基于切頂卸壓理論的綠色開采理念探索

李俊平 王海泉 劉 非

(1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團有限公司,陜西 西安 710054)

當(dāng)前我國礦業(yè)正面臨著前所未有的變革,綠色、安全、和諧、智能、高效的礦業(yè)發(fā)展理念已融入國家“十四五”規(guī)劃和2035 年遠景目標(biāo)中。 為了實現(xiàn)綠色開采,錢鳴高等[1-2]首次提出了綠色開采的內(nèi)涵及技術(shù)體系。 依據(jù)其技術(shù)體系,非煤地下礦山綠色開采的核心內(nèi)容主要包括保水開采、減沉開采及廢石、尾礦充填。 劉建興等[3]認(rèn)為評價金屬礦山是否達到綠色開采的指標(biāo)體系包括工藝技術(shù)與設(shè)備水平、污染物排放水平、資源開發(fā)利用率、污染物回收利用率、綠色管理與環(huán)保水平等因素, 分別約占總指標(biāo)的16.49%、15.85%、24.61%、21.80%、21.25%,其中與采礦技術(shù)密切相關(guān)的指標(biāo)超60%;郭文兵等[4]強調(diào)地質(zhì)和采礦技術(shù)這2 個指標(biāo);趙國彥等[5]盡管重視安全技術(shù)但也強調(diào)上述后3 項指標(biāo),可見采礦方法在各指標(biāo)中具有重要影響。 李夕兵等[6]認(rèn)為充填采礦是深部礦產(chǎn)資源開發(fā)的首選方法。 許家林[7]認(rèn)為“深化采動巖層運動規(guī)律研究,確定適合不同礦區(qū)特點的綠色開采技術(shù)模式,并建立綠色開采的評價指標(biāo)體系,以便開展礦山全生命周期綠色開采設(shè)計,提高綠色開采技術(shù)效率”是綠色開采的發(fā)展方向,許家林等[8]還認(rèn)為采礦巖層控制必借助充填技術(shù)。 王振宇等[9]在煤—水協(xié)調(diào)共采生命周期影響因子研究中也表明,建設(shè)開采階段采煤方法與開采工藝、塌陷土地治理率是協(xié)調(diào)共采的主要影響因素。 黃麟淇等[10]認(rèn)為未來深部有色金屬綠色采礦工藝是利用高應(yīng)力誘導(dǎo)實現(xiàn)截齒破巖機械化連續(xù)采礦并嗣后充填采空區(qū)。楊科等[11]認(rèn)為黃河流域煤電基地固廢利用的最有效方式是井下綠色充填開采。 吳愛祥等[12-13]認(rèn)為充填采礦法或?qū)⒊蔀樯畈坎傻V和綠色采礦未來可期的唯一解決方案,膏體充填將引領(lǐng)綠色開采。 總之,中國知網(wǎng)中近幾年收錄的大量有關(guān)綠色開采的文獻幾乎都涉及充填或覆巖離層壁后注漿。 可見,非煤地下礦山深部實現(xiàn)綠色開采的根本途徑是充填開采,即將廢石、尾砂等開采廢料就地充填到地下開采或離層空間,從而達到無廢排放、地層無擾動,實現(xiàn)保水、無廢開采。

相關(guān)調(diào)查表明,金川集團、湖北三鑫金銅股份有限公司、銅陵有色金屬集團、張莊鐵礦等多家長期使用充填法開采的礦山企業(yè),經(jīng)過長期累積,地表也產(chǎn)生了不均勻沉降裂縫,并且在深部開采中還發(fā)生鼓巷道幫或巖爆。 例如,金川集團二礦區(qū)在地表沿礦體走向顯現(xiàn)了長度大于1.5 km 的地表沉降盆地及平行地裂縫,其中心距長約1.25 km 的采掘區(qū)地表水平投影的上盤約 300 m,而且在800 m 以下的深部開采中常見主運輸巷幫鼓,甚至采礦、掘進中偶有巖爆發(fā)生[14]。 又如湖北三鑫金銅股份有限公司目前正在開采-520、-620 m 中段的礦體,盡管地表沉陷不太明顯,但距地表埋深約320～370 m 的-270、-320 m 中段上盤脈外巷道底板上總能看到沿走向分布的數(shù)十甚至數(shù)百米長的裂縫,而且在-870 m 中段及其以下中段的巷道掘進中偶有巖爆發(fā)生。 張莊鐵礦、銅陵有色金屬集團等其他多個長期應(yīng)用尾砂膠結(jié)充填法采礦的礦山企業(yè)也先后出現(xiàn)了上述沉降或巖爆問題。

