1 概况

凤凰山铜矿属高、中温热液铜矿床, 矿体赋存于三迭系大理岩与花岗闪长岩的接触带。主矿体有4个, 呈透镜状或脉状, 急倾斜, 走向长300~1000m, 斜深200~500m, 厚度14~ 35m。矿石类型主要为铜铁和含铜矽卡岩矿石。断裂构造较为发育, 主要断层有N E、NW、SN向3组; 主要节理有NW、EW、SN向3组。

矿体采用竖井开拓, -240m中段以上回采即将结束, 回采重点已向-360m中段转移, -43m以上采用露天开采残矿和氧化矿。矿房采用上向式水平分层尾砂充填采矿法开采, 采场沿走向布置, 长度50~60m, 宽度为矿体厚度, 底柱高7m, 顶柱厚5m, 间柱宽4~6m。

凤凰山铜矿已开采几十年, 留下几百万吨顶底柱矿量待采。为多回收矿产资源, 克服矿山生产转移中衔接的阶段困难, 对阶段矿柱进行了回采试验研究。

2 顶底柱回采的特殊条件

(1) 矿床开采关系复杂, 上部地表露天开采, 顶底柱回采位于中部, 下部是正规矿体矿块的大量开采, 这些作业对采掘工程系统的正常运行和矿体的稳定性等方面有着不可避免的影响和干扰。

(2) 顶底柱上下被充填体包裸, 仅-120m中段以上就有200万m³尾砂, 尾砂中含水, 易泄漏成灾。矿体与大理岩接触带溶洞发育, 溶洞间互通性好; 矿房回采后, 近矿溶洞往往与空区连通; 充填尾砂渗水性好, 采场底部常有大量积水。矿柱的失稳坍塌, 导致尾砂泄漏流失, 堵塞作业空间和巷道, 安全威胁大, 严重时可引起地表陷落。

(3) 上盘近矿围岩为蚀变花岗闪长岩(属膨胀岩), 对矿床开采危害极大。-120m中段已遭严重破坏, 整个回风道都有变化, 通行困难; 沿脉巷道多处倒塌不能通行; 巷道四周和采场底柱、顶板矿体龟裂和离层现象普遍; 顶底柱的稳定性差, 尤其矿柱本身随回采逐层减薄, 更难承受上盘膨胀岩的作用, 安全威胁较大。

3 回采方案

试验采场选择在Ⅱ^#矿体-120m中段36~37勘探线之间的4^#采场顶柱和上部中已遭受严重破坏, 稳定性差, 难于维护大暴露面积顶板。因此, 矿柱回采仍采用上向水平分层尾砂充填法, 分层的回采采用分区回采方案。每个分层划分为8~10个分区, 分区的大小视矿体的稳定性而定。

3.1 矿柱回采主要设计参数 3.1.1 分层高度

阶段矿柱的回采, 始终必需保持应有的稳定性, 有足够的预留厚度, 防止矿柱破坏、坍塌。为此, 应用结构系统数值模拟可靠性分析方法, 初步确定了矿柱的预留厚度。

岩土工程中的可靠性分析方法是一门正在发展的学科^[1], 现采用结构系统数值模拟与可靠性分析相结合的方法, 对矿柱回采的稳定性作了失稳概率的研究, 即在有限元数值计算的基础上, 引入结构系统的可靠性分析方法。

按E·Rosenblueth的对数正态分布随机变量模式^[2], 假定抗力R和荷载效应S相互独立且均服从对数正态分布, 这时, 状态函数Z =ln(R/S), 其均值和标准差分别为:

于是, 失稳概率为:

并有可靠性指标β的基本表达式:

根据这一原理, 将12m厚的阶段矿柱分为4层, 3m为一个开挖步骤, 经计算得表 1。

从表 1可知:①矿柱回采过程中自身的失稳概率有明显的增加, 各回采阶段的概率中间值上升。②矿柱回采前失稳概率较小, 一、二分层回采后概率变化不大, 三分层回采后概率有较大变化。③当矿体的抗压强度由40M Pa变为50M Pa时, 三分层概率有显著下降(由14.46 %~44.6 %降为4.6 %~ 15.5 %)。因此在工程实施过程中, 采取一些相应的支护措施(如锚杆、矿柱等), 可提高矿体的强度, 降低其失稳概率。

据此, 确定的回采高度为9m, 预留3m。按9m确定分层高4.5m和3m两个回采方案。经试验, 分层高度采用3m较优。

3.1.2 分区跨度

划分的主要依据是分层的平面形态和允许的开挖跨度, 而矿体工程质量、分区跨度和锚固质量是决定分区稳定性的三大因素。

矿体工程质量主要取决于矿体的结构。顶底柱为一多类型结构体, 主要的结构类型按其稳定性顺序有:整体块状结构Ⅰ、层(板)状结构Ⅱ、镶嵌结构Ⅲ、层裂结构Ⅳ和碎裂结构Ⅴ 5种。层裂结构和碎裂结构大部分是次生结构, 由地压活动破坏而成。经3个分层26个分区的试验统计, 不同结构矿体的开挖跨度如表 2。

