大頂山礦區(qū)懸頂成因及防治措施研究

譚寶會 孫文勇 李金位 張志貴 陳星明

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院;2.四川錦寧礦業(yè)有限責(zé)任公司)

大頂山礦區(qū)為四川錦寧礦業(yè)有限責(zé)任公司的主要鐵礦石生產(chǎn)基地，年產(chǎn)鐵礦石約50萬t。礦床為中溫?zé)嵋航淮哝V磁鐵礦床，礦體賦存于白云質(zhì)大理巖中。主礦體分Ⅰ、Ⅱ號礦體，Ⅰ號礦體規(guī)模稍大。Ⅰ號礦體總的走向為北東64°，傾向南東，傾角10°～50°，最大厚度 30 m，最小 0.19 m，平均 11.4 m;Ⅱ號礦體總的走向北東39°，傾向南東，平均傾角35°，礦體最大厚度24.9 m，最小0.31 m，平均9.66 m。2個礦體均屬緩傾斜礦體，礦體下盤圍巖為變質(zhì)白英砂巖，中等穩(wěn)固，上盤圍巖為白云大理巖，不穩(wěn)至中等穩(wěn)固，在礦體與上下盤巖石接觸帶區(qū)域礦巖異常破碎。

大頂山礦區(qū)主要采用無底柱分段崩落法進行開采，采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)為10 m×10 m和15 m×12.5 m(分段高度×進路間距)，2 540 m以上各階段結(jié)構(gòu)參數(shù)為10 m×10 m，崩礦步距為1.8 m;2 525 m為過渡分段，結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×10 m，2 525 m以下分段結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×12.5 m，崩礦步距為2.0 m，采用YGZ－90鑿巖，炮孔直徑70 mm。目前，礦山2 580 m等已采分層正在進行殘礦回收，2 540、2 525及2 510 m分段處于正常回采。

據(jù)了解，大頂山礦區(qū)在回采礦石的過程中，由于種種原因造成回采進路懸頂事故頻繁發(fā)生，甚至個別進路從回采開始到結(jié)束一直都有懸頂發(fā)生。據(jù)2011年7—8月對2 550及2 540 m分段回采進路的跟蹤統(tǒng)計結(jié)果可知，礦山懸頂率高達30%以上(按進路數(shù)計算)，礦石損失率高達30% ～50%。嚴重的懸頂不僅造成回采率等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)大幅度降低，而且給礦山安全生產(chǎn)帶來重大的安全隱患。因此，大頂山礦區(qū)嚴重懸頂問題亟待解決。

1 產(chǎn)生懸頂?shù)脑蚍治?/h2>

通過現(xiàn)場調(diào)研及分析，認為除礦區(qū)礦體自身穩(wěn)固性較差，特別是上下盤礦巖接觸帶附近存在嚴重的破碎帶等因素外，造成大頂山礦區(qū)頻繁出現(xiàn)懸頂?shù)脑蜻€有技術(shù)及管理問題。

1.1 切割井高度嚴重不足，切割槽質(zhì)量無法保證

礦山回采進路垂直于礦體走向布置，切割槽布置于礦體上盤。根據(jù)緩傾斜礦體無底柱分段崩落法的回采特點，上盤切割槽附近的崩礦排面應(yīng)為矩形排面，其余則應(yīng)為多邊形的排面(見圖1)。需要特別注意的是，矩形崩礦排面高度應(yīng)大于或等于分段高度+桃形礦柱高度，而切割井與切割槽的高度則應(yīng)根據(jù)矩形排面高度來確定，才能保證后續(xù)步距的正常爆破，否則極易由于前端的夾制作用導(dǎo)致懸頂事故的發(fā)生。度僅為7.0～8.0 m的情況發(fā)生。顯然，大頂山礦區(qū)矩形崩礦排面高度、切割井(槽)高度嚴重不足，是導(dǎo)致嚴重的懸頂事故頻繁發(fā)生的最重要的原因之一。實際情況是，國內(nèi)許多礦山甚至設(shè)計單位同樣存在把切割槽高度等同于分段高度的錯誤認識［1］。

