采空区处理新方法研究与应用.doc

采空区处理新方法研究与应用 张军胜1 李俊平2 宋士生3 1.辽宁金凤黄金矿业有限责任公司;2.黑龙江鸡西大学; 3.长春黄金研究院 摘 要 以陕西东桐峪金矿采空区处理和地压控制研究为背景，提出了切槽放顶法和切顶与矿柱崩落法，研究了采空区处理的参数设计方法，形成了缓倾斜采空区处理的理论分析、方案设计、现场实施到效果观测的一整套的理论、实践和评价体系。 关键词 采空区处理 切槽放顶法 切顶与矿柱崩落法 控制爆破 Study and Application of New Treatment Technique of Abandoned Stope Zhang Junsheng1 Li Junping2 Song Shisheng3 1. Liaoning Jinfeng Gold Mining Co. Ltd.；2. Jixi University ;3. Changchun Gold Research Institute Abstract In consideration with the practical conditions of the treatment of the underground abandoned stope and ground pressure control in Dongtongyu gold mine, Shaanxi. The grooving top-caving and roof cutting and pillar dilapidation are proposed. The s of parameters designed of abandoned stope treatment are studied. And the whole theory, practice and uating system of gently inclined abandoned stope is set up with theory analysis, treatment scheme, on site construction and effect observation. Keywords Abandoned stope treatment, the grooving top-caving, roof cutting and pillar dilapidation, controlled explosion 采空区处理问题，一直是我国及世界采矿不发达国家普遍存在且特有的采矿技术难题。防范顶板冲击地压，是研究采空区处理问题的关键。采空区处理研究探索了渗流对采空区处理的影响、采空区处理引起顶板应力和位移重新分布、采空区处理对安全生产的影响等问题，发现了经济合理、简便可行的采空区处理新方法，解决了新方法应用中的基本参数设计、应用效果评价等技术问题，提出了符合实际的从理论分析、方案设计、现场实施到效果观测的一整套可供借鉴的理论、实施和评价体系。 1 主要研究内容与技术路线 （1）分别在东桐峪金矿和辽宁黄金矿业有限责任公司开展了大型采空区处理新方法研究，分别提出切槽放顶法和切顶与矿柱崩落法，并分别研究切槽位置、切槽宽度和切槽深度等切槽放顶法的基本参数，和极限跨度、切顶深度等切顶与矿柱崩落法的基本参数，形成了切槽放顶法在厚覆岩采空区处理和切顶与矿柱崩落法在薄覆岩采空区处理的完整理论和方法体系； （2）应用数值模拟（FLAC3D）和模糊数学判定矿石和岩体的稳定性技术研究切槽放顶法和切顶与矿柱崩落法在控制顶板冲击地压，减缓地表不均匀沉陷，调整开采地压等方面的作用效果； （3）推广切槽放顶法在各种采空区和采空区处理中的应用。 