基于上述問題,本研究提出基于切頂卸壓理論的綠色開采理念,并針對不同的礦體賦存條件,探討經(jīng)濟合理地實現(xiàn)綠色開采和安全開采的途徑。

1 基于切頂卸壓理論的綠色開采理念

上述綜述表明:非煤地下礦山深部實現(xiàn)綠色開采的根本途徑是充填采礦,進而達到地表無廢排放、地層無擾動,實現(xiàn)保水、無廢開采。 盡管我國被采礦活動擾動而需要進行生態(tài)修復(fù)的礦山很多,但不少長期致力于充填采礦的礦山實踐表明,如果不解決好深部開采及采空區(qū)處理問題,必然引起頂板沖擊地壓、巖爆、大變形等地壓災(zāi)害,從而導(dǎo)致充填采礦的礦山也會反復(fù)發(fā)生地表開裂、下沉,進而破壞生態(tài)修復(fù)成果,造成反復(fù)修復(fù)、反復(fù)投入和反復(fù)破壞的后果。 由于傳統(tǒng)采空區(qū)處理方法無法定量設(shè)計、不能卸壓開采、施工成本較高,而且傳統(tǒng)卸壓開采理論不僅不完善而且普適性不強,2001 年處理陜西東桐峪金礦43×104m2采空區(qū)時,本研究團隊[15]突破了卸壓開采的理論瓶頸,提出了切頂卸壓理論。

切頂卸壓理論的要點是:應(yīng)用控制爆破手段,分別在頂板拉應(yīng)力最大地段沿采空區(qū)走向全長實施一定深度、一定寬度的控制爆破切槽放頂,誘使頂板在該地冒落、筑壩并接頂,從而實現(xiàn)采空區(qū)小型化并與開采系統(tǒng)隔離,進而引起采(掘)面應(yīng)力釋放并向切頂隔離壩轉(zhuǎn)移(圖1)。 在東桐峪金礦,依據(jù)材料力學(xué)理論推導(dǎo)出切槽放頂?shù)暮侠砦恢?依據(jù)爆炸裂紋擴展原理推導(dǎo)出切頂深度,依據(jù)井下空氣動力學(xué)推導(dǎo)出避免冒落空氣沖擊波傷害作業(yè)面員工的切頂寬度[16]。切槽放頂位置也可借助采空區(qū)頂?shù)装彘]合觀測或頂板應(yīng)力監(jiān)測確定[17]。

圖1 切頂卸壓原理Fig.1 Principle of top-cutting and pressure-relief

首次切槽位置計算公式為

式中,x0為頂板巖梁從866 m 水平到首次切槽點的傾斜距離,m;α為采空區(qū)傾角,(°);a為巖梁從866 m 水平到1 133 m 水平鋼筋混凝土支撐隔離墻的傾斜距離,m;b為頂板巖梁從鋼筋混凝土支撐隔離墻到礦體山坡露頭的傾斜距離,m;H為從山頂平均高度到礦體露頭的垂直距離,m。

二次切槽位置x1的計算公式為

式中,γ為爆破崩落巖石容重,×104N/m3;c=a-x0,即首次切槽位置到鋼筋混凝土支撐隔離墻的傾斜距離,m;d為頂板巖梁從866 m 水平延伸到的深部新水平至首次切槽點的傾斜距離,m;RD為松石堆積壩的支反力,取max {RD} =λ·σ·W·l,其中,λ為崩落巖石抗壓強度的折減系數(shù),一般λ=10-2;σ為巖石抗壓強度,MPa;W為切槽寬度或筑壩隔離體最小寬度,m;l為石渣堆積壩沿走向的單位長度,取1 m。

切槽放頂鉆孔深度可進行如下計算:

式中,L為切槽放頂鉆孔深度,m;k為巖體松散系數(shù);N為采空區(qū)頂、底板垂直高度,m;z為巖石聲阻抗,106kg·m-2·s-1,可查文獻[17]取值;St為巖石抗拉強度,MPa;re為炮孔半徑,取0.02 m。

筑壩隔離體寬度W可進行如下計算:

式中,C為阻力系數(shù),由試驗確定,一般取1.1～2.7;f為松散巖石間的摩擦系數(shù),為確保安全可靠,取最小值0.25;ρ0為空氣密度,井下一般取0.9 kg/m3;ν為石渣堆積壩可承受的氣流速度,m/s。

