下告鐵礦懸頂成因分析及預(yù)防措施研究

雷 剛 陳詩墨 張 杰

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽621000;2.廣東省河源市紫金縣下告鐵礦，廣東 河源517000)

下告鐵礦位于廣東省紫金縣西南部，礦區(qū)地形起伏較大，地形坡度10° ～20°，屬低山丘陵地貌，礦體分布于1 ～8 號勘探線之間，東西長約400 m，平均寬度70 ～110 m，平均品位TFe 27.25% 。由于下告鐵礦礦體厚大、品位較低以及近礦圍巖含有一定鐵品位等特點，為尋求礦山規(guī)模效益，從0 m 分段開始由空場法轉(zhuǎn)為無底柱分段崩落法，礦山設(shè)計年生產(chǎn)能力為120 萬t/a。礦山中段高度為60 m，采用豎井加斜坡道開拓方式，包括了－13、－26、－37、－48 和－60 m等分段，垂直礦體走向布置回采進路，從礦體上盤往下盤進行退采，每一分段平均20 條進路。目前礦山正在回采－26、－37、－48 m 等分段。

自從礦山由空場法轉(zhuǎn)為無底柱崩落法分段法后，懸頂一直是困擾礦山生產(chǎn)的最大難題，2013 年9 月，在－26、－37 m 分段中共有5 條進路幾乎同時出現(xiàn)懸頂事故，使生產(chǎn)發(fā)生停怠，為了處理這些懸頂，礦山耗費了大量的人力物力，而且有一些進路懸頂處理之后沒過多久又出現(xiàn)了新的懸頂，并產(chǎn)生了非常多的大塊。起初，礦山管理人員以為是炸藥質(zhì)量出現(xiàn)了問題，把原生產(chǎn)采用的硝胺炸藥換成了銨油炸藥，但是懸頂依然頻繁發(fā)生，更換炸藥之后也沒有從根本上解決問題。為了從本質(zhì)上搞清下告鐵礦頻繁發(fā)生懸頂?shù)脑?，我們從設(shè)計、裝藥、崩礦、出礦等工序著手，對懸頂?shù)漠a(chǎn)生進行系統(tǒng)的研究和分析，針對礦山在設(shè)計和回采過程中的不規(guī)范操作提出了解決措施。

1 懸頂成因分析

通過對現(xiàn)場的調(diào)研和分析，下告鐵礦出現(xiàn)懸頂?shù)脑虺说V體本身穩(wěn)固性差和礦巖接觸帶異常破碎以外。更主要的是設(shè)計、回采、放礦等工序操作的不規(guī)范性為懸頂?shù)陌l(fā)生埋下隱患。

1.1 設(shè)計崩礦排面預(yù)留保護層過厚

無底柱分段崩落法崩礦排面的設(shè)計與施工質(zhì)量對礦石回收效果的影響屬于連續(xù)性的影響，一旦回采進路中的崩礦排面質(zhì)量出現(xiàn)問題，不僅將顯著惡化回采時當(dāng)前排面的礦石回收效果，而且還會顯著影響后續(xù)排面及下分段排面的回采［1］。因此，必須高度重視回采進路中崩礦排面的設(shè)計與施工，確?；夭赡芘c上分段覆蓋巖層貫通，使得上分段覆蓋巖層能隨著下分段放礦而流暢下移，這是無底柱分段崩落法正?；夭杉叭〉昧己玫V石回收效果的基礎(chǔ)和前提，否則將嚴(yán)重影響礦石的正?；厥铡?/p>

下告鐵礦采用寬×高為4.0 m×3.8 m 的三心拱形巷道，進路間距16 m，分段高度11 m 左右，崩礦步距為1.4 m，一次性崩落2 排炮孔，邊孔角為48°，以發(fā)生懸頂?shù)?706 進路14 號排面為列進行分析研究，3706 進路14 號排面如圖1 所示。

圖1 3706 進路14 號排面設(shè)計圖Fig.1 No.14 Plane design of 3706 route

從實驗放礦的結(jié)果看，邊孔角對回收結(jié)果的影響不大。但是，邊孔角對于爆破效果特別是靠近脊部附近的礦巖爆破效果影響很大［2］。鐵礦石的自然安息角一般在39° ～40°，但是在覆巖下鐵礦石的擠壓安息角(放出角)則在50° ～55°。也就是說，低于擠壓安息角的崩落礦石是很難被順利放出的，崩落礦石得不到有效松散，不僅會影響到本步距的放礦效果，還會由于邊孔的爆破受夾制作用而影響下一步距的爆破效果，出現(xiàn)大塊甚至懸頂?shù)劝踩[患。因此，邊孔角不宜過小，如果鑿巖設(shè)備能力沒有問題，通?？梢圆捎?5° ～60°的邊孔角。但是，較大的邊孔角也會帶來下分段中間炮孔深度過大的問題，一定程度上會影響到鑿巖效率與炮孔質(zhì)量。經(jīng)測算，下告鐵礦礦石的擠壓安息角為55°左右，設(shè)計采用48°的邊孔角之后，使得桃形礦柱上部接近實體覆巖的厚度增大，下分段扇形排面頂部的爆破已經(jīng)是真正意義上的擠壓爆破［3］，設(shè)計采用保護層厚度為0.5 m 之后，使得爆破難以貫穿上部覆巖，致使大塊增多，懸頂極易發(fā)生，為此應(yīng)減小保護層厚度，設(shè)計為0.2 ～0.3 m 左右。

