深部金屬礦山卸壓開采中礦體安全回采方案研究

高文哲

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

由于深部金屬礦山卸壓開采，具有緩傾斜礦床復(fù)合和多層礦床的變形特征，礦體間的圍巖會(huì)發(fā)生顯著變形，產(chǎn)生作業(yè)面和邊坡穩(wěn)定性差的現(xiàn)象，易發(fā)生應(yīng)力集中等安全問題，為礦體回采帶來諸多困難，因此對礦體安全回采方案進(jìn)行研究，具有重要意義[1]。國外卸壓開采技術(shù)較為成熟，將卸壓開采機(jī)理分為局部性卸壓和區(qū)域性卸壓，通過合理的開拓巷道和布置井筒，提高礦體回采的穩(wěn)定性，并對地下硐室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在采空區(qū)充填卸壓長巷，通過人為的鉆鑿鉆孔，降低沖擊地壓高危區(qū)域的圍壓，在地下局部應(yīng)力集中區(qū)域，充填頂板、采空區(qū)和礦體圍巖，進(jìn)而降低回采擾動(dòng)影響。國內(nèi)卸壓開采技術(shù)，同樣取得較大進(jìn)展，通過爆破卸壓，促使作業(yè)面的高應(yīng)力深部轉(zhuǎn)移，形成的壓力卸載區(qū)，以此改變作業(yè)面圍巖物理化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)爆破工作面和圍巖，控制作業(yè)面圍巖變形，使應(yīng)力集中區(qū)域向圍巖深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并采用裂隙補(bǔ)償空間和支護(hù)阻力等方式，在作業(yè)面圍巖內(nèi)掘進(jìn)巷道，避免礦體回采擾動(dòng)[2]。在以上理論的基礎(chǔ)上，提出深部金屬礦山卸壓開采中礦體安全回采方案研究。

1 深部金屬礦山卸壓開采中礦體安全回采方案設(shè)計(jì)

1.1 確定礦體安全回采參數(shù)

確定合理的礦體安全回采參數(shù)，包括采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、鑿巖爆破參數(shù)、預(yù)留礦體層厚度等。首先布置礦體回采的采準(zhǔn)切割工程，具體流程如下圖所示：

圖1 礦體采場采準(zhǔn)切割流程

采場布置完畢后，設(shè)置采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)與采場穩(wěn)定性、采礦生產(chǎn)能力緊密相關(guān)，把底柱礦體實(shí)體厚度作為采場高度，將其控制在8m 左右，將底柱礦體的走向長度作為采場長度，控制在20m～50m，同時(shí)在回采一定距離后充填采空區(qū)，將該距離作為合理的礦塊長度，避免回采過程中頂板充填體發(fā)生較大崩落，采場寬度同樣控制在8m 左右[3]。然后設(shè)置爆破參數(shù)，采取扇形排列的中深孔排列形式，該形式具有采準(zhǔn)工作量小和炮孔布置靈活的特點(diǎn)，能夠集中進(jìn)行裝藥和爆破作業(yè)，減少鉆機(jī)移動(dòng)次數(shù)，保證巷道作業(yè)條件的安全，根據(jù)鑿巖臺(tái)車技術(shù)能力、及重金屬礦山的礦體實(shí)際情況，選擇50mm 炮孔，根據(jù)鉆孔直徑、巖石破碎程度、巖石特性和炸藥性能，確定一個(gè)炮孔能爆下礦石所需要的炸藥量，爆破抵抗線W 計(jì)算公式為：

其中p 為裝藥密度，m 為炮孔密集系數(shù)，q 為單位炸藥消耗量[4]。將炮孔密集系數(shù)與W 相乘，得到炮孔間距，并將其分為孔底距和孔口距，分別控制孔口部分的炸藥分布，以及控制同排炮孔的密集程度，避免爆后粉礦過多。至此完成礦體安全回采參數(shù)的確定。