圖1 緩傾斜礦體無底柱分段崩落法上下盤炮孔排面布置

以大頂山礦區(qū)實際采用的10 m×10 m結(jié)構(gòu)參數(shù)(分段高度H×進路間距B)為例，當(dāng)進路尺寸為2.8 m×2.8 m(寬×高)、邊孔角β為45°時，矩形排面的最低高度Hj至少為16.4 m，切割井(槽)的高度Hq應(yīng)為13.6 m?？紤]到上盤矩形排面是在上部覆巖沒有崩落情況下爆破，夾制性比較嚴重，通常情況下矩形排面及切割井(槽)應(yīng)考慮0.5～1.0 m的超高。因此，矩形排面的實際高度Hj應(yīng)在17 m左右，切割井(槽)的高度Hq應(yīng)在14 m左右(見圖2)。然而，大頂山礦區(qū)矩形崩礦排面的實際高度僅為13.0～14.0 m，切割井(槽)的高度僅為11.0～12.0 m，甚至有因受上部回采巷道錯位的影響切割井高

圖2 回采進路炮孔崩落排面

此外，對于大頂山礦區(qū)來講，不合理的切割槽位置也是導(dǎo)致懸頂事故頻繁發(fā)生的重要原因之一。一直以來，礦山通常是將切割槽布置在上盤礦巖接觸帶內(nèi)。然而，由于礦體在上下盤接觸帶處礦巖異常破碎，當(dāng)切割槽的位置布置在上盤礦巖接觸破碎帶時(見圖3)，成井及拉槽炮孔往往被提前破壞，導(dǎo)致爆破后的切割井和切割槽的尺寸不能達到設(shè)計要求，從而增加了后續(xù)回采爆破的夾制性，導(dǎo)致出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象。

圖3 礦山設(shè)計切割槽布置位置

1.2 崩礦炮孔深度嚴重不足，炮孔質(zhì)量無法保證

事實上，進路始端矩形崩礦排面高度不足的問題不僅導(dǎo)致了切割井與切割槽高度不足，也直接導(dǎo)致了扇形炮孔深度不足。如前所述，在10 m×10 m結(jié)構(gòu)參數(shù)下，切割井(槽)的高度一般應(yīng)在14 m左右，扇形中心孔的高度也應(yīng)在13.0～15.0 m(從巷道頂部算起)。然而，礦山在實際的設(shè)計與施工過程中，不論是上盤附近的矩形排面還是后續(xù)的多邊形排面，其中心孔的深度一般僅為11.0～12.0 m。顯然，扇形孔的深度也存在嚴重不足的問題，是導(dǎo)致嚴重的懸頂事故頻繁發(fā)生另一個重要原因。礦山生產(chǎn)中在懸頂?shù)V巖體中看不到炮孔很好證明了這一點。

同時，在礦山部分采場實際生產(chǎn)中扇形炮孔的布置未嚴格按照擬崩落體的實際形狀進行設(shè)計，上分段進路間的桃形礦柱沒有在爆破設(shè)計圖中顯示出來。同時，礦山還普遍存在上下分段回采進路沒有嚴格進行交錯布置，甚至出現(xiàn)上下分段回采進路重疊現(xiàn)象(見圖4)，這就極易造成種不良后果，一是部分擬崩落礦巖體中沒有炮孔導(dǎo)致礦巖體無法有效崩落，二是部分炮孔進入了上部已崩落區(qū)出現(xiàn)“透孔”和“上向沖炮”現(xiàn)象。這2種不利情況，都容易導(dǎo)致懸頂和隔墻事故的發(fā)生，進而嚴重影響礦山的爆破和礦石回收效果。

圖4 大頂山礦區(qū)2 580 m水平40#進路中深孔設(shè)計

此外，由于個別時段礦區(qū)采準工作和回采工作不能良好匹配，導(dǎo)致深孔備用時間過長，譬如2 540 m水平21#和22#進路中的深孔備用期長達8個月，深孔長時間受礦巖接觸破碎帶、礦巖節(jié)理裂隙、礦壓的變化和爆破震動影響，極易發(fā)生塌孔、錯孔、堵孔，導(dǎo)致后續(xù)的炮孔裝藥不到位，爆破效果不良而造成懸頂。因此，爆破深孔的質(zhì)量無法保證是造成礦山頻繁出現(xiàn)懸頂?shù)囊粋€重要原因。