對于傾斜采空區(qū),為了防止堆石壩沿底板滑動,可以參考圖1 在礦柱殘采時沿底板預(yù)留抗滑樁或爆破底板形成平臺。 為實現(xiàn)地表無廢排放、地層無擾動,本研究提出了基于切頂卸壓理論的綠色開采理念。 其要點是:先借助控制爆破切槽放頂形成的接頂堆石壩支撐頂板;然后充分回收礦柱,清掃底板殘礦;再將開采廢石、尾砂等排入處理完的采空區(qū)。 接頂堆石壩類似安裝在頂、底板間的彈簧,不僅可以封隔采空區(qū),還會引起頂板集中應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移,合理安裝還可引起頂板均勻沉降,從而大幅度減小地層擾動,避免地表發(fā)生開裂、下沉。 切頂爆破也能引起頂板發(fā)生一定量的應(yīng)力釋放。

2 水平至傾斜礦體綠色卸壓開采

依據(jù)切頂卸壓理論,本研究團隊于2001—2007年在傾角為20°～40°的東桐峪金礦采空區(qū)中,分別沿拉應(yīng)力最大的966 m 水平、866 m 水平鑿1.94 m 深的鉆孔,實施了走向全長的控制爆破切槽放頂,沿走向全長堆筑成兩帶寬10 m 的接頂堆石壩,不僅成功處理了采空區(qū),而且在堆石壩邊鋪設(shè)草包后,還經(jīng)濟、高效地回收了堆石壩附近的礦柱及夾在巖柱中的薄脈高品位礦石。 為了減小局部開采地壓,更為了高效回收礦柱和底板殘礦,局部還沿傾向或走向類似實施了寬6 m 的切槽放頂。 進行如此殘采作業(yè)(圖2),延長了該礦服務(wù)年限6 a,年殘采品位約10 g/t 的石英脈金礦石約10×104t[17]。 礦柱殘采干凈后,將開采廢石直接排入處理后的采空區(qū)。 如果進行適當(dāng)膠結(jié)充填加固、封堵堆石壩,還可將選礦尾砂直排井下。殘采6 a,未見地表發(fā)生生態(tài)環(huán)境破壞,開采前后位移變化不明顯(圖3)。

圖2 堆石壩分布示意Fig.2 Schematic of rock-fill dam distribution

圖3 生態(tài)景觀及位移變化Fig.3 Displacement change and ecological landscape

本研究團隊[17-18]于2006—2009 年通過控制爆破切槽放頂,消除了雞西礦業(yè)集團沿空留巷的大變形地壓,實現(xiàn)了煤柱全采。 張國鋒等[19]的110 工法,何滿潮等[20]的切頂短壁梁理論與其110 工法[20],巴蕾等[21]、楊軍等[22]等大量應(yīng)用110 工法的相關(guān)成果,本研究認(rèn)為可以納入切頂卸壓理論在煤礦沿空留巷中的具體應(yīng)用范疇,但都只沿工作面推進方向?qū)α粝镯敯鍖嵤┮粋€面的超前預(yù)裂爆破,定向切斷留巷頂板與采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞,借助切縫面兩側(cè)形成的頂板應(yīng)力差及周期來壓作用誘導(dǎo)采場頂板沿預(yù)裂面及時垮落成巷幫,因而,都未能充分體現(xiàn)切頂深度和寬度的內(nèi)涵,導(dǎo)致切落體無法完全接頂和自穩(wěn),從而未完全取得理想的切頂卸壓效果,煤柱全采未能完全實現(xiàn),并且時常發(fā)生下巷底鼓、坍塌和支架彎曲。

可見,借助切頂卸壓理論,對于水平—傾斜礦體開采形成的采空區(qū),不僅可以借助控制爆破產(chǎn)生的堆石壩將特大型采空區(qū)分隔成若干個小采空區(qū),從而避免處理過的采空區(qū)發(fā)生一定規(guī)模冒落誘發(fā)的空氣沖擊波危害作業(yè)面安全,爆破切斷頂板還可將頂板變成懸臂梁從而釋放部分頂板地壓;可借助整體地壓控制時沿走向,或局部地壓控制時沿走向或傾向切頂卸壓的堆石壩這個合理分布的類似彈簧的結(jié)構(gòu)避免采空區(qū)產(chǎn)生不均勻沉降,并引起集中應(yīng)力向堆石壩底板轉(zhuǎn)移;還可將堆石壩作為廢石或尾砂等充填的擋墻,從而降低嗣后充填的施工成本。 總之,切頂卸壓是水平—傾斜礦體實現(xiàn)卸壓開采、綠色開采的經(jīng)濟、有效手段。

