1、無底柱分段崩落法高壓區(qū)采礦研究姓 名：孔德華單 位：魯中礦業(yè)有限公司申報專業(yè)：采礦高級工程師個 人 簡 歷孔德華，男，1981年4月出生，大學(xué)本科學(xué)歷，測繪工程工學(xué)學(xué)士，函授礦業(yè)工程畢業(yè)，2005年7月從山東科技大學(xué)地球科學(xué)物理學(xué)院畢業(yè)后，自主擇業(yè)到魯中礦業(yè)有限公司，被分配到小官莊鐵礦質(zhì)量計(jì)量科工作，從事采礦技術(shù)工作. 2006年5月，調(diào)到小官莊鐵礦二工區(qū)從事采礦技術(shù)管理工作，2012年11月起擔(dān)任二工區(qū)值班區(qū)長，2013年9月起擔(dān)任二工區(qū)副區(qū)長，從事工區(qū)采礦技術(shù)管理工作，2015年9月調(diào)入小官莊鐵礦一工區(qū)擔(dān)任副區(qū)長，從采礦安全生產(chǎn)管理工作。目 錄1.前言32.采動地壓分布規(guī)律3 2.1移動支

2、撐4 2.2固定支撐4 2.3局部支撐53.優(yōu)化采礦方案5 3.1合理回踩順序 改善地壓環(huán)境5 3.1.1調(diào)整分段內(nèi)回采順序5 3.1.2上下分段間的回采空間關(guān)系 6 3.2強(qiáng)化支護(hù) 提高巷道利用率6 33 實(shí)行“三強(qiáng)”開采與“卸壓”開采7 3.3.1 “三強(qiáng)”開采7 3.3.2回采區(qū)內(nèi)的卸壓開采84.結(jié)語11無底柱分段崩落法高壓區(qū)采礦研究摘 要：通過現(xiàn)場實(shí)踐以及理論分析得出對小官莊鐵礦回采過程中的地壓顯現(xiàn)規(guī)律。從而確定，在科學(xué)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行回采的合理安排，保證巷道的穩(wěn)定，滿足回采落礦施工。關(guān)鍵詞： 崩落 承壓區(qū) “三強(qiáng)”開采 卸壓開采1.前言小官莊鐵礦隸屬于魯中礦業(yè)有限公司，該礦屬于熱液接觸

3、交代矽卡巖型礦床，礦體賦存條件復(fù)雜，具有埋藏深、礦巖松破、傾角緩、地壓大等特點(diǎn)，是國內(nèi)有名的難采礦山。采礦方法主要為無底柱分段崩落法，中段高度50米，分段高度和進(jìn)路間距均為12.5米，上向扇形中深孔微差爆破擠壓落礦。隨著開采的不斷延伸，目前各采區(qū)的開采深度已經(jīng)超過400m，開采過程中巖石力學(xué)問題凸顯，造成采礦過程中應(yīng)力集中、顯現(xiàn)劇烈，部分采準(zhǔn)巷道變形，炮孔錯位、擠孔，巷道甚至提前垮冒，滿足不了采礦的需求，殘留了許多礦柱，形成了許多的高應(yīng)力地段，不但使本分段也使下分段的采準(zhǔn)巷道處于承壓區(qū)內(nèi)，難掘難支，無法實(shí)現(xiàn)正常回采。由于地壓顯現(xiàn)造成的礦石損失越來越大，所以研究無底柱分段崩落法高應(yīng)力區(qū)采礦，就具

4、有重要的意義。2.采動地壓分布規(guī)律 采場地壓是指地下開采過程中原巖對采場或空區(qū)圍巖及礦柱所施加的載荷。這是由于地下礦體采出后所形成的采掘空間破壞了原巖的自然平衡狀態(tài)，引起巖體應(yīng)力的重新分布，從而引起采場圍巖變形、移動或破壞等一系列地壓現(xiàn)象。這些地壓現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展過程稱為采場地壓顯現(xiàn)1。采場地壓往往呈動態(tài)變化，所謂地壓的動態(tài)性，不僅是指地壓現(xiàn)象隨時間推移而變化的特性，如巖體流變（蠕變、松馳現(xiàn)象）和巖體風(fēng)化造成的地壓現(xiàn)象加劇，也更是指巖石工程結(jié)構(gòu)隨其所處空間位置和施工順序的不同，地壓現(xiàn)象的表現(xiàn)形式和顯現(xiàn)程度隨之變化的客觀存在2。與其他地下工程不同，采場巷道圍巖穩(wěn)定性承受交替變化的采動應(yīng)力影響。由