2 切槽放顶法在东桐峪金矿采空区处理中的应用研究 切槽放顶法-控制爆破局部切槽放顶技术的技术要点是应用控制爆破手段，分别在顶板拉应力最大的地段沿空场走向全长实施一定深度、一定宽度的控制爆破切槽，诱使顶板最先在该地段冒落，并尽可能使冒落接顶，从而实现空场小型化及其与深部开采系统的隔离，并开采废石有计划地简易排入处理过的采空区，削弱可能发生的自然冒落所激起的空气冲击波，最终消除冲击地压隐患，并使顶板应力向有利于安全开采的方向重分布，确保安全生产。因此有必要研究切槽位置、切槽深度和切槽宽度这3个基本参数的设计方法，并计算排入处理过的采空区中的合理厚度。 2.1 切槽放顶法的基本参数研究 2.1.1 切槽位置研究 2.1.1.1首次切槽位置 按照材料力学模型[1] [2]，推导出首次切槽位置为 ，（1） 式中，α表示采空场倾角，（）；x为从分析截面至866 m标高处顶板的斜长，m；a表示866 m至1 133 m的顶板斜长，m；b表示1 133 m至露头的顶板斜长，m；H表示地表至露头垂直高差，m。 2.1.1.2 二次切槽位置 同样，继椟推导出二次切槽的位置为 X1bcd ，（2） 式中，c≈161.1 m（顶板斜长）； r表示岩体密度，104N／m3； RD力矩。 在典型剖面XVII，倾角α≈400，代入公式求出x0≈164.2 m，则该处标高约为971.5 m。若从866 m水平继续向下开采延伸至780 m水平，可求出二次切槽位值x1≈26.0 m，其对应标高约为796.7m 。 2.1.2 切槽深度 根据断裂损伤力学理论和新成果，推导出切槽深度L计算公式为 L ，（3） 式中，k为岩体松散系数；H为采空场顶、底板垂直高度；Z为岩石声阻抗；St为岩石抗拉强度；σ为原岩应力；re为炮孔半径。 实践证明，按该公式设计切槽钻孔深度，能够保证顶板按要求跨落。 2.1.3 切槽宽度 按照井下空气动力学原理，推导出切槽宽度的计算公式为 W≧CNρ空V2／2fLρ石gcosα，（4） 式中，ρ石为松散岩块密度；g为重力加速度；f为松散岩块间的摩擦系数；C为阻力系数；ρ空为空气密度；V为W宽的石渣堆可承受的气流速度；N 为采空区断面高度。 实践证明，按该公式设计堆坝宽度，能够确保阻断和削弱顶板冒落冲击波，确保不产生危害。 2.2 切槽放顶前、后顶板应力状态的材料力学分析 按照切槽位置研究的分析方法，用材料力学方法可以分析切顶前、后深部水平（866 m水平）和钢筋混凝土隔离墙（1133 m水平）处的应力状态变化情况[3] [4]。 切顶前866 m水平顶板处于3向应力状态，其顶板岩梁下表面受压。切顶、尤其接顶后，岩梁的力学状态改变了，钢筋混凝土隔离墙处于3向应力状态，其承载能力增加，而深部水平的顶板受力下降。这有利于将来深部的安全开采，也有利于上部采空区逐步闭合。当位置一定时，应力大小与梁的厚度h有关。σx1、σx2分别h2、h成反比。因此顶板岩层中似层状结构越发育，切顶后越易引起顶板冒落。 表1 切顶前、后受力状态 切顶状况 RA/GN RB/GN MA/GN.m MB/GN.m σA上 σA下 σB上 σB下 放顶前 2.43 3.00 167.10 -121.94 受拉 受压 受压 受拉 放顶后 0.40 5.02 -94.62 192.18 受压 受拉 受拉 受压 注值为“-”，表示与假定方向相反；计算时α取400。表示顶板岩梁两端的支撑力；表示顶板岩梁两端的弯矩；表示顶板岩梁内部的拉压应力。 2.3 顶板应力状态的数值模拟 应用FLAC3D三维有限元差分计算分析软件计算模拟，分析表明在966 m和866 m水平附近实施沿走向全长的控制爆破切槽放顶是合理的；放顶引起应力向有利于安全生产的方向重分布（980 m平巷地压及其附件下层的开采地压降低，866 m水平以下的深部矿体的开采地压降低），引起地表岩体移动不明显；增加切槽放顶宽度引起深部水平应力集中程度降低的效果不明显；沿倾向类似地实施控制爆破局部切槽放顶，不仅可以调整局部地压，而且可以减小地表岩体移动和关键点的支撑压力；考虑渗流时，采空区处理后地表岩体移动量和应力集中程度将更小。