qū)地壓活動發(fā)展趨勢,有效控制地壓活動的危害,確保安全生產(chǎn),制定了以下地壓管理制度。

(1)地壓技術(shù)工作制度:對宏觀地壓觀測,根據(jù)礦部年度生產(chǎn)規(guī)劃以及上年度的地壓工作總結(jié),制定、編制相應(yīng)的年度地壓工作計劃。每個季度對礦山當前空區(qū)總體分布、地壓活動監(jiān)測情況進行整理,并上報礦部,由礦部組織相關(guān)技術(shù)人員定期召開地壓專題會議,分析當前地壓活動的影響因素,評價各區(qū)域地壓活動級別,分級劃分管理區(qū)域,制定相應(yīng)的監(jiān)測和預(yù)防措施。每年和科研院所聯(lián)合進行礦區(qū)次生應(yīng)力模擬計算,分析和研究礦區(qū)地壓活動的發(fā)展變化規(guī)律,指導(dǎo)地壓監(jiān)測、預(yù)報與控制工作。

對區(qū)域地壓觀測,根據(jù)不同級別的地壓管理區(qū)域,設(shè)計監(jiān)測方法并組織實施,適時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析、預(yù)報地壓活動狀況。

針對采場地壓活動,根據(jù)采場設(shè)計的地壓控制方法執(zhí)行監(jiān)控,根據(jù)采場地壓活動的發(fā)展變化,及時補充必要的監(jiān)測手段。

(2)現(xiàn)場地壓觀測工作制度:根據(jù)安全要求,必須在安全的前提下進行現(xiàn)場地壓工作,現(xiàn)場檢查每組成員要求兩人以上,禁止單獨行動。制定了各條件下地壓監(jiān)測周期和具體要求,針對地壓活動相對穩(wěn)定區(qū)域、輕微地壓活動區(qū)域、地壓活動頻繁區(qū)域,以及其它情況下現(xiàn)場地壓檢查等,按不同需要安排現(xiàn)場檢查工作?，F(xiàn)場監(jiān)測記錄由專人負責,必須詳細描述地壓現(xiàn)象,記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)、拍照等,注明時間、地點并簽名確認。

(3)地壓資料管理制:建立地壓資料電子檔案庫,定期對地壓資料電子檔案進行刻錄保存,方便地壓資料的查詢與調(diào)用;按照區(qū)域或采場分別建立單獨的地壓活動檔案,記錄其地壓活動的發(fā)展變化狀況,便于地壓活動規(guī)律的研究工作;根據(jù)回采進度或地壓活動變化情況,適時更新地壓資料,包括空區(qū)變化圖、文字說明等。

(4)地壓活動匯報制度:根據(jù)需要制定了在正常情況、地壓活動異常情況下分級匯報及處理制度。根據(jù)各階段實踐總結(jié),提出了初級地壓活動、中級地壓活動以及高級地壓活動確認的具體指標,并在生產(chǎn)實際中不斷改進和完善。

(5)監(jiān)測儀器、網(wǎng)絡(luò)管理制度:制定了監(jiān)測儀器和網(wǎng)絡(luò)的更新與維護辦法。

(6)業(yè)務(wù)培訓(xùn)制度:規(guī)定了地壓專職監(jiān)測人員基本技術(shù)要求,以及必須具備較強的思維能力,能分析地壓現(xiàn)象,預(yù)報地壓活動的發(fā)展變化趨勢,設(shè)計地壓危害控制措施等。銅坑礦為此由專門技術(shù)部門負責上述工作,并將各項安全制度落實到生產(chǎn)部門,嚴格執(zhí)行各項制度。

3.2 井下頂板安全管理制度

為了確保日常生產(chǎn)活動的安全開展,保證頂板處于受控狀態(tài),制定危險源分級管理制度,對高大采空區(qū)等危險源進行有效監(jiān)控,規(guī)范并實施了《井下頂板管理制度》,規(guī)定管理制度適用于井下所有生產(chǎn)區(qū)域和井下作業(yè)人員。并具體制定了井下巷道頂板管理、井下硐室頂板的管理、全面法淺采和硐室淺采工作面頂板邊幫管理、采空區(qū)頂板管理、松石處理等規(guī)定,以及違章處罰及責任等。對井下頂板、邊幫、松石管理,進行了嚴格的規(guī)定,做到發(fā)現(xiàn)問題及時處理,并嚴格按規(guī)范操作,確保安全。

在實施上述安全制度的同時,采取積極的安全措施,制定和嚴格執(zhí)行各崗位安全操作規(guī)程,包括《松石工安全操作規(guī)程》規(guī)定,并制定了各項應(yīng)急措施,譬如《井下工作面(點)發(fā)生冒頂片幫事故處置工作應(yīng)急預(yù)案》等。

4 結(jié) 論

實踐證明,針對金屬礦山普遍存在的圍巖失穩(wěn)等危險隱患,通過采用現(xiàn)場觀測分析和科學(xué)的頂板管理方法,采取綜合的監(jiān)控和治理措施,全方位落實安全規(guī)范和操作規(guī)程,有利于安全管理。通過認真實施,實現(xiàn)了頂板管理的科學(xué)化和系統(tǒng)化,大大減少了安全事故,安全生產(chǎn)經(jīng)濟效益、社會效益顯著。

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國家科技支撐計劃項目(2008BAB32B02-7).

2009-12-14)

黃道欽(1973-),男,廣西浦北人,工程師,主要從事礦山安全生產(chǎn)、地壓和科研管理工作。