1.2 優(yōu)化礦體安全回采方案

選擇礦體安全回采的掏槽方式，布置掏槽炮孔，優(yōu)化礦體安全回采方案。掏槽方式?jīng)Q定了爆破成井的成功與否，選取與裝藥孔平行的空孔作為自由面，使所有炮孔全部裝藥，并將掏槽形式分為斜眼掏槽和直眼掏槽，朝底部自由面爆破，克服底部巖石的拖拽作用，使成為倒置漏斗狀槽腔，以此抵消天井高度的限制，在此基礎(chǔ)上選擇掏槽爆破成井工藝，掌握掏槽孔角度、布置和起爆順序，在應(yīng)力波的作用時(shí)間內(nèi)，確保介質(zhì)最大運(yùn)動(dòng)速度，對重金屬礦體進(jìn)行爆破[5]。然后對掏槽炮孔進(jìn)行布置，將礦體頂部作為充填體，預(yù)留0.3m 相當(dāng)于緩沖墊層的礦體，設(shè)置單位炸藥消耗量為0.4kg/t，根據(jù)采場礦巖性質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，再通過礦體回采的炮孔直徑，確定炮孔填塞長度，進(jìn)一步減少崩落礦石的飛石和大塊。最后提高孔內(nèi)部分沖量，疊加高應(yīng)力波傳向自由面，保證爆轟波在巖石中具有較長的作用時(shí)間，起爆方式選取孔內(nèi)微差起爆，控制每次爆破的最大段藥量，選取孔底起爆的起爆順序，先對每排中間組的炮孔進(jìn)行起爆，然后爆破兩側(cè)組炮孔，最后對導(dǎo)爆索進(jìn)行起爆，保證保護(hù)層礦體能冒落，降低崩落礦石的大塊率，確保礦體回采的安全性。至此完成礦體安全回采方案的優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，將此次設(shè)計(jì)的礦體安全回采方案記為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)深部金屬礦山卸壓開采中礦體安全回采方案，記為對照組。選擇深部金屬礦山的底柱采場，作為卸壓開采中礦體安全回采方案的試驗(yàn)采場，礦體約4420t，主要為獅嶺南礦段礦體，緩傾斜至傾斜，整體呈條帶狀，下盤斜傾角約為50°，釆場中間局部有NE 向張性斷裂，礦體厚度約為5.5m，受層間壓性構(gòu)造斷層控制，東陡兩緩，炭質(zhì)頁巖穩(wěn)定性較差。由于覆巖層層間距較小，因此實(shí)驗(yàn)組將礦體分為三層回采，根據(jù)孔底距布置炮孔，控制礦體回采邊界，其炮孔參數(shù)如下表所示：

表1 排炮孔參數(shù)設(shè)置

采用從上向下的回采順序，在近礦體側(cè)布置卸壓短巷，使用噴錨支護(hù)，支護(hù)厚度為290mm，錨桿直徑為35mm，長為1900mm，卸壓短巷的巷道深為4.5m，寬度為4.5m，利用卸壓鉆孔對巷道進(jìn)行卸壓，其中孔深為30m，與水平夾角均為65°，分別布置在垂直礦體傾向拱頂、沿礦體傾向側(cè)幫、沿礦體傾向拱頂、垂直礦體傾向側(cè)幫。比較不同距離下，兩組礦體回采方案的卸壓巷垂直偏移量，其實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如下表所示：

表2 卸壓巷道垂直偏移量對比結(jié)果

由上表可知，實(shí)驗(yàn)組卸壓巷道垂直偏移量的平均值為1.55mm，對照組平均偏移量為3.53mm，相比對照組，實(shí)驗(yàn)巷道垂直偏移量減少了1.98mm，降低幅度達(dá)56.09%。綜上所述，此次設(shè)計(jì)方案相比傳統(tǒng)方案，減少了卸壓巷道的垂直偏移量，有效解決了卸壓頂板高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證了卸壓巷道的穩(wěn)定性，使礦體回采更加安全穩(wěn)固。

3 結(jié)束語

此次設(shè)計(jì)方案減少了卸壓巷道的垂直偏移量，保證了礦體回采的安全性。但此次研究仍存在一定不足，對弱結(jié)構(gòu)面的多層礦體回采研究不足，在今后的研究中，會(huì)針對巖體包含的節(jié)理、斷層和裂隙等弱結(jié)構(gòu)面，進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。