里伍铜矿采空区稳定性分析

祝 军

(四川里伍铜业股份有限公司, 四川甘孜县 626201)

里伍铜矿采空区稳定性分析

祝 军

(四川里伍铜业股份有限公司, 四川甘孜县 626201)

通过对里伍铜矿采空区的稳定性及地压的研究和分析,提出了控制矿区地压的方法和措施,对该矿以后的开采具有很好的指导作用。

采空区;地压活动;稳定性;强制放顶

1 矿区地质概况

里伍矿区出露地层为 1套泥沙质沉积变质岩系,属志留泥盆系(SD)里伍带(SD12-2),最大出露高度约 1000m,岩石类型简单,有石英岩、片状石英岩、片岩及变质岩等。地层呈层状、似层状产出,倾向南东,倾角 20°～25°,单斜构造,构造中次级节理发育,西部比东部强烈。矿区断裂构造有正断裂组,其延长规模不大,长 170～300m,产状稳定,断距小,F3最大也仅 2m,破碎带宽度小,最宽 3m。逆断裂组,规模更小,产状稳定,断距小,破碎带宽度最大0.5m,断层面呈弧形变曲并有分枝,远离矿体产出,对矿体无破坏。

铜矿床产于志留泥盆系(SD)里伍带(SD12-2)的沉积变质岩中,矿体呈群出现,共有 26个矿体呈似层状产出,矿区内有上、下 2矿化带。2矿化带在23线一带层间垂距达 400m,向西至 35线间距缩小至节理平形重叠产出。矿体单一,内部构造简单。

矿体受江郎背斜控制,倾向南东。上部分布在35线以东的 A1、A2、A3、B1-1、B1、B2等矿体产状较稳定,倾向 95°～159°,倾角 20°左右;分布在 35线以西的 B3、B4、E5等矿体产状变化较大,倾向 128°～226°,倾角 20°左右。下部矿体的倾向 109°～142°,倾角 18°～29°。

矿体位于侵蚀基准面以上,地下水位之上,地形有利于自然排水,矿体的底板较稳固,岩体结构完整,工程地质条件良好,水文地质和工程地质条件属简单类型。接近地表的岩石和矿石风化较深,其矿岩稳固性较差。

2 采空区稳定性分析

2.1 影响采区地压活动的因素

里伍铜矿采用全面法和房柱法采矿,到 2009年底,矿山已累计采出矿石 534.6万 t,采出金属量16.73万 t。截止 2009年底已形成上部 4个中段(2860,2840,2820,2800)和下部 2个中段(2720,2700),共有 3处连续成片的采空区,总体积达 26.7万m3。按目前的生产规模估计,采空区体积将以每年 4万 m3的速度增加。

由于在采矿过程中,后退式沿间柱用削采法回收了一半以上矿间柱,使连续矿间柱变成了尺寸较小的孤立点柱,也无连续的顶底柱,形成了大全面的采空区。矿体在矿区南缘和北缘的山腰出露,矿体采完后,使顶板和底板之间形成了北、西、南 3面悬空的大面积空区,形成大的悬臂梁。加之有多层采空区和矿体的复合现象,例如:37～43线之间有 5层以上空区,38～41线之间有多层矿体复合,采空区高度大,而矿柱仍然较小。

在其连续开采过程中,采空区暴露面积不断增大,悬臂梁长度也随着增大,应力逐渐集中。多层矿体开采的多次扰动和削采法回收矿柱,使顶板稳固性变差,矿柱尺寸缩小,特别是厚矿段的矿柱尺寸。这些因素使得某一矿柱和某一顶板中应力超过了它们的强度,首先引起该矿柱或顶板的破坏,然后波及整个系统,导致了空区大面积垮塌、岩体错动、顶板下沉、底板开裂鼓起,巷道片帮折断,地表开裂下陷,山体滑坡崩塌等一系列的地压活动,导致矿山局部停产,矿量损失,给矿山造成较大的经济损失。

总之,地压活动发生的频率越来越快、涉及的范围越来越广,给正在回采的生产中段和整个矿山生产系统造成了很大的安全威胁。

2.2 采空区稳定及地压研究的成果

(1)采空区周围的岩体和采空区内的矿柱出现了一定程度的岩体破损,采空区围岩破损深度约为10～20m,大采空区内的矿柱几乎全部呈现出塑性屈服。从应力状况来看,最大剪应力数值为 7.853 MPa,这一数值已经接近或超过里伍矿区岩体的抗剪强度值,井下岩体因剪切而破坏的可能性极大。模拟计算结果显示,地表出现了拉应力,数值达0.462MPa,这种拉应力的存在是导致地表开裂的重要原因。

