弓长岭铁矿空场—崩落组合法采场安全防护技术.doc

弓长岭铁矿空场崩落组合法采场安全防护技术 任美霖1 任凤玉1 陈小云2 郑海峰2 （1.东北大学；2.弓长岭矿业公司） 摘要 空场崩落组合法在弓长岭铁矿薄矿体开采中得到大量应用，该法需要采取合理的技术措施，严防采空区围岩的冒落危害。通过分析采空区冒落形式的影响因素与冒落危害的发生过程，提出根据持续冒落面积确定合理的空场出矿分段数，并使分段之间形成连续采空区的方法，控制围岩按零星冒落形式冒落；保持最下一层空场出矿分段的进路端部出矿口不敞空。防止冒落冲击危害。这2项措施有效地保障了空场崩落组合法的安全开采条件，在弓长岭铁矿取得了良好的实用效果。 关键词 急倾斜薄矿体 空场崩落组合法 安全措施 Safety protection Technique of Open-stope Caving Mining in Gongchangling Iron Ore RenMeilin1 Ren Fengyu1 Chen Xiaoyun2 Zheng Haifeng2 1.Northeast University; 2.Gongchangling Mining Campany Abstract Open-stope caving is widely applied to recover thin ore bodies of Gongchangling iron mine. This needs to take Reasonable technical measures to prevent accidents induced by rock falling of mined area. By means of analyzing the influence factors and occurrence processes of hanging wall falling a reasonable sublevel number of ore removals is determined according to the area of the continuous falling and a continuous mining out area is ed among the different levels to control the ation of rock falling by small pieces. Then , it is to remain some blasted ore to block the drift outlet at the last mining level to prevent the impact of air flows induced by the rock falling. These two measures can effectively guarantee the safe mining conditions of the sublevel stope caving and obtain a practical effect in Gongchangling iron mine. Keywords Steep thin ore-body, Open-stope and caving , Safety measures 弓长岭井下矿属于沉积变质矿床，主要开采6层矿体，其中上含铁带开采4、5、6号矿体，下含铁带开采1、2、3号矿体。矿体形态呈层状、似层状产出，厚度230m，倾角6585，矿石品位2065。矿体从稳固到中等稳固，局部磁铁富矿节理裂隙极为发育，稳定性很差。上、下盘基岩一般稳定性较好，在基岩与矿体之间存在着厚约20m的蚀变带，该蚀变带围岩稳定性较差。 根据矿体产状与矿岩稳定性质几经优化采矿方法，近年确定，现用的无底柱分段崩落法方案，用于开采厚度大于8m的矿体；对于占矿体总长度40的，厚度82m的薄矿体，应用空场-崩落组合法开采。 1矿岩力学性质 矿岩力学性质见表1。 表1 矿岩力学性质 岩石种类 抗压强度/MPa 内聚力/MPa 内摩擦角/ 弹性模量/104MPa 泊松比 滑石绿泥石片岩 26.06 15.69 28.36 3.178 0.276 绿泥石片岩 33.33 8.00 45.50 4.390 0.356 角闪岩 110.10 32.35 43.15 9.731 0.270 石榴绿泥岩 123.09 20.00 43.50 7.950 0.241 石榴镁铁 135.05 17.50 36.50 14.410 0.383 闪绿泥岩 磁铁富矿 135.69 20.00 46.00 8.850 0.387 磁铁贫矿 167.49 14.00 45.00 8.340 0.208 石英黑云母 192.89 18.00 46.50 8.750 0.304 钠长石片岩 2空场崩落组合法的采场结构 空场崩落组合法的采场结构如图1所示。