1.3 礦山生產(chǎn)及爆破管理制度不完善

據(jù)了解，大頂山礦區(qū)部分礦體的個別回采進路因為礦體形態(tài)的變化沒有掘進或掘進后沒有崩落和出礦，形成沒有崩落的實體礦柱并成為支撐上部拱頂?shù)幕A(chǔ)，致使上分段的覆蓋層不能順利塌落，從而導(dǎo)致本分段或下分段出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象。同時，同一采場中往往有若干條進路同時在進行回采工作，如果相鄰回采進路不能保持平行退采，加上爆破質(zhì)量較差等原因，就容易出現(xiàn)支撐上部的未崩落礦柱從而導(dǎo)致懸頂?shù)默F(xiàn)象發(fā)生［2］。

在鑿巖環(huán)節(jié)上，礦山目前采用TJ25型鉆架與其配套的YGZ－90鉆機，這種鑿巖設(shè)備在深空施工中隨著孔深的增加，施工精度和鑿巖效率都會下降，極易導(dǎo)致鑿巖工人失去耐心，工作責(zé)任心下降，在炮孔深度上存在“打少報多”的情況。同時，礦體本身比較破碎，錯孔、塌孔以及堵孔等現(xiàn)象較普遍，加之炮孔質(zhì)量也缺乏嚴格的監(jiān)督與管理措施，導(dǎo)致懸頂?shù)某霈F(xiàn)。

在爆破環(huán)節(jié)上，由于個別爆破工作人員責(zé)任心差和礦山爆破管理制度不健全，在回采進路的裝藥爆破作業(yè)中出現(xiàn)中深孔裝藥不到位現(xiàn)象，擬崩落礦體的頂部往往不能被有效崩落，從而形成了懸頂隔層，不僅阻止了脊部殘留和端部殘留礦體的放出，也造已崩落的礦石由于鏟裝安全原因不能有效采出。同時，礦山現(xiàn)行的深孔爆破作業(yè)中普遍沒有對深孔進行堵孔。根據(jù)爆破理論，炸藥在爆破的瞬間會釋放出大量高溫高壓爆轟氣體對巖體產(chǎn)生破壞，由于孔口未進行堵塞，部分爆轟氣體在爆破瞬間由孔口沖出，這就減弱了炸藥對巖體的破壞作用［3］，增加了爆破后出現(xiàn)懸頂?shù)膸茁省?/p>

此外，回采進路出現(xiàn)懸頂后處理不及時或處理效果不佳，是造成同一回采進路繼續(xù)產(chǎn)生懸頂事故的另一原因。

2 懸頂?shù)念A(yù)防措施

為了從根本上減小大頂山礦區(qū)懸頂出現(xiàn)的幾率，礦山經(jīng)過與西南科技大學(xué)合作科研攻關(guān)之后，從設(shè)計、施工、管理等方面進行了改進，主要措施如下。

2.1 確保切割槽高度及質(zhì)量的措施

(1)在施工設(shè)計上改進切割槽的設(shè)計，主要從切割槽高度和切割槽位置兩方面入手，切割槽高度應(yīng)大于分段高度+桃形礦柱高度0.5～1.0 m，這樣才能減少矩形排面和扇形排面在回采爆破時由于夾制性過大而發(fā)生懸頂?shù)膸茁省?/p>

(2)當(dāng)遇到上盤礦巖接觸破碎帶時，在切割槽設(shè)計方案中將切割槽的位置適當(dāng)向前移動(約5～8 m)，從而使切割槽避開破碎帶以保證切割槽的質(zhì)量。

(3)根據(jù)不同礦巖條件靈活選擇采用不同的切割井和切割槽的形成方法，比如在礦巖復(fù)雜情況下可采用無井成槽方法［4］，確保切割槽的有效斷面尺寸和高度以滿足后續(xù)炮孔爆破的需要。