5、于礦體的采出形成空區(qū)，導(dǎo)致采場四周應(yīng)力大小和狀態(tài)發(fā)生變化，一般在采場兩幫形成高于原巖應(yīng)力的支承應(yīng)力區(qū)。小官莊鐵礦礦床不僅礦體呈緩傾斜，而且，沿走向方向向兩翼側(cè)伏，因此，在采礦過程中，由于不同礦塊的同時開采，各采動應(yīng)力相互影響，不可避免地在礦塊間形成承壓區(qū)。2.1移動支承移動支承是伴隨著回采范圍擴(kuò)展、不斷移動并逐步增高的動態(tài)壓力。無底柱分段崩落法回采時的移動支承壓力帶的寬度大約為25m左右,其應(yīng)力集中值隨退采面積的大小而變化，應(yīng)力峰值一般位于距掌子面1015m處。移動支承壓力在首采分段顯現(xiàn)最為劇烈。小官莊鐵礦各采區(qū)在由上盤向下盤退采過程中,都受到了移動支承壓力的強(qiáng)烈影響。尤其是下盤礦塊,巷道嚴(yán)重

6、變形破壞,中深孔大量錯擠,回采率明顯降低。2.2固定支承 當(dāng)一個分段或一個中段回采結(jié)束后,回采移動支承壓力移動到采空區(qū)周圍即形成固定支承壓力。固定支承壓力的影響范圍及程度取決于回采區(qū)的形狀、大小以及采區(qū)之間的距離。根據(jù)各個采區(qū)統(tǒng)計(jì),固定支承壓力影響帶寬度,在礦體兩翼為60m,下盤為40m,上盤為60m,劇烈影響帶寬度為2030m,其應(yīng)力集中系數(shù)值如圖2。固定支承壓力主要對下分段回采產(chǎn)生影響。當(dāng)采場位于上分段固定支承壓力帶之下時,巷道掘支都異常困難,支架變形破壞嚴(yán)重,巷道位移速率達(dá)4.7mm/d,最大變形量達(dá)300mm。2.3局部支撐回采過程中遺留下的殘柱、壓實(shí)帶或夾石都將形成應(yīng)力高度集中的局部

7、支承壓力。位于此種壓力之下的巷道,圍巖應(yīng)力異常大,變形破壞難以控制,采場中一些大的垮冒大都發(fā)生在此區(qū)段。局部支承壓力一般產(chǎn)生在礦體開采的首采分段和第二分段,隨礦體的連續(xù)下降開采,局部支承壓力將逐漸消除。另外一些半島式或孤島式采場也是產(chǎn)生局部支承壓力的位置。3優(yōu)化采礦方案3.1合理回踩順序 改善地壓環(huán)境3.1.1調(diào)整分段內(nèi)回踩順序根據(jù)分段平面內(nèi)各礦塊的的分布，以及上水平回采實(shí)際情況，確定本水平回采次序?？偟脑瓌t是，以電設(shè)井或斜坡道為基準(zhǔn)，先遠(yuǎn)后近，先承壓帶后卸壓帶。在承壓帶中，原則上先采鄰接卸壓帶的礦塊或進(jìn)路，即前進(jìn)回采。對個別礦塊中的突出部分，可超前開采，直到形成規(guī)定的工作面推進(jìn)斜線。礦塊中相

8、對軟弱破碎部位的進(jìn)路可適當(dāng)超前退采，不一定嚴(yán)格按工作面推進(jìn)斜線的順序要求，拖延時間也可能釀成巷道垮冒。有較大夾層存在時，應(yīng)視為礦石按正常順序一并回采，但只放出補(bǔ)償空間，以免在下分段形成局部應(yīng)力集中。3.1.2上下分段間的回采空間關(guān)系上下分段間的回采超前關(guān)系對于礦巖比較穩(wěn)固的礦山，只要下分段稍滯后于上分段即可。實(shí)踐證明，由于礦巖軟弱破碎，上分段爆破震動，邊孔的徑向破壞作用，致使下分段巷道承受較大壓力，巷道變形嚴(yán)重，冒頂不斷，致使回采極不正常。因此，確定其合理的超前關(guān)系是合理的回采順序的一個重要方面。對于小官莊鐵礦，下分段滯后上分段控制不小于15米。另外，回采過程中加強(qiáng)深孔爆破管理，保證大炮質(zhì)量，