这种方法全部采用无底柱分段崩落法的生产工艺，只是第一分段进路控制炮孔深度，留下适宜厚度的顶柱，形成空场放矿条件。该顶柱（或上盘围岩）冒落前，下面分段一直在空场条件下放矿，放出无贫化矿石。在顶柱（或上盘围岩）冒落后，形成覆岩放矿条件，按分段崩落法设计与回采下一个分段，充分回收采场内存留矿量[1]。 在空场出矿过程中，随着崩落矿石的放出空场越来越大，由于上盘围岩稳固性较差，当空区围岩达到一定暴露面积时，便会发生自然冒落。能否有效地防治空区冒落危害是空场崩落组合法能否实现安全生产的关键所在。 3采空区的冒落形式控制 大体说来，空区的冒落形式可分为3种零星冒落、批量冒落与大规模冒落。一般说来，在初始冒落中，零星冒落的危害最小，往往在附近作业人员不知不觉中实现整个冒落过程；大规模冒落的危害最大，往往造成采场严重破坏、气浪伤人等重大安全事故[3]。 在研究中发现，消除空区内的支撑矿柱、扩大有效暴露面积避免冒落能量积蓄，可促使采空区在初始冒落阶段按零星冒落形式冒落。这是因为在一个暴露面积足够大的采空区里，如果没有矿柱支撑，空区围岩受拉变形，当表层岩块之间的联系不足以克服自身重力时，块体便会脱落母岩自然掉落，从而呈现单块断续掉落的零星冒落形式；而当有矿柱支撑时，空区围岩的变形量与冒落过程受阻，但矿柱的支撑强度有不足以限制围岩微裂纹的产生与扩展，从而使得不到释放的冒落能量积蓄起来（如图2），一旦失去矿柱的支撑，这种冒落能量便会突然释放，使围岩微裂隙迅速贯通，从而有可能发生大批量冒落或大规模冒落[6]。 通过消除冒空区内支撑矿柱和避免冒落能量积蓄来控制冒落形式的方法，已经在桃冲铁矿、西石门矿、北洛河铁矿与和睦山铁矿等多座生产矿山得到实际应用，应用结果为无论采空区大小，其冒落过程均在副井作业人员不知不觉中实现。也就是说，采空区在初始冒落阶段，均实现了按零星冒落形式冒落的控制目标[2]。 弓长岭井下矿的采空区埋深超过400m，在图1所示采场结构中，空区的冒落危害主要来自上盘围岩。设置合理的空场出矿分段数。同时回采这些分段，使顶板较快地达到临界冒落面积，并使分段之间形成连续的采空区（不留任何支撑矿柱）。即可使上盘围岩不积蓄冒落能量，促使其按零星冒落形式冒落[5]。 4冒落冲击模型 在一封闭系统的零星冒落形式中，冒落产生的冲击气浪是由于岩块下落时对空气的诱导和对地面层空气的冲击造成。岩块向下运动过程中，一部分气体绕岩块流动，到了岩块的上方；一部分气体流向空区四壁，形成环流；另一部分气体由空区下方通道冲出，形成冲击气浪。这3部分气流都是在岩块下落过程中诱导与冲击空气造成的。前2种流动对降低冲击气浪的流速是有利的，或者说，由于前2种气流的流动，降低了冲击气浪的速度。这种冒落冲击称为绕流冲击模型[4]，如图3所示。 弓长岭井下矿回采工作面远离地表，通过对上部联通口采用必要的封堵措施等，完全可以使采空区冒落时没有外界大气补给，使冒落冲击符合环绕模型。也就是说，在采空区冒落过程中的空气流动，趋近于上述3种流动状态，而冒落时的冲击气浪，是由下落岩块扰动空气以及在落地时冲击空气造成的。 5 绕流模型的冲击气浪估算 5.1冲击气浪的运动规律 由于岩块下落过程中对空气的诱导，空气流动速度由零增加到最大值，再由最大值逐渐减小到零。而空气在流动中需要克服的阻力有空气本身的惯性力、通道摩擦力及通道中的局部阻力。气流速度由零增大到最大值在运动中的消耗能量之和应等于岩块下落对空气所作之总功，即可 （1） 式中，L为空气流动系统通道换算成断面为S等等效长度；λ为摩擦阻力系数；S为空区横截面积；ρ为空气密度；C为阻力系数（由阻力系数与雷诺数关系图查出，C4.5）；A为岩块水平投影面积；H为空区高度；t为空气流动速度由零到最大速度的时间；ν为空气的流动速度；R为通道的水力半径；Σξ为系统的局部阻力系数之和。岩块以速度ν下落，在接近地面时，将其下空气以速度u快速挤出，形成冲击气流（图4）。按质量守恒原理，可得u的计算式 uA*vmax/lh （2） 式中，l为岩块水平投影面积的周长；h为岩块周边最宽部位离地面的高度；vmax为岩块达到落地瞬间的最大下落速度。 5.2 冲击气浪估算式 （1）岩块下落过程中诱导空气流的最大流速估算。