4 顶底柱回采试验

恢复生产系统, 对-120m中段沿脉巷道、回风道、联络道和采场顶板进行安全检查和事故隐患处理, 采用锚杆或金属网等对不和事故隐患处理, 采用锚杆或金属网等对不稳固地段加以维护。

4.1 分层回采

浅孔落矿:采用YT-24型凿岩机, 孔径38~42mm; 顶板炮孔采用光面爆破, 孔距0.5~0.7m。

矿石搬运:采用T₄G设备, 矿石经溜井放至-240m中段平巷提升运出。

顶板管理:爆破后及时进行松石处理和锚固, 锚杆长1.6m和2.5m两种, 有楔缝式和胀管式两种形式, 锚固力78.4~ 127.2kN; 锚杆密度视矿体稳定性而定, 一般为1.5m ×1.5m, 必要时纵横向可加密至0.8m, 整体块状结构矿体可不锚或少锚。

尾砂胶结充填:胶结浓度为65 %, 强度为7~10M Pa; 一、二分层由-120m中段巷道底板小井往空区充填; 三分层则由混凝土封闭墙预留孔往空区充填。一般采用挂管多段充填方式, 充填系数可达95%以上。

拉切割槽:在全面接顶充填前拉切割槽(宽度为4~6m), 它不仅为下分层回采开创自由空间, 同时又是下分层的主分区道、联络道, 转层时为吊挂采矿设备的空间。

4.2 地压管理 4.2.1 地压灾害的预防

地压研究和35线膨胀岩地压灾害防治工程实践证明, 防止地下水对上盘围岩的大量渗透是预防膨胀岩地压灾害的有效方法。因此, 加强了井下排水管理, 清理疏通上部-40m和-120m中段排水沟, 加高天井井圈, 拦截灌入采场的水, 尽可能地防止水渗入试验采场。

4.2.2 阶段矿柱稳定性监控

根据厚板力学原理^[3], 阶段矿柱主要承受上、下盘的压力和上部充填尾砂的重力。为此, 在分层的圆柱中安装光应力计和布置声发射监测孔、充填体中埋设遥测压力枕、锚杆上安装测力计, 监测矿柱的压缩和向下弯曲的状态, 如图 2所示。

为防止矿柱的冒落坍塌, 发生跑砂事故, 对矿柱采用了锚杆、圆柱和尾胶充填体联合支护系统。将锚杆支护纳入回采工艺的范畴, 随分区回采安装锚杆。圆柱直径5m, 支撑面积为250m², 与矿房圆柱在同一位置。分区回采结束后进行充填, 按充填强度核算, 其支撑能力为充填面积的一半。为提高充填效果, 采用了多种充填方式, 并进行了全水速凝胶充填的试验, 获得了较好的接顶效果。

经3个分层的观测, 证明矿柱联合支护系统行之有效, 在这种破碎矿体的回采中, 宏观变化不明显, 圆柱的应力变化很小(< 3M Pa), 无声发射现象, 锚杆拉力 < 19.6kN, 压力枕受力不明显。阶段矿柱在整个回采过程中, 始终保持着良好的稳定性。

4.2.3 分层回采顺序

为选择合理的分层回采顺序, 以切割槽为界分南、北分区, 按南、北, 上盘、下盘和分采、同时采的不同组合, 进行了多种顺序方案试验。试验表明, 各方案的难易程度没有明显的差异, 回采顺序对矿柱稳定性的影响不明显。

究其原因, 这与矿体遭受严重破坏有关, 从图 1的应力变化可知, 开始受区域地压活动后期的影响, 应力变化较大; 在回采的大部分时间内, 由于加强了地下水的管—吸水的恶性循环, 应力变化很小。且由于矿柱回采前的严重破坏, 巷道和空间体积大, 应力释放条件好, 在破坏过程中, 阶段矿柱已成为一卸载体。

5 结语

凤凰山铜矿顶底柱回采是在80m和120m的高阶段, 2000m²矿房面积, 地表有露天剥采, 下部中段仍有回采作业, 上下被松散尾砂包裸, 矿体有严重破坏和水文地质复杂的这一特殊开采条件下取得试验成功。这在难采矿体开采技术、地压监控和资源回收等方面有着重大的意义。

(1) 为凤凰山铜矿全面安全回收阶段矿柱、充分利用矿产资源迈开了重要一步。

(2) 对维护矿山生产稳定和促进经济发展, 将发挥积极作用。

(3) 设计中在有限元计算的基础上, 用可靠性语言解释稳定性问题, 计算结果与现场情况十分吻合, 进行了一次有益的尝试。

(4) 在区域膨胀岩地压研究与控制, 破碎岩体的开采技术, 厚大矿体充填法采场顶底柱回采及其充填接顶和新材料试验研究等方面的实践和理论水平, 均有较大的提高。