(2)随着开采面积的增大,采区稳定性随之降低。开采向深部延伸,采区顶板暴露面积增大,地压增大,垮塌将不断向深部延伸。在里伍矿区开采技术条件下,当留设的矿柱面积比为 8%时,采区极限暴露面积在 5万 m2左右;无矿柱支撑时的采空区极限暴露面积为 3000m2左右。深部孤立稳固性较好的矿体的采空区,只要留有足够的矿柱,可以长期敞空存在。需指出的是,这 2个数值是对完整岩体而言的,当岩体完整性不好或有较大结构面或多层采空区而且层间距又小时,采区极限暴露面积的数值肯定要小一些。例如:矿区南缘 B3、B2矿体出露地表与硫磺崖子大构造相通,矿区北缘 B3-1、B4矿体出露地表与阴山崖子大构造相通,矿区西部有部分含水层,均发生了较大规模的地压活动。37～43线之间为多层矿体,采空区多达 5层,而且层间距较小,也发生了较大的地压活动。

(3)采区地压研究证明,小地压活动是大地压活动的前兆。当采空区顶板局部冒落和部分矿柱破坏后,地应力将向周围顶板及矿柱转移,使其单位承压增加,出现新的更大的应力变化。对该类采空区,如果不进行及时处理,将导致地压活动的重复再现,而且越来越大。同时证明,矿区南缘和北缘山体继续滑坡是不可避免的。

(4)采空区顶板达到极限暴露面积后,必然自然冒落,当冒落到一定面积后,部分地应力被释放和转移,出现新的平衡拱,拱的前脚落在工作面的前方,拱的后脚落在崩落带上。拱的前后脚即支承压力带,在工作面的上方形成压力降低区。地应力对采矿的影响降低。但当大面积冒落时,有可能出现大的冲击波危害。下一步开采时,随着工作面向前推进,拟隔一定距离就对顶板进行切断,让顶板岩层自然崩落处理采空区。用有限数值模拟计算方法和基于弹性力学的解释法对顶板岩层崩落步距(即放顶距)进行了分析计算,二者的结果较为一致,其有关结论是:在岩体完整性较好的地段,顶板岩层合理的崩落步距为 66m;当岩体的完整性不太好时,崩落步距以 33m较为合适。

(5)当多层缓倾斜矿体重叠且彼此间相距较近的时候,如果用空场法从上往下逐层开采的话,则最上一层矿开采时的稳定性跟其它地方单层矿开采的情形一样,回采可以较为顺利地进行,但余下矿层开采时,采场的稳定性就变差了,且越往下稳定性越差,其主要原因在于:每一次应力扰动(即每层矿的开采)均不同程度地削弱了岩体的稳定性。每层矿开采时均会在其底板岩层中产生拉应力区,且量值超过了一般岩体的抗拉强度,而上一层矿的底板就是下一层矿的顶板。对于多层矿体宜采用长壁式崩落采矿法,在采矿的同时,处理采空区。

(6)随着矿柱高度的增加,矿柱内无论是主应力轴向应力,还是剪应力,均呈现出不断增大趋势,其中增加最明显的是剪应力。剪应力的存在是高矿柱稳定性变差的主要原因。从数值模拟计算的结果来看,当矿柱高度达到 6m之后(长宽均为 3m),矿柱的稳定性已经大为削弱,矿柱高度越大,其稳定性越差。有鉴于此,在矿体厚度较大的地段,建议不要采用这种细长矿柱,而应采用宽长比大一些的矿柱,或者采用别的方法开采。

(7)由于全面强制放顶处理采空区后,往往存在老顶二次来压的问题,建议不要采取强制放顶的方式,而仅采取切割顶板的方式,这样做在经济上要划算些,且效果不错。至于切割高度,以挑顶堵塞巷道为原则,根据自然安息角、松散系数和切割巷道的宽度等进行计算,并取一个大于 1的系数。

[1] 长沙矿山研究院,等.四川里伍铜业股份有限公司采空区处理技术的研究报告[R].2004.

[2] 《采矿手册》编委会.采矿手册 [M].北京:冶金工业出版社,2006.

[3] Gibowicz SJ,KijkoA.矿山地震学引论[M].北京:地震出版社,1998.

[4] 张吉龙,童 辉.夹沟矿不同跨度采空区顶板的稳定性分析研究[J].矿业研究与开发,2007,27(2):32～34.

[5] 黄英华,徐必根,唐绍辉.房柱法开采矿山采空区失稳模式及机理[J].矿业研究与开发,2009,29(4).

[6] 刘福春.某铅锌矿大型采空区处理[J].采矿技术,2007,7(2):21～23,93.

2010-08-06)

祝 军(1970-),男,四川内江人,总经理,工程师,从事矿山管理工作。