1.2 切割槽高度不夠

無底柱分段崩落法的切割工作主要是形成形狀、大小以及方位符合扇形炮孔爆破需要的補償空間。由于無底柱分段崩落法在回采空間上的連續(xù)性，切割立槽的質(zhì)量看似只影響幾排炮孔或1 條進路的回采效果，但實質(zhì)上是影響到幾條進路甚至幾個分段的爆破及回采效果［4］。因此，切割工程的質(zhì)量需要從設(shè)計及施工環(huán)節(jié)進行控制，為爆破效果以及良好的礦石回收效果墊定基礎(chǔ)。

下告鐵礦采用從礦體上盤往下盤退采的方式進行開采，通過對－26、－37 m 分段調(diào)研了解到，切割槽位置沒有避開礦巖接觸等破碎位置，并且設(shè)計的切割井高度竟然略低于了分段高度，使得后續(xù)排面桃形礦柱的爆破根本沒有補償空間。對于從上盤往下盤退采的進路來講，為了避開上盤礦巖接觸的破碎地帶，每分段的切割槽基本上是開鑿在未崩落的上盤圍巖中，上盤崩礦排面應(yīng)為矩形排面，如圖2 所示。為保證后續(xù)炮孔順利崩落，切割槽(切割井)的高度通常為分段高度的1.5 倍左右，才能形成與后續(xù)扇形孔爆破的形態(tài)相適應(yīng)的補償空間。因此，需要改變現(xiàn)行的習(xí)慣性非規(guī)范設(shè)計方法，嚴(yán)格按照實際的崩落礦巖層高度布置切割天井并形成切割槽，保證切割井和切割槽有足夠的高度。同時，切割槽的位置應(yīng)避開上分段的回采巷道、切割平巷等不利位置，確保形成的切割槽有效斷面尺寸和高度滿足后續(xù)炮孔爆破的需要。

圖2 上盤矩形崩礦排面Fig.2 Plane diagram of upper rectangle ore caving

1.3 工人裝藥時拔管過快，而且炮孔沒有堵塞

由于部分工人裝藥不熟練和責(zé)任心差，裝藥時拔管過快以致炮孔內(nèi)裝藥密度過低，而且有相當(dāng)多的炸藥被散落在地上，致使孔內(nèi)設(shè)計裝藥量達(dá)不到要求。炮孔沒有堵塞，根據(jù)爆破理論，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體瞬間將會充滿炮孔，并且具有很大的壓力和速度，如果炮孔不堵塞或堵塞長度過短，爆生氣體瞬間就會沖出炮孔，出現(xiàn)“沖炮”現(xiàn)象，爆破質(zhì)量難以保證［5-6］，如果堵塞長度合適，堵塞物就會由于慣性阻力和與炮孔內(nèi)壁的黏結(jié)力以致增加孔內(nèi)高溫高壓的持續(xù)時間，使先前由沖擊波造成的裂隙在高壓氣體的氣楔作用下充分發(fā)展，使巖石破碎更充分，而且有效地減少爆破飛石的數(shù)量和拋擲距離，降低空氣沖擊波的強度。

1.4 上盤切巖放礦量少

由于下告鐵礦上盤礦體傾角較緩，下盤礦體接近直立等特點，礦山在回采上盤礦體時，采用見到廢石就停止出礦的放礦方式。需要說明的是，對于上盤三角礦體部分，本身的礦量就不多，開采這部分礦體除盡可能回收三角礦體的礦石外，更重要的目的是及時放頂以釋放地壓與補充覆巖，為下面分段相應(yīng)位置礦段的礦石正?；厥談?chuàng)造良好條件。為使相鄰進路的回采空間盡可能貫通并使頂板盡快冒落。上盤三角礦體回采出礦的特點是先放出部分礦石然后很快出現(xiàn)廢石，隨著退采的進行，出現(xiàn)廢石的時間逐步推遲。為使后續(xù)排面的爆破有足夠的補償空間，上盤排面至少應(yīng)按其步距崩礦量的30%進行出礦，以避免后續(xù)排面出現(xiàn)懸頂、大塊等隱患，同時也將使回采空間充分暴露出來，促使頂板圍巖及時冒落，回采產(chǎn)生的地壓及時釋放。