9、避免出現(xiàn)回采過程中的隔墻、懸頂，造成局部回采不充分，進(jìn)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。3.2強(qiáng)化支護(hù) 提高巷道利用率小官莊鐵礦在初期開采中，設(shè)計(jì)的采準(zhǔn)巷道大多不支護(hù)或局部錨桿或素噴支護(hù)?；夭傻膶?shí)踐證明，這是不適應(yīng)小官莊鐵礦地質(zhì)、地壓條件的。在總結(jié)以往開采實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合采場圍巖力學(xué)性質(zhì)研究、巷道變形測量，逐步查清地壓規(guī)律，確定了以噴錨網(wǎng)為主要支護(hù)形式。支護(hù)參數(shù)主要如下：錨桿類型：托盤錨桿或彎鉤錨桿，托盤錨桿用16mm的螺旋鋼，錨桿長2.0米；彎鉤錨桿用16mm的螺紋鋼，桿長為1.8米；間距為 800mm×800mm，正方形布置。中長錨桿每排6根，排距1.31.4米。中長錨桿用20mm的螺旋鋼，桿

10、長為3.0米。鋼筋網(wǎng)用6.5mm的鋼筋編制，網(wǎng)格為200mm×200mm。雙筋條用12mm的圓鋼焊接，沿巷道縱向壓。噴厚為5070mm。由于噴錨網(wǎng)支護(hù)形式適合小官莊鐵礦的地質(zhì)、地壓特點(diǎn)，因此在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并根據(jù)巷道所處位置，采動地壓活動規(guī)律，巷道服務(wù)時間和礦巖性質(zhì)，對支護(hù)進(jìn)行了等級劃分，選用與之相匹配的支護(hù)形式和強(qiáng)度，避免了支護(hù)的盲目性，使支護(hù)更加合理可靠。通過對小官莊鐵礦東、西、南、北4個采區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐，均取得較好的效果；采準(zhǔn)巷道利用率大大提高，返修率大大降低。實(shí)踐證明，以噴錨網(wǎng)為主要支護(hù)形式的支護(hù)是應(yīng)對軟弱破碎礦體的最基本的手段。33 實(shí)行“三強(qiáng)”開采與“卸壓”開采 3.

11、3.1“三強(qiáng)”開采對于處于高應(yīng)力區(qū)段的軟弱破碎礦體縮小回采單元，實(shí)行“三強(qiáng)”開采，盡量縮短采準(zhǔn)巷道的服務(wù)年限，使其服務(wù)年限低于巷道開挖到變形報廢的時間，是一種有效的方法?！叭龔?qiáng)”開采是指強(qiáng)掘、強(qiáng)鑿、強(qiáng)采。“強(qiáng)掘”，即提高掘進(jìn)強(qiáng)度。在小官莊鐵礦這種特殊地質(zhì)條件下，掘進(jìn)和支護(hù)是分不開的(即沒有不支護(hù)的巷道)，因此，“強(qiáng)掘”的概念既包括了提高掘進(jìn)強(qiáng)度，也包括了提高支護(hù)強(qiáng)度。通過提高掘支強(qiáng)度，減小采準(zhǔn)時間。其途徑是采用先進(jìn)的出渣、鑿巖設(shè)備和組織三班連續(xù)作業(yè)?！皬?qiáng)鑿”，即提高中深孔鑿巖強(qiáng)度，從而減小中孔鑿巖時間。其途徑是采用先進(jìn)高效的鉆孔設(shè)備和合理的組織方式，如1條進(jìn)路內(nèi)安排多臺鉆孔設(shè)備同時作業(yè)。“強(qiáng)采