3 急傾斜礦體綠色卸壓開采設(shè)想

3.1 薄脈采空區(qū)卸壓開采

對于急傾斜薄礦體開采所產(chǎn)生的采空區(qū),可以利用“V”形切槽上盤閉合法切斷一定深度的上盤頂板,引起切槽口上部的上盤頂板快速傾倒、閉合(圖4(a)),“V”形切槽產(chǎn)生的松石充填切槽口下部一個中段的采空區(qū)。 這是切頂卸壓理論在急傾斜薄脈采空區(qū)卸壓開采與采空區(qū)處理中的再創(chuàng)新[17],可完全釋放切槽口上部采空區(qū)的地壓,也在切槽口下部堆筑成一定高度的松石壩,以便向處理過的采空區(qū)中排放廢石、尾砂等開采廢料。

圖4 急傾斜采空區(qū)切頂卸壓示意Fig.4 Schematic of roof cutting and pressure relief in steeply inclined forsaken stope

為了確保上盤施工巷道及“V”形切槽鑿巖施工安全,對于f≥10 且完整穩(wěn)固的巖體,如堅硬完整大理巖、花崗巖等,上盤施工巷道與采空區(qū)的水平距離d≥12.5 m;對于8≤f<10 且基本完整穩(wěn)固的巖體,如白云巖、煌斑巖、流紋巖等,d≥20 m;對于穩(wěn)固性較差的巖體,如千枚巖、碳質(zhì)板巖等,d≥25 m[17,23-24]。

3.2 厚脈采空區(qū)卸壓開采

對于急傾斜厚大礦體開采所產(chǎn)生的采空區(qū),尤其還要限制上盤巖移時,本研究團隊在切頂卸壓理論及“V”形切槽上盤閉合法的基礎(chǔ)上發(fā)明了硐室& 深孔爆破法[23],即在采空區(qū)上盤近地表段爆破一定方量的三棱柱體,卸載了上盤頂板的下沉荷載,爆破松石充填采空區(qū)也對采空區(qū)上盤頂板實施了一定高度的壓腳,從而避免上盤及抽采后的保留礦柱發(fā)生巖移破壞(圖4(b))。 同樣,處理后的采空區(qū)中堆筑了一定高度的松石壩,以便隔斷采空區(qū)而形成開采廢料的廢石場或尾礦庫。 為了方便應(yīng)用該方法,假設(shè)上盤三棱柱體爆破前、后上盤頂板巖梁的彎矩相等,推導(dǎo)出的防止上盤不產(chǎn)生危害性巖移的采空區(qū)充填高度的求解方程為

式中,h為充填高度,m;H為礦體開采深度,m;D為礦體平均厚度,m;α為礦體傾角,(°);k為上盤巖石爆破松散系數(shù),一般取1.6。

假設(shè)上盤施工巷道到采空區(qū)的水平距離d與其到地表的距離相等,可按下式解算出沿走向每米采空區(qū)的實際爆破方量V實:

式中,對不同完整性的不同巖性,d必須大于某一臨界值;2.5×2.8 為上盤鑿巖施工巷道的斷面尺寸。 按照式(6)估算d時,需確保V實≥h·D/k。

3.3 采空區(qū)下部整中段卸壓開采

礦山進入深部開采階段后,往往上部開采形成了需要處理的大面積采空區(qū),深部礦巖中也集中了誘發(fā)巖爆或大變形的高地壓。 利用鉆孔爆破卸壓施工的靈活性,基于切頂卸壓理論,本研究團隊[24-25]于2013年發(fā)明了急傾斜礦體開采的采空區(qū)處理與卸壓開采方法。 該方法借助下盤運輸巷道及上盤脈外鑿巖巷道同時向采空區(qū)“V”形切槽,并在上盤巷道底板實施一定深度的隔斷開采,既能全面處理淺部采空區(qū),還能對其深部整中段實現(xiàn)卸壓開采(圖4(c))。