因经采矿疏干后地下水位在采空区以下，地下水渗流对采空区表现为一种浮力，对深部水平待采矿体则表现为一种重力载荷。 表2 各方案在深部引起应力集中程度比较 单元号 放10 m/MPa 放20 m/MPa 不放顶/MPa σ1 σ2 σ1 σ2 σ1 σ2 1223 91.0 26.6 89.4 26.4 101.1 30 1222 75.7 21.7 74.5 21.5 83.5 24 1537 142.0 14.6 139.8 14.6 158.1 17．8 1419 90.9 20.7 89.7 20.6 100.5 23.7 1551 133.4 30.6 132.1 30.7 147.8 35.7 1434 65.07 7.83 64.2 7.7 70.5 10 2.4 切槽放顶施工试验 按照计算结果布置切槽放顶爆破炮孔，在966 m水平附近沿走向实施长约70 m的控制爆破局部切槽放顶试验。切槽宽度10 m，掏槽眼垂直深度2.1～2.2 m，崩落眼垂直深度1.94 m，采用集中凿岩，分次分段爆破以减少爆破震动。 实践证明，切槽深度计算是正确的；大规模切顶施工时，采用4眼加中心空孔平行直眼掏槽，抵抗线从40 m，80 m，120 m，150 m逐步加大，掏槽眼深2 m，崩落眼深1.80～1.90 m，眼倾角不小于650，以确保崩顶的垂直深度不小于1.5 m。切槽位置研究也是合理的；切槽爆破后，顶板会不断发生冒落，直至冒落接顶为止。 2.5 现场观测评价 从2001年8月10日到9月10日集中在东桐峪金矿966 m水平正对614采场附件，沿走向实施了长约70 m的控制爆破切槽放顶，沿倾向放顶宽10 m。放顶之前，从2001年2月7日开始分别在866 m和980 m水平不间断地随机抽样监测，共监测了6个月。放顶约1个月之后，重新在上述地点不间断地监测，监测时间约4个月。 长期监测评价表明，实施控制爆破局部切槽放顶，能引起顶板应力向有利于安全生产的方向重分布。 2.6 技术经济效果分析 实施“采空区处理及采场地压控制”共可为矿山带来3 404万元的直接经济效益。另外还可节约可观的废石、矿柱修建材料运输费。 3 切槽放顶法在金凤公司采空区处理中的应用研究 切顶与矿柱崩落法的思路是利用天然断层等大型弱面或爆破切断顶板，并崩倒极限悬臂跨度内的矿柱，或者没有弱面也不切顶弱化顶板而直接蹦倒极限跨度内的矿柱，使顶板自然冒落。为了确保后续矿体的安全开采，可采用砌筑混凝土隔离墙或留连续矿壁以隔断自然冒落区与深部开采系统的联系。 为了经济合理的实施切顶、崩倒矿柱，必须应用顶板最大跨度理论或数值模拟方法确定回收那些矿柱，从而得到诱发顶板自然冒落的最小顶板跨度，或者确定切顶深度及顶板在天然断层或爆破切顶而处于悬臂状态下的极限跨度，从而把残矿回收和采空区处理有机地结合起来，获取最大的经济效益。 3.1 金凤公司矿石和围岩的稳定性分析 影响岩体稳定性的因素很多，只考虑其主导和控制作用的因素有如下几个方面①结构面的剪切特征；②岩体的完整；③岩石的坚固性；④风化程度；⑤地下水。 把影响矿石围岩稳定性的各项地质因数作为模糊集合。根据南非Bieniawski等人提出的地质力学分类和各项因数评分曲线，对各项因数作离散化或连续化评分V，并根据其影响程度赋以权值W，计算隶属度。 隶属度计算公式为 .4 计算结果对顶底板围岩隶属度 0.49；对矿体隶属度 0.63。 由于试验的岩样数目、现场调查的范围有限，权值的确定来自于经验，另外还要其他未考虑到的影响因数，因此，以隶属函数的特征为主要依据判定岩体的稳定性就比较接近实际和可靠。 