12、”，即提高出礦強(qiáng)度，從而減小回采時間。其途徑是選用高效率鏟運(yùn)機(jī)，搞好鏟運(yùn)機(jī)的使用與維修，同時要提高爆破質(zhì)量，減小懸頂、隔墻、立槽等爆破事故，減少大塊率。“三強(qiáng)”的核心是強(qiáng)采，因?yàn)樵诋a(chǎn)量一定的前提下，只有提高出礦效率，才能減少同時回采的礦塊數(shù)，更多地減少采準(zhǔn)巷道的服務(wù)年限，確保高壓區(qū)段軟破礦體的安全退采。同時還要有“強(qiáng)掘、強(qiáng)鑿”作保證，否則“強(qiáng)采”也將失去基礎(chǔ)。通過“三強(qiáng)”措施，縮短了分段開采時間，保證了巷道的穩(wěn)定，減輕了巷壓顯現(xiàn)，保證了采礦各分段的順利銜接。3.3.2回采區(qū)內(nèi)的卸壓開采研究表明,巷道圍巖的變形破壞主要受控于巖性和應(yīng)力水平,是因兩者比例失調(diào)所引起。巖性是客觀存在而難以避開和替換的

13、,但地層應(yīng)力則可通過一些工程措施使其發(fā)生轉(zhuǎn)移和變動,應(yīng)力的變動將改變兩者的比例關(guān)系。小官莊鐵礦礦床不僅礦體呈緩傾斜，而且，沿走向方向向兩翼側(cè)伏，因此，在采礦過程中，由于不同礦塊的同時開采，各采動應(yīng)力相互影響，不可避免地在礦塊間形成承壓區(qū)。如下圖2.1所示。各回采區(qū)域之間的應(yīng)力疊加取決于回采區(qū)的形狀、大小以及采區(qū)之間的距離。研究表明，作用在礦柱上的應(yīng)力集中隨采場跨度加大和礦柱減小而提高。圖2.1 支承壓力區(qū)應(yīng)力顯現(xiàn)示意圖通過一些光彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定作用在礦柱間的垂直應(yīng)力的平均值由下式給出，óp(1+W0/Wp)Pz，式中，W0為回采區(qū)寬度，Wp為回采區(qū)間距離，PZ為原巖應(yīng)力，由此可初步評

14、評估出回采區(qū)間支承壓力帶的平均垂直應(yīng)力。 圖2.2 進(jìn)路間圍巖的垂直應(yīng)力分布隨著采區(qū)間相互靠近，礦柱所承受的垂直應(yīng)力增大，達(dá)到或超過松破巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。尤其在采區(qū)近圍巖，一般處于單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)，作用到圍巖上的應(yīng)力往往超過巖體峰值強(qiáng)度，其模擬如圖2.2所示。 對采場的地壓規(guī)律的研究必須進(jìn)行相應(yīng)的巖石力學(xué)數(shù)值分析計(jì)算，目前常用的分析法主要有：有限單元法、邊界元法、有限差分法、加權(quán)余量法、離散元法、剛體元法、不連續(xù)變形分析法、流形方法等。有限單元法3是由M.J.Jurner和R.W.clough于1956年提出,O.D.zienkiewicz于1965年，將有限單元法用于以變分原理為基礎(chǔ)的問

15、題4從而使有限單元法有了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并以其能方便地處理各種非線性問題，能靈活地模擬巖土工程中復(fù)雜的施工過程，成為巖石力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析法。經(jīng)過分析可知，地下進(jìn)行較大面積回采后，采空區(qū)上方巖體重量向周圍支承區(qū)轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)四周一般會形成支承壓力帶，尤其是工作面前方會形成超前支承壓力，支承壓力其最大應(yīng)力可能比原巖應(yīng)力增高1至3倍，但在采空區(qū)中央部位往往會形成應(yīng)力降低區(qū)，尤其是當(dāng)巖石強(qiáng)度較低時（如某些軟巖），更容易形成應(yīng)力降低區(qū)，冒落穩(wěn)定后的采空區(qū)內(nèi)的應(yīng)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力。小官莊鐵礦礦體埋藏深，傾角緩，地層壓力大，開采引起的崩落需長時間才能發(fā)展到地表，故采區(qū)之上的拱形效應(yīng)較為明顯，應(yīng)力集中也十分突出。研究表明，小官莊鐵礦采場地壓的分布具有明顯的分區(qū)分段性，即存在著支承區(qū)和卸載區(qū)。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果避開如何避開應(yīng)力集中的影響，待礦體圍巖活動穩(wěn)定后，再進(jìn)行相應(yīng)的巷道設(shè)計(jì)施工，則可使巷道保持完整，采礦安全可行。4.結(jié)語分析小官莊鐵礦地壓活動的規(guī)律，通過采礦方案的優(yōu)化，合理安排本分段的退采順序，考慮上分段的回采工程，減弱支撐壓力