2.2 確保深孔質(zhì)量的措施

(1)嚴格按擬崩落礦巖高度設(shè)計深孔，確保深孔有足夠的崩礦深度。

(2)當(dāng)上下分段進路在空間位置上發(fā)生偏移或者重疊時，嚴格按照崩落體的實際形態(tài)來布置炮孔排面。

(3)同時，為了減小由于地壓、爆破震動等原因引發(fā)炮孔破壞而堵孔的幾率，礦山目前正在與西南科技大學(xué)項目攻關(guān)組聯(lián)合試驗研制一種可重復(fù)使用的礦用炮孔防堵塞裝置，目前正在礦山試用。

2.3 完善生產(chǎn)管理

礦山目前已步入2 525和2 510 m分段的采準階段，結(jié)構(gòu)參數(shù)逐漸過渡為12.5 m×15 m。結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大勢必引起排面炮孔深度的增大，因此現(xiàn)行的YGZ－90鉆機難以滿足生產(chǎn)的需要。為了調(diào)動工人的積極性，確保打孔質(zhì)量，礦山計劃更換能滿足生產(chǎn)需要的鑿巖臺車;車間應(yīng)安排專人在每次爆破前對排炮進行測孔，一旦發(fā)現(xiàn)排炮嚴重破壞現(xiàn)象應(yīng)立即上報車間，車間及時安排人員進行補孔措施;放炮工作結(jié)束后，出礦人員在出礦過程中發(fā)現(xiàn)懸頂隔墻事故，立即報車間安排人員進行處理;在生產(chǎn)管理上盡量保持相鄰回采進路平行退采;礦山加強對鑿巖工、爆破工、鏟運工等特殊工種的培訓(xùn)，提高工人崗位素質(zhì)及工作責(zé)任心，明確責(zé)任，對應(yīng)考核;發(fā)生懸頂后積極分析原因，采取措施，為以后避免及處理懸頂總結(jié)經(jīng)驗。

3 一種處理懸頂?shù)男麓胧?/h2>

目前國內(nèi)礦山處理懸頂?shù)闹饕夹g(shù)手段有自然冒落法、氣球帶藥處理技術(shù)、竹竿頂藥包處理技術(shù)、前傾孔處理技術(shù)以及硐室處理法、擴孔藥壺處理法等等。這些處理懸頂?shù)募夹g(shù)手段各有使用范圍及其優(yōu)缺點，比如自然冒落法主要用于懸頂厚度不大的情況，隨著懸頂時間的增加以及暴露面積的增大，懸頂受到上部覆巖的重壓而垮落［5］，這種方法經(jīng)濟成本低，但缺乏安全性;氣球帶藥處理技術(shù)和竹竿頂藥包處理技術(shù)一般也用于懸頂規(guī)模不大的情況，但這2種方法都受到藥量的限制，而且可靠性差;硐室法一般用于懸頂規(guī)模較大的情況，成功率高，但這種方法周期長、工序多，而且影響正常生產(chǎn);前傾孔和擴孔藥壺處理法一般也用于規(guī)模較大的懸頂情況，但這2種方法都很容易對后幾排炮孔造成破壞，在礦巖破碎的情況下更是如此，繼而會導(dǎo)致后幾排爆破后繼續(xù)出現(xiàn)懸頂。

大頂山礦區(qū)礦巖破碎且地壓較大，地質(zhì)情況復(fù)雜，頻繁的懸頂造成大量的礦石損失，采礦局面被動。礦山結(jié)合實際情況認真分析懸頂出現(xiàn)的各種原因，并根據(jù)大頂山礦區(qū)礦體的特殊賦存條件及當(dāng)前的生產(chǎn)情勢，經(jīng)過一段時間的探索之后，找出了一種利用側(cè)向傾斜孔處理懸頂?shù)挠行Х椒ā４朔ǖ脑頌?回采進路爆破后如若發(fā)現(xiàn)懸頂現(xiàn)象，技術(shù)人員到現(xiàn)場勘察懸頂?shù)母叨?，并結(jié)合懸頂處的地質(zhì)實測圖，預(yù)計懸頂?shù)拇笮∫约皯翼數(shù)闹吸c位置，由此確定側(cè)向傾斜孔位置及數(shù)量，繼而在相鄰進路中利用鑿巖機向懸頂位置鉆鑿側(cè)向傾斜孔。此技術(shù)的關(guān)鍵是確保側(cè)向傾斜孔穿過懸頂拱的支撐點，而在裝藥時只需要對孔底進行裝藥，從而起到處理懸頂?shù)淖饔谩?/p>