通過FLAC3D仿真分析采空區(qū)處理與卸壓開采過程,能方便地確定上盤施工巷道與采空區(qū)的距離d、上盤巷道底板實施隔斷開采的下向垂直鉆孔深度及隔斷開采的爆破方式。 一般隔斷開采深度取20 m;f超過8 的完整硬巖,d取20 m,采用簡易松動爆破方式即可;對于f為4～7 的硬巖,為了避免施工過程中出現(xiàn)上盤巷道底板下陷,d一般取25 m,必須拋擲爆破形成隔斷開采[25]。

3.4 礦柱綠色全采設(shè)想

在上述急傾斜采空區(qū)處理與卸壓開采的同時,可以間隔抽采75%以上的礦柱[23-25],無法有效實現(xiàn)礦柱全采。 因為在急傾斜采空區(qū)硐室& 深孔爆破上盤近地表的三棱柱體或“V”形切槽就地堆筑成松石壩時,壩體兩則往往成小于45°的坡面,因此堆壩高度很難達到采空區(qū)全高或半高,因而限制了處理過的采空區(qū)排放廢石或尾砂等開采廢料的庫容,并且回采附近礦柱時礦石易混入前期的爆破松石中。

20 世紀(jì)90 年代俄羅斯國家有色礦冶研究設(shè)計院的相關(guān)學(xué)者發(fā)明了礦房崩落充填法[26],即施工好上述“V”形切槽或三棱柱體等的鉆孔或藥室并裝藥連線后,首先向下部采空區(qū)排放一定強度的膠結(jié)充填體,當(dāng)膠結(jié)充填體的排放高度達到采空區(qū)高度的1/2以上后,在充填體未凝固前邊繼續(xù)充填邊起爆上述炮孔和藥室,以便爆破松石排入未凝固的膠結(jié)充填體中,并充分振搗膠結(jié)充填體。 研究表明:如此形成的膠結(jié)體比一般膠結(jié)充填體強度高出25%～30%,充填成本可降低30%～60%,并且地壓和巖移的控制效果較好[26]。

為了提高松石在采空區(qū)中堆壩的高度及穩(wěn)定性,或者避免切頂堆石壩泄漏尾砂,借助充填法兩步驟回采與礦房崩落充填思路,拓展了基于切頂卸壓理論的綠色開采理念,即在采空的采場實施切槽放頂爆破前,先膠結(jié)充填1/2 高度以上的采場,然后邊繼續(xù)充填邊起爆切槽放頂炮孔,以便形成一定高度、完整穩(wěn)固性的膠結(jié)體,既可作為二步驟全采礦柱的支撐柱,又能作為地下充填的擋墻或排放尾砂的尾礦壩。

4 結(jié) 論

(1)充填法既無法避免不均勻沉降,更不能轉(zhuǎn)移或釋放深部開采高地壓,并且急傾斜采空區(qū)中僅切頂難于實現(xiàn)礦柱全采。 因此,將切頂卸壓理論與充填法有機結(jié)合,既是實現(xiàn)深部卸壓開采、綠色開采和礦柱全采的重要途徑,又是地表實施生態(tài)修復(fù)時優(yōu)先考慮的施工步驟。

(2)切頂卸壓理論是實現(xiàn)綠色卸壓開采的經(jīng)濟、有效手段。 水平—傾斜礦體開采形成的采空區(qū)不僅可借助控制爆破產(chǎn)生的堆石壩將特大型采空區(qū)分隔成若干個小采空區(qū),又可借助沿走向及傾向合理分布的堆石壩這個類似彈簧的結(jié)構(gòu),避免采空區(qū)產(chǎn)生不均勻沉降,并引起集中應(yīng)力向堆石壩底板轉(zhuǎn)移,還可將堆石壩作為廢石或尾砂等開采廢料充填的擋墻。 在急傾斜采空區(qū)應(yīng)用礦房崩落充填法,既可降低充填成本,又可提高膠結(jié)充填體強度。

(3)礦房崩落充填法是急傾斜采空區(qū)中構(gòu)筑穩(wěn)定可靠的充填擋墻、形成井下廢石場或尾礦庫并實現(xiàn)礦柱全采的經(jīng)濟有效補充手段。 急傾斜礦體開采形成的采空區(qū)在切頂卸壓時使用礦房崩落充填法,既可以降低充填成本,又能構(gòu)筑強度較高的膠結(jié)充填擋墻或二步驟回收礦柱的支撐柱;既實現(xiàn)了二步驟礦柱全采,又構(gòu)筑了井下排土場或尾礦庫。