忽略空气运动阻力和系统局部阻力的影响，由式（1）可求得岩体冒落诱导的最大风流速度估算式 （3） 调查得出，井下矿中央区的浅孔留矿法采场，在大放矿后期漏斗口不能出空，表明采空区的存留高度不超过40m。由于岩体节理裂隙比较发育，根据工程类比法，上盘围岩冒落的块度不会超过桃冲铁矿厚层栖霞灰岩的冒落块度，即最大块度不会超过3.5m22m1.5m。为保险起见取2倍的安全系数，即最大冒落块体的水平投影面积按7.0m4.4m计算；同时，取采场长50m，矿体水平厚度7m，采空区的最大净高度40m。将H40m，S50（736cot70）905㎡，A7.04.430.8㎡，g9.8m/s2，C4.5，LH代入式（3），计算得vmax7.90m/s。 安全规程规定，人体可以抵抗的风俗不超过1215m/s。可见块体在下落过程上诱导的风流，对单个块体的零星冒落而言，达不到对人体造成冲击伤害的程度。 （2）岩体落地冲击气流估算。岩块落地时的最大下落速度为 将最大岩块的几何形状简化为椭球体，则其水平投影面积为 周度 代入式（2）得 （4） 对单个块体零星冒落而言，将a3.5m，b2.2m，h0.75m，H40m代入式（4），得u49.73m/s。 由此可见，零星冒落时岩块落地时的冲击气流，远远超过了安全规程规定的数值。 该水平奔突的冲击气流与岩体冒落诱导的铅直向下运动气流一起构成冒落冲击气浪。其中诱导气流从铅直向下运动转为水平运动将消耗掉一部分能量，使流速按降低20估算，则零星冒落的冲击气浪流速vu0.87vmax56.05m/s。 6安全措施 冲击气浪由于块体后面的负压而迅速扩散，在离开块体边缘5.0m的地方，可供向上扩散的面积为 ΔAπ（a2）（b2）－πab167.99㎡ 可供继续向前流动的面积 S37.04㎡ 此时气流向上扩散的面积为向前冲击面积的4.54倍，就是说，气流向上扩散的面积超过4/5，而向前延续的面积不足1/5.考虑到扰动空流的束缚和惯性力的影响等，单位面积向前延续的奔流量按向上扩散量的2倍估算，则此时向前奔突的气浪速度的估算值u18.23m12m/s。 此时已经小于安全规程规定的人体可以抵抗的风速（u12m/s）。可见在块体的零星冒落中，离开冒落块体边缘5.0m，即不会受到冒落气浪的伤害。 由以上分析计算可见，在零星冒落中，诱导气流的速度达不到对人体造成伤害的程度，为此，多分段空场出矿时，作业人员可以在上部分段的端部安全作业；只有最下一个出矿分段，在冒落块体地点的边缘，冒落冲击气浪足可以对人身造成严重伤害，作业地点需要离开块体落地边缘5.0m以上，才能满足人身安全需要。 为确保生产安全，不仅要考虑冒落气浪的冲击，还需要考虑冒落滚石对端部口作业人员的冲击问题，为此，在实际生产管理中规定，在最下一个空场出矿分段，出矿到端部口微露空区而又不敞空为止，用散体将空场与进路作业地点隔离开来，以此严防采空区的冒落冲击危害。 采取上述技术措施后，从2009年6月至今，在弓长岭铁矿薄矿体空场崩落组合法采场，采空区围岩区在作业人员不知不觉中实现了冒落，从而实现了弓长岭薄矿体应用空场崩落组合法安全高效的开采目标。 7结论 （1）弓长岭井下矿薄矿体应用空场崩落组合法开采，防治上盘围岩冒落冲击对安全至关重要。为此，一要控制冒落气浪的冲击模式，二要控制上盘围岩的冒落形式，三要在出矿口采取防护措施。 （2）采取封堵上部联通口的技术措施，保证采空区冒落时没有外界大气补给，可促使冒落气浪服从绕流冲击数学模型。 （3）通过合理设置空场出矿的分段数，并使分段采空区之间不留任何支撑矿柱，使上盘围岩不积蓄冒落能量，可保障采空区上盘围岩按零星冒落形式自然冒落。 （4）在零星冒落中，在空场出矿分段，使出矿点与落块边缘保持5m的距离，或适当留下崩落矿石保持端部出矿口不敞空，即可防止冒落气浪的冲击危害。 参 考 文 献 [1]任凤玉，任美霖。弓长岭铁矿薄矿体开采技术研究[J]。金属矿山，2009（12）44-45。 [2]周宗红，任凤玉。诱导冒落技术在空区处理中的应用[J]。金属矿山，2005（12）73-74。 [3]任凤玉，李楠。眼前山铁矿主采区露天转地下诱导冒落法开采方案研究[J]。金属矿山，2010（2）42-45。 [4]郑怀昌，宋存义。采空区顶板大面积冒落诱发冲击气浪模拟[J]。北京科技大学学报，2010（3）277-281。 [5]任凤玉，韩智勇。诱导冒落技术及其在北洛河铁矿的应用[J]。矿业研究与发展，2007（1）17-19。 [6]李清望，任凤玉。西石门铁矿南区采空区的冒落规律分析[J]。中国矿业，2007（3）42-43。 12