此法適用于各種懸頂，尤其是對礦巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育條件下的厚大懸頂情況處理效果更顯其優(yōu)越性。優(yōu)點是處理懸頂時不會對后續(xù)炮孔產(chǎn)生較大的破壞，避免了由于后排炮孔受到破壞而繼續(xù)出現(xiàn)懸頂?shù)膯栴}，處理懸頂?shù)某晒β瘦^高，且施工工序簡單。缺點是處理懸頂后大塊較多，施工精度要求較高。

2012年5月，大頂山礦區(qū)2 525 m分層2 513采場6#進路第19排炮孔和20排炮孔2次爆破后連續(xù)出現(xiàn)懸頂，為了防止大空場引發(fā)不安全事故，生產(chǎn)人員及時上報車間，車間組織技術(shù)人員對懸頂現(xiàn)場進行了勘察。根據(jù)技術(shù)人員目測，懸頂距本分段進路頂部9 m左右，懸頂情況嚴重。結(jié)合炮孔施工設(shè)計圖及地質(zhì)實測圖，技術(shù)人員初步掌握了懸頂?shù)囊?guī)模及支撐點位置，結(jié)合之前探索出的一些技術(shù)經(jīng)驗，決定嘗試采取“側(cè)向傾斜孔”技術(shù)來處理此次懸頂事故。

方案設(shè)計:根據(jù)6#進路懸頂位置與聯(lián)巷的距離確定出懸頂在7#進路中的平行位置，調(diào)動YGZ－90鑿巖機在2 525采場7#進路中向懸頂部位打側(cè)向傾斜孔，共打2排側(cè)向傾斜孔，每個排面2個孔，第1個孔孔深19 m，傾角50°，第2個孔孔深18 m，傾角60°，排距1.8 m，孔徑70 mm。為減小處理懸頂時爆破對后排孔的破壞，只在炮孔的底部進行裝藥，每個孔裝粉狀銨油炸藥24 kg，裝藥長度6.5 m，采用導(dǎo)爆管雷管孔底同時起爆，起爆前撤離所有人員及設(shè)備，以保證安全。施工示意圖見圖5。

此次爆破順利將懸頂崩落，據(jù)車間統(tǒng)計共處理下礦石1 200 t左右，創(chuàng)造經(jīng)濟價值30余萬元，更為重要的是為礦山以后處理類似懸頂情況提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗。

圖5 側(cè)向傾斜孔處理懸頂施工示意

4 結(jié)論

緩傾斜礦體條件下正確的采切設(shè)計及合理的生產(chǎn)管理措施是預(yù)防懸頂事故發(fā)生的根本所在，特別是在破碎礦巖條件下，需要針對礦山的實際情況來采取有效的處理手段，側(cè)向傾斜孔處理懸頂方法目前已成為大頂山礦區(qū)處理懸頂事故的主要技術(shù)手段。大頂山礦區(qū)通過改進礦山生產(chǎn)技術(shù)、管理措施以及運用新的處理懸頂方法，礦區(qū)懸頂頻率明顯減少，由原來的30%降為現(xiàn)在的12%(按進路條數(shù)計算)，礦山的回采率由原來的30% ～50%提升至70%，經(jīng)濟效益明顯提高。

［1］ 各 方.豐山銅礦北緣難采礦體的回收實踐［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2011，5(5):65-66.

［2］ 唐紅兵.無底柱分段崩落法懸頂成因分析［J］.甘肅冶金，2011，6(3):35-36.

［3］ 郭學(xué)彬，張繼春.爆破工程［M］.北京:人民交通出版社，2007:100-109.

［4］ 明世祥，袁 猛，魯炳強.無切井扇形深孔爆破自拉槽新方法［J］. 金屬礦山，2010(3):20-22.

［5］ 郝志賢，李榮昌.無底柱分段崩落采礦法懸頂?shù)奶幚砗皖A(yù)防［J］. 黃金，2010，31(2):31-32.