地下铁矿采空区处理方法

地下铁矿采空区处理方法

1概述

(1)采空区处理的必要性

在岩体力学中已论述,岩体开挖以后,采矿空间周围岩石的原始应力平衡状态受到破坏,因而致使应力重新分布,形成次生应力场,在一些部位形成应力集中,在另一些部位形成应力降低区;在邻近空间的岩体中形成压力支撑带。随着采空区不断扩大化,岩体中的应力也不断重新分布。当某些区域的应力超过岩石的强度极限时,便会出现顶板下沉、底板隆起、侧帮突出、岩石剥裂等现象,并进而发展成岩石离层和崩落,甚至引起岩石自爆等现象。大面积采空区岩石突然崩落,会造成很大的冲击载荷及空气冲击波,破坏矿山生产。

国内外矿山有许多实例说明,大规模的地压活动往往造成严重的矿山灾害,如破坏井巷设施、设备,甚至造成重大人身安全事故;影响较小的地压活动也可能导致生产失调和资源的损失。

使用充填法与崩落法开采矿床,采空区已即时处理;而采用空场法时,矿房回采后则遗留空区处理问题。所以,当采用空场法开采矿床时,在设计中必须对空区处理给子足够的重视并提出采空区处理设计。在生产中必须按计划及时进行空区处理,不应拖延。我们国家对矿山地压活动的危害非常重视,除科研机关外,很多矿山都有专门组织或人员负责这方面的

工作。

(2)影响采空区地压活动的因素

①空区的大小和形态空区的大小与形态对次生应力场有直接影响,也对采空区地压活动有直接影响。

现场观察证明,在急倾斜薄矿脉的留矿法空区中,岩石移动夹墙倒塌,都是以密集邻近的空场为基础的。因为矿脉越密集,空区之间距就越小,夹墙越薄,其稳固性也就越低。

在厚矿体和水平缓倾斜矿体中的空区,严重的冒顶和岩石移动事故,大多首先发生在大的采空区中。因为空区越大,顶板和上盘岩石的稳固性也就越差。

②开采深度剧烈的地压活动,一般在开采深度比较大的条件下才能发生。因为采空区周围岩石中的应力随着开采深度的增加而加大,当开采到一定深度时,便会在大的采空区域开始突破而发展成大的地压活动。

以水平应力为主的地质构造应力场对空区地压活动影响,可能大于重力应力场。

③构造弱面、裂隙的分布情况在断层、岩脉等构造破坏的地区,当采空区破坏岩体的应力平衡后,构造弱面便成为岩石移动等地压活动的有利条件。我国几个矿山大地压活动的突破口都是构造薄弱带。

④时间因素空场形成后,其间的夹墙、矿柱和上下盘岩石在载荷的长期作用下,会因蠕变作用而变弱。当变形超过一定

限度时,就会出现表面剥裂直到破坏。这就是说,空区长期暴露是井下出现破坏性地压的重要因素之一。

岩体因蠕变作用而达到破坏所经历的时间,与岩体的力学性质有关。有的矿山岩体的力学性质较差,从采空区形成到出现破坏性地压活动只需2~3年时间,有的岩石质地坚韧稳固,需要经历7-10年。

⑤岩石的物理力学性质和稳固性矿床的围岩坚韧稳固,对回采工作的安全是有利的。但是,也正因为它坚韧稳固,上盘崩落困难,积蓄应变能的能力强,在采空区体积不断扩大而且不作处理的情况下,所积蓄的应力一旦释放,便会造成大面积的夹墙或矿柱倒塌。出现大规模破坏性地压活动的矿山,围岩往往是极坚硬的。相反,如果围岩软弱、岩体中含有软弱夹层或遭到构造破坏,则在空区形成后,容易出现顶板垮落、矿柱碎裂倒塌、井巷开裂垮落等地压活动现象,而且首先是从构造弱面或软夹层开始破坏。但是大面积突然来压的可能性比坚硬稳固的岩体小。

⑥矿柱回采情况在采空区范围不太大的条件下,采区留阶段矿柱和间柱可以对上下盘岩石和夹墙起支撑作用,借以保证回采工作的安全和保护下部巷道。当采空区不断扩大和采深不断增加以后,矿柱会因应力集中和蠕变使其中的应力超过其极限强度而出现剥落、裂缝,进而发展成较大的变形和破坏。同时,矿柱的刚性如果比周围岩石的刚性大,由于应力

集中而使其中的应力超过其极限强度时,又容易向周围岩石释放应力而使巷道开裂、变形和垮落一旦一个矿柱被突破,应力集中便会向未破坏的矿柱转移,使尚未遭致破坏的矿柱中应力突然增长而致破坏。这种连锁反应如果连续进行,就会造成大范围的空区倒塌和岩层移动。

⑦岩石的含水性有许多岩石,其强度能被水削弱,甚至可以使之破坏。我国东北地区有些矿山的岩层移动和顶板冒落,一般都发生在每年3~4月解冻时期或6~7月之雨季。

⑧落矿方式在井下进行大爆破的矿山,岩体的强度和结构遭到的破坏较大,使岩体产生的裂隙多、深度大。云南某些矿山解放前用手工开采的空区,维持至今,而规模相近的矿体用大爆破回采后,空区早已垮落。