通过稳定性综合评价隶属函数分析，顶底板围岩稳定性大部分落在Ⅲ区，仅少部分落在Ⅳ区，属于中等稳定岩层；矿体稳定性落在Ⅱ区和Ⅲ区中间，属于中稳偏上矿层。 通过岩体质量综合评价结果可知，顶底板围岩稳定性为一般-差（局部大理岩地段稳定性为好），矿体的稳定性则为一般-好（局部片岩地段稳定性为差），这一结论与运用模糊数学判定基本一致。 3.2 原有矿房回采过程应力变化数值模拟分析 数值模拟直观地显现了原有矿房回采过程中的力学环境形成的过程，可以清楚的了解采场顶底板和矿柱及围岩的主应力分布规律。 从模拟过程可得出顶板最大拉应力和底板最小压应力均随着开采深度和中段数的增加而增大（或减小），拉（压）应力区均出现在采场顶底板的中部，在同一中段内，位于矿体中部的采场拉（压）应力比边部采场大（或小），但两者在数值上均较小，只有几百千帕的水平，不会出现明显的拉（剪）破坏区，顶板最大拉应力区出现270 m中段，为切槽放顶区域。4个中段回采时形成的压力承载区和卸载区见图1。 卸载区 卸载区 卸载区 卸载区 承载区 图1 4个中段回采时形成的压力承载区和卸载区 3.3残矿过程应力变化数值模拟分析 针对不同的残矿回采方案分别做了模拟分析，从数值分析结果情况可知其主应力场的总体规律是部分采场的矿柱残采过程对整个中段其他采场的主应力分布规律影响不大，但对矿房自身的矿柱和顶底板应力环境改变较大，一般会造成采空区顶板围岩出现较大范围的拉应力区，拉应力水平也较高，底板也会出现明显的拉应力区，残留的矿柱一般会承受着较大的压应力。因此选择合适的位置进行切槽放顶或崩落矿柱会引起顶板冒落导致应力重新分布，起到处理空区和有利于下部中段安全生产的作用。 3.4 控制爆破局部切槽放顶 3.4.1控制爆破局部切槽放顶参数 经计算放顶深度深度为3 m、宽度10 m、每次放顶长度50 m。爆破参数为掏槽眼参数眼深3.0 m，眼距0.5 m，排距0.5 m；崩落眼眼深3.0 m，眼距3.0 m，排距1.5 m。 3.4.2放顶卸压前后采场顶底板和矿柱主应力情况（表3） 表3 放顶卸压前后采场顶底板和矿柱主应力情况汇总 MPa 放顶前后主应力 放顶前 放顶后 减小值 间柱最大压应力 -16.16 -12.43 3.73 底柱最大压应力 - -6.21 6.21（增大） 顶柱最大压应力 - -6.04 6.04（增大） 顶板最大拉应力 1.017 0.695 0.322 底板最大拉应力 0.846 0.563 0.283 3.4.3 技术经济效益分析 由于试验研究中采用了有效地压控制技术与措施，维护了顶板的稳定性，减少了废石混入量和二次贫化率，大幅度地提高了残矿回收率，给矿山带来了可观的经济效益和社会效益。所获的技术经济评价与原回采方法相比，有大幅度的改善，采场生产能力提高了2倍以上；贫化率为12，与原方法相比降低了40；残矿回收率为79.3， 提高了32.2；由于增加了锚杆支护、废石充填和局部放顶成本，采矿作业直接成本增加了8.37；经过计算，2005年5月-2006年10月新增效益808.50万元。 4 结 语 （1）本文提出了采空区处理的新方法切槽放顶-控制爆破局部切槽放顶技术；归纳了切槽位置、切槽宽度、切槽深度的计算公式；采用数值模拟的方法对采场回采和矿柱回采过程中的应力状态进行了模拟分析，验证了所归纳的计算公式的可靠性。 （2）采空区处理的试验结果进一步证实了采空区处理新方法和参数计算公式的正确性和实用性。 （3）本文所提出的采空区处理的新方法是一种安全、经济、合理、简便易行的方法，具有推广价值，如推广将产生良好的经济效益和社会效益。 参 考 文 献 [1] 周宗红,马钢桃,马维富. 诱导冒落技术在空区处理中的应用[J].金属矿山,20051273-74. 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