2 懸頂預(yù)防處理措施及實踐效果

2.1 對正回采的進路的懸頂預(yù)防措施

隨著礦山從上盤往下盤退采的進行，懸頂現(xiàn)象頻繁發(fā)生，部分巷道在處理懸頂之后沒隔多久又發(fā)生了懸頂現(xiàn)象，這給礦山生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。對懸頂處理后的后續(xù)排面爆破情況跟蹤調(diào)查我們發(fā)現(xiàn)，出礦后期排面頂部出現(xiàn)了相當(dāng)多的大塊，此原因有可能是孔底裝藥密度過低和頂部爆破自由空間不足造成。由于相當(dāng)多的回采進路中深孔已經(jīng)形成，重新大面積地加深中孔或者擴孔都將嚴(yán)重影響礦山的生產(chǎn)計劃。那么我們又該如何減少后續(xù)排面發(fā)生懸頂?shù)膯栴}呢?為了保證后續(xù)炮孔爆破的效果，建議礦山每隔6 排炮孔增加1 個加密排，加密排的炮孔個數(shù)為一般排面炮孔個數(shù)的1.5 倍。當(dāng)回采至加密排時，同前端排面同時爆破。為避免巷道口附近藥量的過度集中，扇形孔采用交錯裝藥結(jié)構(gòu)形式，對炮孔進行必要的堵塞。所謂的交錯裝藥是將左右兩邊孔的填塞長度確定為1.5 ～2.0 m，其他各孔的填塞長度交錯增減，使各炮孔孔口裝藥位置的間距大于孔底距之半，交錯裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序圖如圖3 所示。同時，為減少爆破震動以及對邊孔角起爆的夾制影響，同一排炮孔采用微差爆破［7］，從排面兩邊往中間依次起爆，采用孔底起爆方式。

圖3 交錯裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序Fig.3 The interleaving charging structure and detonating sequence diagram

2.2 對還未開始切割的進路懸頂?shù)念A(yù)防措施

由于上盤礦體礦巖交接面較緩，而且在礦巖交界處穩(wěn)固性差，此處的爆破是在沒有上部松散覆巖，而是實體的情況下進行，切割槽的高度應(yīng)為分段高度的1.5 倍左右［8］。由于之前的設(shè)計中切割立槽的高度遠(yuǎn)未達(dá)到正常爆破所需高度。導(dǎo)致切割立槽的形狀、面積以及補償空間的大小均不能適應(yīng)后續(xù)步距回采爆破的需要，不僅導(dǎo)致大塊、懸頂、立墻等問題頻繁出現(xiàn)，還因為爆破的夾制性過大導(dǎo)致礦體(巖石)頂板高度不斷下降的現(xiàn)象出現(xiàn)。同時上盤巖石不能及時崩落下來形成覆蓋層，造成上盤地壓不能及時釋放并不斷積聚，地壓活動劇烈，巷道支護困難，最終造成大量礦石不能有效回收，加大了礦石的損失。針對上盤礦巖界面較緩的條件，設(shè)計了上盤切割巷布置圖如圖4 所示。

圖4 上盤切割巷布置Fig.4 Upper cutting roadway layout

切割巷避開上盤礦巖交接破碎帶2 m 左右，切割立槽(切割井)的高度達(dá)到分段高度的1.5 倍，在上盤回采的前幾個排面中，采出的幾乎全部是廢石，但為使后續(xù)排面的爆破有足夠的補償空間，就算放出的全是廢石，也要放出步距崩礦量的30%方可，以避免后續(xù)排面出現(xiàn)懸頂、大塊等隱患。對于上盤前幾排回采幾乎是廢石的情況，建議礦山采用分采分運，減少對后續(xù)礦石回采的貧化。

2.3 礦山實踐效果

通過認(rèn)真地分析和總結(jié)，礦山生產(chǎn)工藝從設(shè)計到施工得到了較好的規(guī)范，采切方法得到改進，采切與爆破工程質(zhì)量得到顯著提高，生產(chǎn)工藝變得更為合理，懸頂及隔墻等隱患明顯減少。自－60 m 水平開始基本上按照實際崩礦形態(tài)設(shè)計布置炮孔，切割槽的位置有效避開了上盤破碎帶，裝藥工人進行了嚴(yán)格的培訓(xùn)，炮孔進行了堵塞。試驗前整個采區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象到2014 年6 月基本消除，生產(chǎn)秩序恢復(fù)正常，采區(qū)產(chǎn)量穩(wěn)步提升，采出礦石質(zhì)量顯著提高，生產(chǎn)被動局面得到一定程度扭轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 論

懸頂是采用無底柱分段崩落法礦山普遍存在的問題，對于下告鐵礦而言，大面積的懸頂除了因礦體自身穩(wěn)固性差以外，更主要的是設(shè)計和施工沒有根據(jù)礦山自身的情況進行合理的布置。切割槽高度不夠、上盤礦體的出礦量沒能達(dá)到要求，爆破的夾制性過大等因素導(dǎo)致礦體頂板高度不斷下降，致使后續(xù)炮孔爆破補償空間不足。同時設(shè)計預(yù)留排面保護層過厚，裝藥密度不夠，炮孔沒有堵塞等因素使得頂部礦石難以貫穿上分段覆蓋層，爆破產(chǎn)生大量大塊，為懸頂?shù)漠a(chǎn)生埋下禍根。礦山通過認(rèn)真研究和實踐，從設(shè)計到施工進行了分析和總結(jié)，截止到2014 年6 月，懸頂大面積出現(xiàn)的問題基本得到解決。

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