上述因素对地压的影响是综合的。此外,个别矿山尚有一些影响地压活动的特殊因素,如地震的影响等。

2采空区处理方法

采空区的处理方法,一般分为三大类:充填法、崩落围岩法及隔离法

(1)充填法

这种方法是用外来的充填材料对采空区进行采后充填。在国外已采用多年,在国内也取得了良好的效果。

充填体能降低岩移幅度,减少地表沉降值,并可防止上部围岩冒落时产生的冲击载荷和空气冲击波对下部生产阶段

的危害。充填体的侧压力可以提高永久房间矿柱的支撑能力,承受大的压力

①充填法处理采空区的优点能保持围岩和夹墙的稳定或限制其移动幅度;有利于提高矿柱回收率;有利于保护上部回风系统的巷道;利用尾矿砂充填采空区,可以减小地表尾矿池的容积。采用废石充填,可简化地表废石场的工作;没有地表崩落带来的危害。

②缺点需要建立专门的充填系统,配备充填人员;施工复杂;费用高;不利于深部地压的应力释放。

(2)崩落围岩处理采空区

这种方法的实质是,即时回采矿柱,使围岩自然冒落;如果开始时围岩不能自然冒落,则用中深孔、深孔或药室大量崩落空区围岩或空区间的夹墙,通过围岩崩落,释放应力,改变应力集中部位,将承压带转移到采空区周围较远处的岩体中,使岩体中的应力达到新的对回采工作无安全威胁的相对平衡状态。

崩落围岩,使生产阶段与上部陷落区之间隔有高度足够的废石垫层。废石垫层可以缓冲上部围岩冒落时的冲击载荷和隔绝空气冲击波。

与充填法比较,这种方法的成本较低,能较主动控制地压活动，但只能用于地表允许崩落和地表崩落所造成的危害可以控制的条件下。

近年来,国外有用应力释放法来处理采空区的,即通过观测手段找出矿山的应力集中部位,用爆破方法使应力释放,借以解除地压可能造成的危害。

(3)隔离法

根据采空区情况的不同,隔离法有两种

①对于孤立分散的小采空区,隔绝它们与生产作业区段之间可能传递危害的一切通路;

②对于连续或基本连续的大矿体,在其中设置隔离带,隔离两侧采空区次生应力场的相互影响并消除它们互相叠加的条件。

第一种方法常用于处理矿体相距较远,围岩崩落后不会影响井下主要巷道和其他矿体开采的孤立小矿体的采空区。具体做法是,在采空区附近一通向地表的“天窗”,然后用坚实的密闭墙密封通向生产区域和主要坑道的一切通路。这样,即使围岩突然崩落时,空区内空气冲击波由“天窗”冲至地表,而不至于危及井下生产人员和设备的安全。

第二种方法亦称设置隔离带的方法。隔离带可以是大条带形矿柱、大的夹石带、无矿带或高强度的混凝土充填体。设置隔离带的作用为:切断各主要采空区的连续性,隔离或减小部分作业区段内应力集中的叠加,控制地压活动的范围;避免围岩大面积暴露时冲击波的危害;拦截上部涌水,使其不进入下部采空区。

隔离带位置的选择,一般应考虑下列原则：

a.留隔离带所造成的矿石或金属量损失最小;当设置胶结充填人工隔离带时,要求设置在充填量少的部位;

b.矿体倾角平缓或急倾斜转折的区段;

c.矿岩较稳固,地质构造破坏小的区域;

d.上部空区地压活动剧烈,设置隔离带能尽快达到目的的区段;

e.能拦截上部涌水和便于排水的阶段。

3采空区处理方法的比较

(1)不同空区处理方法对矿柱与围岩应力情况比较国外曾用光弹试验方法,就急倾斜厚矿体中矿柱支撑的采空区、充填的采空区和崩落法处理的采空区对下部阶段顶柱和围岩应力的影响,进行了研究,得出如下结论:

①用矿柱支撑围岩,顶柱中切应力大,拉应力大,围岩应力集中大,采空区最易失稳;

②崩落围岩可以完全消除或显著降低顶柱中的拉应力,大幅度降低其垂直应力,从而大大提高下部阶段顶柱的稳固性;

③充填采空区与不充填对比,顶柱垂直应力不仅没有减小反而有所增加,但是拉应力有所下降,其幅度没有崩落围岩时大。

总之,从保持空区稳定性看,充填采空区优于矿柱支撑采

空区,但不如崩落围岩效果显著。

(2)技术经济对比

湿式充填与崩落法处理采空区的技术经济对比,列于表14-1。

表14-1湿式充填与崩落法处理采空区的技术经济对比

应当指出,采空区处理方法的比较不应离开矿山具体条件。了选定合理的采空区处理方法,也必须结合本矿实际情况进行多方案对比。